电控柴油机PTO控制方法及试验研究
作者：齐善东，刘永春，刘海涛，等
来源：《汽车电器》 2015年第9期
齐善东，刘永春，刘海涛，李毅
（中国重汽集团技术发展中心，山东济南250002）
摘要：阐述电控柴油机PTO的功能并给出了一种控制方法，包括PTO模式使能、PTO模式退出和转速控制算法。转速控制算法采用了带前馈的闭环PID控制算法，并进行了试验验证。试验结果表明，控制方法合理，转速跟随性好且波动较小。
关键词：电控柴油机；PTO；控制方法；PID；试验
中图分类号：U464.149 文献标识码：A 文章编号：1003-8639(2015)09-0018-03
收稿日期：2015-01-30：修回日期：2015-07-20
作者简介：齐善东（1983-），男，硕士，主要从事柴油机电控系统的开发研究。
柴油发动机PTO（POWER-TAKE -OFF）是一种动力输出装置，又叫做取力器，如图1所示。PTO是将发动机的动力向汽车行驶系以外的设备输出的装置，在商用车领域有着广泛的应用，如自卸车、水泥搅拌车、矿用车辆等。电控柴油机的PTO控制实际是由发动机电控单元ECU控制发动机转速的过程。随着整车PTO控制对象的不断增多，对PTO控制精度提出了更高要求，例如特定车辆改装厂进行PTO匹配应用时会要求稳定工况下转速波动范围小于50r/min。本文针对电控共轨柴油机PTO的控制方法进行了设计分析和试验研究，对于提高发动机和车辆的使用性能，具有十分重要的现实意义。
1PTO控制原理与组成
电控柴油机PTO控制原理如图2所示。发动机电控单元ECU采集PTO开关和PTO电位器信号，由ECU进行控制策略分析，判断当前车辆及发动机状态是否满足PTO控制条件，如满足则发动机进入PTO模式．ECU控制发动机转速按标定的PTO电位器电压一目标转速关系进行PID转速调节。本文中ECU采集PTO开关使能信号为低有效，PTO电位器为精密电子元器件，如图3所示，电位器模拟信号范围为0.85—4.15V。
2 PTO使能控制分析
2.1 PTO模式使能条件
ECU根据发动机及整车状态确定是否进入PTO模式，本文中除判断PTO开关信号状态（PTO_SW_ST)外，考虑安全操
作、保护发动机等因素增加的条件为：离合开关信号状态(CLUTCH)、油门踏板开度条件(ACCP)、空档信号状态(NEUTRAL)、发动机转速上下限条件( N_Eng)、车速条件(VehSpd)等。并增加了软件标定开关PTO_ENABLE _C．同时增加了对PTO关联故障的判断，如PTO电位器发生短路、断路等故障或发动机存在较为严重故障时，DIAG_PTO_ST置1后则无法进入PTO模式。
为增加灵活性，满足不同车辆上装厂家或设备对进入PTO条件的不同需求，除必要条件外，增加了软件可选标定开关，如当离合信号的PTO使能标定开关PTO_CLUTCH_ENA_C=1时，控制策略则可以忽略离合器信号状态；当PTO_CLUTCH_ENA_C=0时，离合器信号状态CLUTCH_SW_ST=1才能满足进入PTO的条件，油门踏板开度、空档信号、发动机转速、车速等条件也可通过标定确定是否开启相应条件。
具体控制逻辑如图4所示。软件开关开启PTO功能PTO_ENABLE_C=I．ECU判断若当前不存在关联故障，并满足其他条件，PTO模式使能状态PTO_MODE_ACT_ST=I。
2.2 PTO模式退出条件
与发动机进入PTO模式条件类似，退出条件包含PTO开关状态、发动机运行模式条件、车速信号、空档信号等，并增加了发动机水温保护条件。
控制逻辑如图5所示。当逻辑图中任意一个条件满足，则发动机无法进入PTO模式；或从PTO模式退出，判定条件有：
