[发明专利]涡轮增压柴油机气路显式模型预测控制方法

说明书

一种涡轮增压柴油机气路显式模型预测控制方法，属于涡轮增压柴油机气路控制技术领域。本发明的目的是针对涡轮增压柴油机气路系统的进气歧管压强与排气歧管压强的跟踪控制问题，建立了基于数据驱动的面向控制模型，并基于显示模型预测控制方法设计了一个线性控制器的涡轮增压柴油机气路显式模型预测控制方法。本发明的步骤是：系统辨识数据采集，系统辨识，设待辨识矩阵，设测量矩阵和输入输出数据矩阵，将控制过程分为离线和在线两部分。本发明精度更高且能更好反应系统的瞬态稳态特性。相较于传统MPC，响应速度更快，占用ECU内存更小，大大减少了计算需求，降低了硬件成本。

技术领域

本发明属于涡轮增压柴油机气路控制技术领域。

背景技术

由于我国汽车保有量数值极为庞大，且逐年增长，造成了燃油资源的过度消耗。燃油的不充分燃烧产生污染废气，这些物质不但对人体有害而且造成了严重的环境污染。现今，汽车尾气排放成为了雾霾问题的主要来源，自八九十年代开始，为了有效防治汽车尾气排放带来的污染，我国针对汽车尾气污染防治工作制定了专门性法律法规。在环境污染日益严重和能源短缺愈加凸显的双重压力下，提高内燃机燃油消耗率，减少污染物排放是发动机产业势在必行的选择。节能减排和车辆污染防治迫在眉睫，于是研究和发展发动机先进技术成为大势所趋。

柴油机在动力性、经济性、环保性等方面都具有显著优势，因而被广泛应用于汽车领域，逐渐成为一种较为主流的车用动力。可变几何涡轮增压器(VariableGeometryTurbocharger，VGT)和废气循环阀(Exhaust Gas Recirculation，EGR)等技术的发展进一步推进了柴油机的普及。由于涡轮增压柴油机是典型的多输入多输出(Multiple-inMultiple-out，MIMO)系统，具有强耦合、执行机构多约束和时变的动力学特性。由于EGR阀和VGT叶片都在废气流中，因此EGR流和VGT流之间存在强耦合。进气歧管中泵送新鲜空气的减少导致PM排放增加，而EGR气体流量分数降低导致更高的NOx排放。这种困境被称为NOx-PMtrade-off。这种强耦合不仅存在于VGT和EGR执行器之间，燃油路径也是一样。其强非线性的特性决定了传统的控制方法无法应对越来越严格的污染环保各项要求。

模型预测控制(Model Predictive Control，MPC)是工业应用中最有前途的控制策略之一，该控制方法能够处理MIMO系统中操纵变量的约束。MPC在每个时间步进行优化，并在处理输入、输出和状态的约束方面具有更高的灵活性。然而，MPC的实时实现带来了很高的计算负担，这是由于在每个采样周期都解决了一个有限范围的最优控制问题。较高的计算负担对ECU的处理能力提出了更高的要求，增加了硬件成本。因此，高计算成本的控制方法不适合生产柴油发动机。现阶段针对柴油机气路的控制方法，能够在一定程度上对强耦合强非线性的柴油机气路系统进行控制，但仍存在以下几点问题：

1、针对具有强耦合性强非线性的柴油机气路系统，现有的机理建模和控制器设计十分复杂，理论控制方法与工程实现之间还有很大的差距。

2、车载ECU存储能力和计算能力均是有限制的，对于现有的方法，若一味追求工程实现，如应用PID简化柴油机气路系统为SISO系统进行控制，虽可行性变强但大大舍弃了柴油机气路的动力学特征；若追求控制精度，如应用非线性MPC进行控制，则大大超出了车载ECU的存储和计算能力，无法进行实际应用。

3、对于柴油机气路的控制要在强约束下进行，以保证其安全性与可靠性，现有方法在一定程度上回避会或者减弱约束影响，对实际应用不利。

发明内容

本发明的目的是针对涡轮增压柴油机气路系统的进气歧管压强与排气歧管压强的跟踪控制问题，建立了基于数据驱动的面向控制模型，并基于显示模型预测控制方法设计了一个线性控制器的涡轮增压柴油机气路显式模型预测控制方法。

本发明的步骤是：

S1.系统辨识数据采集

选择通过APRBS和控制变量的方法来施加激励，以求能测量更多工况下的系统响应情况；