[发明专利]稀薄燃烧汽油机燃空比系统控制方法

说明书

一种稀薄燃烧汽油机燃空比系统控制方法，属于控制技术领域。本发明主要针对稀薄燃烧发动机燃空比控制系统的时变大时滞特性，设计前馈MPC与反馈MPC相结合的控制器，使发动机的燃空比输出不受时滞的影响，从而能够满足燃空比精确控制要求的稀薄燃烧汽油机燃空比系统控制方法。本发明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，获得前馈输入和输出；设计系统状态观测器；在反馈控制回路中解决二级最优控制问题；导出修改的控制约束。本发明采用基于简化模型的前馈模型预测控制方法对发动机燃空比系统进行控制，在补偿系统时滞影响的同时，也提高了响应的快速性。

技术领域

本发明属于控制技术领域。

背景技术

稀薄燃烧是一种使燃油在空燃比远远大于理论空燃比的环境下充分燃烧的技术，相比传统发动机而言，稀薄燃烧发动机在减少尾气排放和提高燃油经济性方面具有明显的优势，被公认为是提高车用汽油机效率和降低排放的最有前途的一种方法。由于稀薄燃烧发动机燃空比系统具有时变时滞特性，导致稀薄燃烧发动机燃空比的精确控制存在以下问题：

1.稀薄燃烧发动机尾气处理系统加入的稀燃NO_x捕集装置，导致稀薄燃烧发动机燃空比控制系统存在较大的时滞，这极大的限制了控制系统的稳定性。

2.稀薄燃烧发动机燃空比控制系统由于发动机本身的机械结构特性，导致输出的燃空比对喷油量的响应存在随着发动机转速改变而改变的时变延迟，这使得发动机的输出燃空比存在延迟现象，不能满足燃空比精确控制的需求。

发明内容

本发明主要针对稀薄燃烧发动机燃空比控制系统的时变大时滞特性，设计前馈MPC与反馈MPC相结合的控制器，使发动机的燃空比输出不受时滞的影响，从而能够满足燃空比精确控制要求的稀薄燃烧汽油机燃空比系统控制方法。

本发明步骤是：

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，我们可以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：

根据Wang的发动机识别实验，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