[发明专利]一种基于模型预测控制算法的柴油机VGT-EGR控制方法

说明书

本发明公开了一种基于模型预测控制算法的柴油机VGT‑EGR控制方法。该方法包括：建立面向控制的柴油机空气系统三阶非线性平均值动力学模型；将所述三阶非线性平均值动力学模型进行准线性处理，获得柴油机空气系统准线性模型；根据所述柴油机空气系统准线性模型设计模型预测控制算法，以控制EGR阀开度与VGT叶片开度为目标，使柴油机的增压压力与进气流量达到设定目标值。本发明通过对柴油机空气系统非线性模型进行准线性处理，使其能够在发动机整个工作范围内保持原有的非线性特性，并且使所设计的空气系统控制器能够在稳态工况与瞬态工况均达到较高精度。

技术领域

本发明涉及柴油机控制技术领域，更具体地，涉及基于模型预测控制算法的柴油机VGT-EGR控制方法，用于对带有EGR系统与VGT系统的柴油机进行EGR阀开度与VGT叶片开度的协同控制。

背景技术

随着对发动机动力性、经济性与排放性等综合性能要求的日益提升，增压系统(VGT)与废气再循环系统(EGR)现已基本成为柴油机的标准配置。VGT系统可以根据发动机工况的变化调节叶片开度，从而使发动机的动力性与经济性在各工况下较普通涡轮增压器都有显著提高。EGR系统通过引入部分废气与新鲜空气混合共同参与燃烧，降低气缸内氧浓度与最高燃烧温度，缩短了高温持续时间，从而降低了氮氧化物排放。

然而，由于VGT系统与EGR系统均是由废气驱动的，所以二者之间会相互影响。当EGR阀开度不变时，改变VGT叶片开度，不仅会引起涡轮转速与增压压力变化，同时会对进、排气压力产生影响，使流经EGR系统的气体流量变化；而当VGT叶片开度一定时，EGR阀开度变化将会引起排气压力变化，从而改变增压压力，流经涡轮的气体流量也将改变。由于增压系统与EGR系统的强烈的耦合作用，对于二者的控制是一个难点。

经统计分析，目前对于VGT系统与EGR系统的控制方法主要有以下几种：

(1)EGR系统与VGT系统的独立闭环PID控制策略。对于EGR系统，通常以目标EGR率或目标进气流量为控制目标，对于VGT系统，通常以增压压力为控制目标。控制过程采用反馈控制方法或前馈控制和反馈控制相结合的方法设计PID控制器，实现不同工况下的EGR阀开度与VGT叶片开度控制。这种方法的优点是控制器结构简单，在稳态工况下控制效果较好，但对于PID控制器的标定往往需要几套参数，且该方法对于瞬态工况的控制效果并不理想。

(2)空气系统解耦控制策略。这种方法首先建立空气系统模型，随后采用对角矩阵法、奇异矩阵分解法等数学手段，对空气系统进行解耦。解耦后得到的等效的空气系统，EGR阀开度的变化只对进气流量产生影响，而不会改变增压压力；VGT叶片开度改变时只会影响增压压力，而不会改变进气流量。这种方法实现了VGT系统与EGR系统的解耦，但也存在一定的缺点。使用该方法建立空气系统数学模型时，通常根据发动机台架试验数据，采用系统辨识的方法建模，因此该方法过于依赖试验数据的准确性。且出现扰动的情况下，该方法的控制效果会受到一定影响。

(3)标准H∞控制策略。采用H∞控制算法时，通常首先根据空气系统动力学特性建立空气系统模型，然后进行局部线性化设计线性控制器，最后设计多个线性控制器扩展到整个工况范围。H∞控制算法能够解决交叉耦合的多变量系统控制问题，但该算法求解甚至是否有解的存在都是设计难点。

(4)滑模控制。采用滑模控制算法可以直接进行非线性控制器的设计，解决EGR系统与VGT系统的耦合问题，克服系统的不确定性。但是该算法自身存在抖振的问题，在设计时难于处理。

(5)模糊控制。对于空气系统这种过于复杂、难以精确描述的系统，应用模糊控制具有一定的优越性。设计时根据发动机台架试验数据建立模糊规则。但模糊规则难以建立，且比较依赖于试验数据，若数据信息较为简单，则无法保证控制器的控制精度与动态品质。