[发明专利]柴油机优化燃烧控制器及对仿真模型控制方法

摘要

一种柴油机优化燃烧控制器，属于柴油机技术领域。本发明的目的通过对柴油机的喷油量、喷油时刻、EGR阀的开度及VGT截面积进行控制，从而使得柴油机的NOx排放满足国IV排放标准，同时使其具有良好的动力性及燃油经济性能的柴油机优化燃烧控制器。本发明步骤是：激励数据的选取、通过输入输出Hankel矩阵构造系统增量形式的预测输出方程、在得到增量型的预测矩阵、数据驱动预测控制器设计。本发明使用系统的输入输出数据离线辨识得到系统面向控制的模型，这大大地减少了传统的机理建模的时间；同时由于辨识得到的面向控制的模型具有线性的结构，这有利于MPC控制器的设计及其优化问题的在线求解。

主权项

一种柴油机优化燃烧控制器，其特征在于：①激励数据的选取：在柴油机燃烧模型中，将设计的喷油量、喷油时刻、EGR阀的开度、VGT的齿条位置给柴油机，开环运行模型，得到实际的NOx的排放量，发动机曲轴输出的扭矩，燃油消耗率；根据这些数据得到系统的输入Hankel矩阵ΔIp、ΔIf，输出Hankel矩阵Op、Of、ΔOp：公式(1)中的ΔO2.....ΔON‑2M+2表示系统在2…..N‑2M+2时刻系统的输出；公式(3)中的ΔO2+M.....ΔON‑M+2表示系统在2+M…..N‑M+2时刻系统的输出；其中第i时刻的系统输出为其中分别表示第i时刻燃油消耗率、NOx排放量以及柴油机输出的曲轴扭矩；公式(2)中ΔO2.....ΔON‑M+2表示系统在2……N‑M+2时刻系统输出的增量，其中第i时刻系统输出的增量为即第i时刻系统的输出减去第i时刻的输出，其中分别表示第i时刻燃油消耗率、NOx排放量以及柴油机输出的曲轴扭矩；公式(4)中的ΔI2.....ΔIN‑M+2表示系统在2…….N‑M+2时刻系统输入的增量；(5)中的ΔI2+M.....ΔIN+2表示系统在2+M…..N+2时刻系统输入的增量，其中第i时刻系统输入的增量为即第i时刻系统的输出减去第i时刻的输出，其中分别表示第i时刻的喷油量、EGR阀的开度、VGT截面积及喷油时刻；②通过输入输出Hankel矩阵构造系统增量形式的预测输出方程为：O^f=Op+ΔLwΔWp+ΔLuΔIf---(6)]]>其中为系统的输入Hankel矩阵；即为通过增量型子空间辨识方法得到的系统未来的输出值，通过求解最小二乘问题，获得预测方程中的两个预测矩阵ΔLw和ΔLu：minΔLw,ΔLu||ΔOf-ΔLwΔLuWpIf||-1---(7)]]>其中ΔOf＝Of‑Op，两个预测矩阵系数ΔLw和ΔLu的解由下式求得：式中和分别为ΔWp和ΔIf的转置；③在得到增量型的预测矩阵ΔLw和ΔLu后，利用增量型子空间预测方程(6)，即得到系统未来输出值；④数据驱动预测控制器设计：对目标函数对应的二次规划问题求解得到优化后的喷油量、喷油时刻、VGT的齿条位置、EGR阀的开度，目标函数的数学表达式如式(9)所示：minu(k)J=Σi=k+1k+pk1(RT(i)-yTp(i|k))2+k2(RNOx(i)-yNOxp(i|k))2+k3(Rfuel-yfuelp(i|k))2+k4Δu~f(i|k)2---(9)]]>其中k1、k2、k3、k4为目标函数的加权系数，k、p分别为当前时刻、预测时域，RT为期望的柴油机输出曲轴扭矩，RNOx由式(10)计算得到SumNOx+RNOx×100i+100=1.95---(10)]]>其中，SumNOx为前i时刻总的NOx的排放量；⑤将式(6)进行等量代换得式(11)O^f=O^p+ΔLwWp+ΔLuIf=F+SΔIf---(11)]]>其中F项为系统自由相应部分，SΔuf项被称为系统的控制相应；⑥通过式(11)，得到如下所示的目标函数：J=[Jopt-F-SΔIf(k)]T[Jopt-F-SΔIf(k)]+ΔIf(k)TΛΔIf(k)=12ΔIf(k)THΔIf(k)+fTΔIf(k)---(12)]]>其中H=2(STJoptTJoptS+Λ),C=-2STJoptTJopt(Re-F)]]>Λ为加权系数，系统的输入约束由式(13)、(14)进行描述：δIminmass≤δImass(k)≤δImaxmassδIminEGR≤δIEGR(k)≤δImaxEGRδIminVGT≤δIVGT(k)≤δImaxVGTδImintheta≤δItheta(k)≤δImaxtheta---(13)]]>Iminmass-Imass(k-1)≤δImass(k)≤Imaxmass-Imass(k-1)IminEGR-IEGR(k-1)≤δIEGR(k)≤ImaxEGR-IEGR(k-1)IminVGT-IVGT(k-1)≤δIVGT(k)≤ImaxVGT-IVGT(k-1)Imintheta-Itheta(k-1)≤δItheta(k)≤Imaxtheta-Itheta(k-1)---(14)]]>式(13)描述的是对控制量的变化率的约束，其中δImax、δImin分别为控制量变化率的最大值与最小值，式(14)描述的是对控制量的约束，Imax、Imin分别为控制量的最大值与最小值，通过求解带约束(13)、(14)的优化问题(12)，就可以得到最优的控制率。