柴油機(jī)多模式運(yùn)行進(jìn)氣系統(tǒng)的模型預(yù)測(cè)控制

B.SHIN Y.CHI M.KIM 【美】 P.DICKINSON J.PEKAR M.S.KO

模型預(yù)測(cè)控制（MPC）方法是1種基于系統(tǒng)的預(yù)測(cè)動(dòng)態(tài)模型的控制方法。通過(guò)優(yōu)化目標(biāo)設(shè)置點(diǎn)的跟蹤特性、執(zhí)行器的移動(dòng)速度及限值等各種要素，確定執(zhí)行器的控制位置。目前，線(xiàn)性MPC已成功用于柴油機(jī)進(jìn)氣道的控制，然而大多數(shù)應(yīng)用開(kāi)發(fā)是針對(duì)僅有1組控制目標(biāo)設(shè)置值的單一運(yùn)行模式。實(shí)際上，單一運(yùn)行模式并不能涵蓋當(dāng)前柴油機(jī)的所有要求，這使線(xiàn)性MPC的實(shí)際應(yīng)用更為復(fù)雜。在多模式運(yùn)行中，線(xiàn)性化點(diǎn)的變化取決于各種運(yùn)行模式下的目標(biāo)設(shè)定點(diǎn)，所以基于MPC簡(jiǎn)單線(xiàn)性化在實(shí)際應(yīng)用中是有限的。由于目標(biāo)設(shè)置點(diǎn)不同，在特定運(yùn)行模式的線(xiàn)性模型對(duì)于其他運(yùn)行模式是無(wú)效的。此外，現(xiàn)代柴油機(jī)進(jìn)氣通道系統(tǒng)高度非線(xiàn)性化，需要大量的線(xiàn)性模型來(lái)充分顯示，不只是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的全部運(yùn)行點(diǎn)，還有不同運(yùn)行模式下的全部特性。本研究利用MPC和部件層非線(xiàn)性補(bǔ)償器的綜合優(yōu)勢(shì)，開(kāi)發(fā)了1種柴油機(jī)多模式運(yùn)行進(jìn)氣系統(tǒng)的MPC方法，并在柴油機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)。新開(kāi)發(fā)的非線(xiàn)性補(bǔ)償器基于各個(gè)部件模型的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換。試驗(yàn)結(jié)果顯示，該方法在多模型運(yùn)行中的工作效果良好，在使用時(shí)無(wú)須特定模型的控制策略和標(biāo)定。研究表明，在標(biāo)定工作中，尤其是在不需要固定設(shè)置點(diǎn)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，該方法具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

