[发明专利]稀薄燃烧汽油机燃空比系统控制方法

权利要求书

1.一种稀薄燃烧汽油机燃空比系统控制方法，其特征在于：其步骤是：

①给出了具有边界的最优控制问题，其代价函数包含了气缸中FAR动态系统的预测输出，同时，它受到控制和输出约束，通过解决上述最优问题，获得前馈输入u_ff和输出y_ff；

②设计系统状态观测器；

③基于前馈信号u_ff和y_ff，在反馈控制回路中解决二级最优控制问题；

④基于所获得的前馈控制序列u_ff，导出修改的控制约束；整个控制器由前馈和反馈组成；

1)发动机燃空比系统模型：

⑴空气质量流量动态模型：

根据充气效率的定义，结合理想气体状态方程，计算进入气缸的空气质量流量：

其中R是理想气体常数，V_c是气缸容积，N是发动机转速，P_m是进气歧管压力，η是充气效率和T_m是进气歧管温度；

⑵油路动态模型：

湿壁效应模型描述为：

其中表示油膜质量变化率的导数，表示油膜质量变化率，表示喷油器喷射的燃油流量，表示进气管内的燃油蒸汽质量变化率，表示喷油器喷射的燃油中进入气缸的部分，T_w表示油膜中燃油蒸发时间常数，ε_w表示喷油器喷射燃油中以油膜形式存在部分的百分比；

⑶汽缸内的燃空比

定义当量燃空比φ为

根据四冲程内燃机进气量计算公式对公式(3)求导得到

将作为状态量，作为控制输入u，φ作为控制输出气缸内的FAR状态方程可以写为

其中，

⑷延迟环节和氧传感器

y为UEGO传感器测量的FAR，从缸内燃空比到实际测量的燃空比y的时滞主要由废气传输延迟和周期延迟两部分组成，废气传输延迟用公式来计算，其中是空气质量流，ν是一个校准常数，周期延迟由公式τ_c＝120/N近似计算，发动机燃空比系统的总延迟由τ＝τ_c+τ_g计算，UEGO传感器动态可以建模为一阶滞后环节G(s)＝1/(τ_ss+1)，包括UEGO传感器动态和总延迟的开环系统动态可以描述为

使用一阶pade转化为

⑸根据状态方程(5)，考虑延迟和UEGO传感器环节，将扩展状态定义为FAR系统的状态方程表示为

其中，

2)前馈MPC控制器

⑴在每个采样周期中更新参数N和P_m，并相应地更新η，以T_s为采样周期对连续模型进行离散化，得到

其中，u_ff是前馈输入，已知；假设u(-1)，u(-2)，…已给；

⑵将前馈控制输入写成增量形式Δu_ff(k)＝u_ff(k)-u_ff(k-1)；则模型(5)的增量形式给出为：

⑶根据预测控制原理，在时刻k，基于模型(10)预测未来的系统输出；l_ff定义为控制时域，p_ff定义为预测时域；气缸中FAR的预测函数如下：

其中，

⑷选择前馈代价函数为：

J_ff＝‖Γ_yf(Y_ff(k+1|k)-R_ef(k+1))‖²+‖Γ_ufΔU_ff(k)‖², (12)

其中，Γ_yf和Γ_uf是加权矩阵；前馈控制的FAR的参考序列定义为

R_ef(k+1)＝[r(k+1) r(k+2) … r(k+p_ff)]^T.

⑸在u_ff∈[u_min,u_max]和y_ff∈[y_min,y_max]的约束下求解(12)，用解序列第一个元素来确定u_ff(k)，将整个解序列传递到反馈设计阶段；

3)反馈MPC控制器

⑴根据系统模型(8)可知，测量模型(8)的系统输出y(t)，以T_s为采样周期对连续模型(8)进行离散化，我们得到

其中，

⑵因此，系统状态观测器定义为

其中J是观测器的增益矩阵，必须保证A_d-JC_d的稳定性；

⑶将被控对象的总输入定义为

u(k)＝u_ff(k)+u_fb(k)

⑷确定反馈控制律u_fb(k)，基于模型(13)，反馈预测模型给出为

⑸将时刻k作为预测未来的起始点，模型(15)由观测器(14)提供的状态进行初始化；使用前馈设计中的信息Δu_ff(k),...,Δu_ff(k+l_ff-1)，只将u_ff(k)用到前馈控制过程中，为了简化反馈设计过程，在反馈设计过程中，假设

Δu_ff(k+i)＝0,i≥1.

这里，l_fb定义为反馈控制时域，p_fb定义为预测时域；

⑹将序列ΔU_fb(k)加到反馈控制输入中，则预测输出定义如下：

反馈预测输出为

其中矩阵与具有相同的形式，其维度由模型状态和预测时域决定；矩阵与具有相似的属性；

⑺经过推导得到

选择反馈代价函数为

J_fb＝‖Γ_yb(Y_fb(k+1|k)-R_eb(k+1))‖²+‖Γ_ubΔU_fb(k)‖², (17)

其中Γ_yb和Γ_ub是加权矩阵，反馈控制的FAR的参考序列定义为

R_eb(k+1)＝[r(k+1) r(k+2) … r(k+p_fb)]^T.

根据系统约束u_fb(k)+u_ff(k)∈[u_min,u_max]来优化(17)，求取解序列。