PTO开关状态未使能即满足PTO_SW_ST=O，ECU软件未使能PTO功能即PTO_ENABLE_C =0，发动机存在PTO关联故障DIAG_PTO_ST=1．发动机在起动状态（发动机转速大于0但未进入怠速）即EngMode_Start=l，发动机在停机状态（发动机转速为O）即EngMode_Stop=l，发动机冷却水温度CoolTemp大于或等于标定上限值CoolTemp_PTO_MAX_C。
在图4使能逻辑中，车速小于等于VehSpd_PTO_MAX_C时，状态量VehSpd_PTO_MAX_ST=l代表未超过标定车速上限，当车速超过上限值时，状态量VehSpd_PTO_MAX_ST=O代表超过标定车速上限，因此退出条件为VehSpd』TO_MAX_ST=O。对于空档开关信号状态，图5逻辑同样采取了可选功能，即NEUTRAL_PTO_ENA_C=1时与图4功能相同，此时不管空档信号什么状态，都不会使PTO模式退出，NEUTRAL_PTO_ENA_C=O，是否退出PTO模式则取决于空档信号。
3 PTO转速控制算法
传统的闭环反馈控制总是在发现偏离目标后再作出响应，因此对时滞较大、控制要求较高的场合往往不能满足要求。而发动机系统属于非线性、时变形的强耦合系统，因此引入前馈控制，前馈控制是一种开环控制，即事先加入控制量以抵消系统扰动。本文中采用了开环加闭环的控制方式，闭环控制采用了工程中广泛应用的PID算法来实现，并增加了前馈控制。
控制算法如图6所示，闭环控制以发动机当前转速为反馈量，计算与目标转速的偏差值，经PID计算出补偿扭矩，但PI
D参数确定是一个难点，并且固定的单一参数无法反映发动机非线性、时变形的特点。因此，本文采用了简化的模糊PID控制算法，采取一维模糊结构，把转速偏差作为输入，经过模糊推理，得到Kp、墨和Kd参数。开环前馈扭矩把发动机当前转速和转速偏差作为输入，ECU查表计算出开环扭矩值。控制算法采用基于扭矩的计算策略，即PID算法根据转速偏差计算出补偿扭矩后，加上前馈计算的扭矩作为PTO模式下发动机的最终扭矩请求，经扭矩一油量转换后，输出喷油量实现控制发动机转速。
发动机转速 4试验验证
采用上述控制方法在发动机台架上进行试验验证，控制对象为中国重汽IOL柴油发动机，为检验控制效果，分别进行了空载和加载试验，利用台架对发动机进行扭矩加载验证，试验结果如图7、图8所示。
试验结果表明，发动机进入PTO模式后，目标转速按标定值随电位器电压变化，同时PID模块和开环模块计算扭矩输出，并最终转换为喷油量。发动机转速跟随良好，目标转速突变时，发动机能在2s以内稳定转速，空载下转速波动范围小于30r/min，加载模式下转速波动范围小于50r/min，完全满足工程需要。
5结束语
柴油发动机的PTO功能关系到柴油发动机以及车辆的稳定性和可靠性，控制方法和软件策略是PTO功能开发的关键，而转速控制算法是实现稳定控制的核心。标定参数的确定则需要大量的匹配标定和试验验证，特别是发动机在加载情况下的转速稳定性是检验控制方法和标定参数是否正确的主要依据。
目前中国重汽自主开发的豪沃和部分A7车型上都采用了本文中介绍的PTO控制方法，经过长期的试验充分验证了该控制方法的正确性和有效性。
参考文献：
[1]宋国民，黄茂杨，季晓华，等基于参数自调整模糊PID算法的前馈共轨压力控制[J]东南大学学报（自然科学版），2005，35 (3)：465-468．
[2]李鸿怀，尤丽华，朱磊，等，高压共轨柴油机怠速油量控制试验研究[J]．车用发动机，2011 (1): 61-64．
[3]陶永华，等，新型PID控制及其应用[M]．北京：机械工业出版社．1998．
（编辑文珍）
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