多模式運(yùn)行;進(jìn)氣系統(tǒng);監(jiān)督模型預(yù)測(cè)控制;非線(xiàn)性補(bǔ)償器

0 前言

模型預(yù)測(cè)控制（MPC）最初源于化學(xué)過(guò)程控制，具有數(shù)百個(gè)輸入和輸出。類(lèi)似的如線(xiàn)性二次型調(diào)節(jié)器（LQR）控制方法。LQR方法的開(kāi)發(fā)目的是找出并不受約束的優(yōu)化二次型成本函數(shù)。線(xiàn)性二次型調(diào)節(jié)器具有1個(gè)無(wú)限預(yù)測(cè)時(shí)域，更容易得到優(yōu)化的狀態(tài)反饋控制。然而，在實(shí)際的過(guò)程控制中，LQR受到一定的限制，其并未考慮系統(tǒng)的限制或非線(xiàn)性。為得到簡(jiǎn)化優(yōu)化算法，THOMAS[1]提出了1種采用滾動(dòng)時(shí)域的線(xiàn)性二次型優(yōu)化估算和控制方法。隨后，RICHALET等[2]提出了1種含有限制因素的MPC方法，這些限制因素在實(shí)際應(yīng)用中易于使用。隨著各種算法的開(kāi)發(fā)，MARQUIS等[3]在MPC中采用狀態(tài)空間形式建模。為了避免在耗時(shí)的模型不匹配檢測(cè)中采用強(qiáng)制模擬，JEO等[4]開(kāi)發(fā)了穩(wěn)健的模型預(yù)測(cè)方法。MPC通過(guò)1個(gè)模型預(yù)測(cè)和對(duì)成本函數(shù)的優(yōu)化來(lái)控制目標(biāo)系統(tǒng)。在優(yōu)化階段，通常會(huì)使用二次規(guī)劃解算器。在線(xiàn)優(yōu)化問(wèn)題可迭代解決，但會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元（ECU）的計(jì)算負(fù)荷非常高。有研究者開(kāi)發(fā)了1種顯性替代型優(yōu)化解算器，降低了計(jì)算負(fù)荷，同時(shí)使MPC應(yīng)用更加方便。這種顯性的優(yōu)化方法在輸入和狀態(tài)條件很少的情況下，使用優(yōu)化的查閱表，運(yùn)行良好。然而，該方法僅限于狀態(tài)和約束量很少的非常簡(jiǎn)單的問(wèn)題。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，MPC計(jì)算負(fù)荷的限制逐漸變小，應(yīng)用增加。MPC的建模方法也隨著時(shí)間的推移而得到發(fā)展。從建模的角度來(lái)看，MPC可分為線(xiàn)性MPC和非線(xiàn)性MPC。線(xiàn)性MPC利用線(xiàn)性模型預(yù)測(cè)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性，因其在系統(tǒng)建模和控制穩(wěn)定性方面具有優(yōu)勢(shì)，廣泛用于各種領(lǐng)域。然而，許多系統(tǒng)本質(zhì)上是非線(xiàn)性的，因此線(xiàn)性方法有時(shí)過(guò)于受限。這促使人們對(duì)非線(xiàn)性MPC進(jìn)行研究。在1個(gè)有限預(yù)測(cè)時(shí)域，非線(xiàn)性MPC在實(shí)際使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一些問(wèn)題，不僅存在建模問(wèn)題，控制穩(wěn)定性也存在問(wèn)題。在有限預(yù)測(cè)時(shí)域中，當(dāng)前狀態(tài)和反饋狀態(tài)（或模型不匹配）之間的不一致會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)定性變差。為了解決這個(gè)問(wèn)題，研究人員開(kāi)發(fā)了包括輔助干擾估算的近似算法。最近，作為1種近似算法，研究人員已經(jīng)嘗試將機(jī)器學(xué)習(xí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)用于非線(xiàn)性系統(tǒng)建模。

最初，MPC應(yīng)用于采樣時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)的系統(tǒng)，如煉油業(yè)。目前，MPC也用于采樣時(shí)間較短的系統(tǒng)，如采樣時(shí)間較短的汽車(chē)電子系統(tǒng)。MPC在多輸入和多輸出系統(tǒng)（MIMO）中已是1種非常有效的控制方法。近年來(lái)，汽車(chē)行業(yè)出現(xiàn)了許多實(shí)際應(yīng)用和案例研究文獻(xiàn)，如柴油機(jī)氣道系統(tǒng)的MPC研究等。ORTNER等[5]研究表明，相對(duì)于比例-積分（PI）控制方法，通過(guò)MPC能夠改善柴油機(jī)空氣質(zhì)量流量和增壓壓力的控制。IWADARE等[6]采用帶有外源輸入（ARX）模型的自回歸模型對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了建模，并且跟蹤性能比傳統(tǒng)控制方法快得多。KHALED等[7]稱(chēng)，采用系統(tǒng)化的MPC開(kāi)發(fā)方法可縮短控制器開(kāi)發(fā)時(shí)間。KARLSON等[8]研究表明，基于線(xiàn)性化模型的MPC改善了煙度排放的不透光度排放。HUANG等[9]的研究表明，非線(xiàn)性MPC可用于柴油機(jī)進(jìn)氣道的實(shí)時(shí)控制。針對(duì)采用廢氣再循環(huán)（EGR）節(jié)流閥、EGR閥和可變截面渦輪增壓器（VGT）的廢氣再循環(huán)率控制，LIAO-MCPHSON等[10]提出了1種監(jiān)督MPC的方法。

