柴油机非线性模型的预测控制



柴油机非线性模型的预测控制

提出了一种对柴油机空气路径控制的预测模型。研究内容为柴油机的空气路径管理，通过协调相关的VGT（可变截面涡轮增压）系统，EGR（废气再循环）控制阀和EGR节气门执行器来完成控制。该方法结合了非线性元件控制和显式模型预测控制。由于线性模型在非线性控制中的应用，使得模型更线性化，这有助于在预测控制中应用，并且减少了计算量。

发动机非线性模型通过数据的均值、灰箱建模方法进行了验证，在模型中的主要动态部分为进气歧管压力、排气歧管压力、涡轮增压器转速、预节流压力、EGR冷却器出口温度、进气歧管气流密度、排气歧管气流密度、进气歧管燃烧气体的体积分数、排气歧管燃烧气体的体积分数和发动机温度。模型的输入量是发动机转速、加油率、VGT占空比、EGR节气门关闭的百分比和EGR阀开放的百分比。模型输出为压力、温度和各个发动机组件中燃烧气体的体积分数。

柴油机建模由于相互联系的组件和子系统较多，且各组件间是非线性，因此模型建立很复杂。迭代方法可以提高模型的精度，最开始是实现组件级的匹配，然后是匹配子系统级，最后匹配整体试验数据。通过使用此方法，从静态和瞬态测试中得到的数据集来建立和设计合适的控制模型。在每一个区，非线性模型线性化，产生一个10阶线性模型。采用平衡截断技术降低模型的阶次。基于Hankel奇异值和初步分析MPC（控制预测程序设计），可以使线性模型的阶数减少到2阶。降低线性模型阶数是非常有利的，如控制器容量减少。

采用非线性控制，特别是对部分位置倒装的EGR流量阀和VGT升值及VGT的占空比通过预测控制，证明此方法可以减少计算复杂度，同时可实现良好的跟踪性能和非线性模型模拟固定约束的能力。

总体而言，非线性模型的模拟和初步台架试验表明，在柴油机的气路控制方面非线性预测控制是很有前途的。

Huang，Mike. 2013 American Control Conference，ACC 2013，Washington，DC，United states，June 17，2013- June 19，2013.

编译：袁建昆