柴油機非線性模型的預測控制

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柴油機非線性模型的預測控制

提出了一種對柴油機空氣路徑控制的預測模型。研究內容為柴油機的空氣路徑管理，通過協調相關的VGT（可變截面渦輪增壓）系統，EGR（廢氣再循環）控制閥和EGR節氣門執行器來完成控制。該方法結合了非線性元件控制和顯式模型預測控制。由于線性模型在非線性控制中的應用，使得模型更線性化，這有助于在預測控制中應用，并且減少了計算量。

發動機非線性模型通過數據的均值、灰箱建模方法進行了驗證，在模型中的主要動態部分為進氣歧管壓力、排氣歧管壓力、渦輪增壓器轉速、預節流壓力、EGR冷卻器出口溫度、進氣歧管氣流密度、排氣歧管氣流密度、進氣歧管燃燒氣體的體積分數、排氣歧管燃燒氣體的體積分數和發動機溫度。模型的輸入量是發動機轉速、加油率、VGT占空比、EGR節氣門關閉的百分比和EGR閥開放的百分比。模型輸出為壓力、溫度和各個發動機組件中燃燒氣體的體積分數。

柴油機建模由于相互聯系的組件和子系統較多，且各組件間是非線性，因此模型建立很復雜。迭代方法可以提高模型的精度，最開始是實現組件級的匹配，然后是匹配子系統級，最后匹配整體試驗數據。通過使用此方法，從靜態和瞬態測試中得到的數據集來建立和設計合適的控制模型。在每一個區，非線性模型線性化，產生一個10階線性模型。采用平衡截斷技術降低模型的階次。基于Hankel奇異值和初步分析MPC（控制預測程序設計），可以使線性模型的階數減少到2階。降低線性模型階數是非常有利的，如控制器容量減少。

采用非線性控制，特別是對部分位置倒裝的EGR流量閥和VGT升值及VGT的占空比通過預測控制，證明此方法可以減少計算復雜度，同時可實現良好的跟蹤性能和非線性模型模擬固定約束的能力。

總體而言，非線性模型的模擬和初步臺架試驗表明，在柴油機的氣路控制方面非線性預測控制是很有前途的。

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

編譯：袁建昆