上述大多數(shù)關(guān)于進(jìn)氣道控制的研究，都利用了MPC在多輸入和多輸出中的優(yōu)點(diǎn)。在柴油機(jī)進(jìn)氣道系統(tǒng)中，需要控制很多部件，例如節(jié)氣門(mén)、EGR閥和渦輪增壓器執(zhí)行器。因此，系統(tǒng)多輸入和多輸出的特點(diǎn)致使柴油機(jī)進(jìn)氣道系統(tǒng)不易控制。EGR是1種將排氣通過(guò)再循環(huán)回到燃燒室的技術(shù)，通過(guò)降低燃燒過(guò)程中的氣體溫度來(lái)降低氮氧化物（NO x ）的產(chǎn)生。目前，業(yè)內(nèi)廣泛采用雙EGR法，因?yàn)槠渚哂懈叨鹊撵`活性。在雙EGR系統(tǒng)中，通過(guò)高壓廢氣再循環(huán)（HP EGR）閥或者低壓廢氣再循環(huán)（LP EGR）閥來(lái)調(diào)整EGR氣體流量，通過(guò)可變截面渦輪葉片位置或進(jìn)氣歧管節(jié)氣門(mén)來(lái)調(diào)節(jié)新鮮空氣流量和增壓壓力。執(zhí)行器調(diào)節(jié)每一進(jìn)氣道位置的氣體流量和氧濃度，但是由于兩者聯(lián)系緊密，難以進(jìn)行有效控制。

經(jīng)過(guò)研究人員的不斷努力，線(xiàn)性MPC已被成功用于柴油機(jī)進(jìn)氣道控制。然而，其研究在僅有1組設(shè)定值的單一模式下進(jìn)行。事實(shí)上，最新開(kāi)發(fā)的柴油機(jī)需要不同的運(yùn)行模式，需要低排放、高效燃油經(jīng)濟(jì)性和在各種環(huán)境條件下的穩(wěn)定性。一些典型的柴油機(jī)進(jìn)氣道控制運(yùn)行模式包括：冷卻液低溫條件下的HP EGR模式、常規(guī)運(yùn)行下的雙EGR模式、排氣預(yù)熱柴油機(jī)顆粒捕集器（DPF）再生模式和稀燃NO x 捕集器（LNT）再生所需的排氣富氧模式。每種模式下進(jìn)氣通道或排氣通道需要有不同的進(jìn)氣流量和氧濃度。所以，每種運(yùn)行模式都要求空氣流量和氧濃度等控制參數(shù)具有不同的控制目標(biāo)設(shè)定點(diǎn)。在HP EGR模式下，僅使用HP EGR氣流來(lái)保持低溫工況下燃燒的穩(wěn)定性;而在雙EGR模式下，高壓或低壓EGR用于預(yù)熱工況。為了凈化催化器中化學(xué)吸附的NO x ，柴油機(jī)系統(tǒng)需要采用富氧的LNT再生模式。在DPF再生模式下，柴油機(jī)系統(tǒng)需要調(diào)節(jié)排氣溫度和氧濃度以燃燒DPF內(nèi)的炭粒，為此必須通過(guò)控制進(jìn)氣道系統(tǒng)來(lái)合理控制氣體質(zhì)量流量和氧濃度。

在單一運(yùn)行模式下，系統(tǒng)可在1個(gè)運(yùn)行點(diǎn)附近將控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性線(xiàn)性化，以此來(lái)創(chuàng)建MPC模型。通過(guò)使用調(diào)度概念，例如基于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷等，一些線(xiàn)性化模型可以覆蓋全部工況點(diǎn)。然而，在多模式運(yùn)行工況下，線(xiàn)性模型的數(shù)量會(huì)隨著離散運(yùn)行模式數(shù)量的增加呈比例上升。如果每種發(fā)動(dòng)機(jī)模式所需的設(shè)定點(diǎn)不同，運(yùn)行工況點(diǎn)發(fā)生變化，那么發(fā)動(dòng)機(jī)在特定模式下的線(xiàn)性化模型就不能普遍適應(yīng)于其他模式。采用簡(jiǎn)單的MPC線(xiàn)化方法，需要大量的局部線(xiàn)性化模型來(lái)控制多模式運(yùn)行下的進(jìn)氣道系統(tǒng)。在基于MPC的控制開(kāi)發(fā)中，有關(guān)該主題的研究很少。該研究的難點(diǎn)是在多模式運(yùn)行工況下，如何有效控制這種復(fù)雜的進(jìn)氣道系統(tǒng)。針對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性和排放規(guī)定，研究人員在各種模式下對(duì)該開(kāi)發(fā)型發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道控制目標(biāo)的設(shè)定點(diǎn)進(jìn)行了標(biāo)定。該研究的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)1種保持目標(biāo)設(shè)定值的控制方法，利用監(jiān)督MPC和部件層非線(xiàn)性補(bǔ)償器的綜合優(yōu)勢(shì)，提出1種新的控制方案，并在柴油機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)。新開(kāi)發(fā)的非線(xiàn)性補(bǔ)償器基于部件模型的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換。新控制器包括3部分：用于調(diào)整目標(biāo)設(shè)定點(diǎn)的監(jiān)督MPC;非線(xiàn)性補(bǔ)償器的部件層控制;通過(guò)虛擬傳感器或者電控單元傳感器進(jìn)行的狀態(tài)檢測(cè)。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道系統(tǒng)

研究人員開(kāi)發(fā)了1種用于1.6 L柴油機(jī)進(jìn)氣道的控制器。該發(fā)動(dòng)機(jī)以前基于基本ECU控制方法開(kāi)發(fā)，現(xiàn)已批量生產(chǎn)，標(biāo)定后滿(mǎn)足當(dāng)前的排放法規(guī)，包括實(shí)際行駛循環(huán)（RDE）排放要求。進(jìn)氣道系統(tǒng)是發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)高效率和低排放的重要因素之一，這是因?yàn)檠鹾繉?duì)燃油能量轉(zhuǎn)化和廢氣凈化催化劑反應(yīng)有很大影響。圖1為柴油機(jī)進(jìn)氣道系統(tǒng)示意圖。新鮮空氣流過(guò)空氣濾清器濾罐和空氣流量傳感器后進(jìn)入。新鮮空氣與LP EGR氣體混合，經(jīng)渦輪增壓器壓縮。壓縮氣體通過(guò)中冷器，經(jīng)進(jìn)氣節(jié)氣門(mén)到達(dá)進(jìn)氣歧管。氣體在進(jìn)入進(jìn)氣歧管前與HP EGR氣體混合?；旌蠚怏w進(jìn)入氣缸，參與燃料的燃燒反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)做功。在排氣過(guò)程中，燃燒氣體經(jīng)排氣歧管通過(guò)渦輪。燃燒加熱的排氣將能量轉(zhuǎn)移到渦輪端，然后排氣通過(guò)選擇性催化還原（SCR）系統(tǒng)被凈化，最終進(jìn)入大氣。 HP EGR將渦輪上游的氣體重新循環(huán)到進(jìn)氣歧管，在DPF下游抽取LP EGR氣體，與壓氣機(jī)進(jìn)口的進(jìn)氣進(jìn)行混合。

可用的ECU傳感器包括空氣流量計(jì)、進(jìn)氣歧管壓力傳感器，以及位于中冷器出口、LNT進(jìn)口、DPF進(jìn)口和SCR系統(tǒng)進(jìn)口處的溫度傳感器。在LNT進(jìn)口和DPF出口布置有空氣流量 λ 傳感器。這些 λ 傳感器具有在ECU中編程的自適應(yīng)功能。針對(duì)分析和驗(yàn)證，研究人員采用了多種附加傳感器，包括氧濃度和碳氧化物濃度分析儀（AVL Puma和Horiba排放系統(tǒng)）。通過(guò)所測(cè)得的CO2或安裝在中冷器和進(jìn)氣歧管中的附加 λ 傳感器，技術(shù)人員可以直接測(cè)量EGR流量。

1.1 控制目標(biāo)設(shè)定

針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性和排放目標(biāo)，研究人員制定了氣道系統(tǒng)的控制目標(biāo)值。該研究的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)1種保持目標(biāo)設(shè)定值的控制方法。按照批量生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)，控制變量為空氣質(zhì)量流量、進(jìn)氣歧管內(nèi)的氧濃度、壓氣機(jī)進(jìn)口的氧濃度和節(jié)氣門(mén)兩側(cè)的壓差。可變截面渦輪增壓器葉片位置的控制或EGR流量對(duì)空氣質(zhì)量流量的目標(biāo)設(shè)定點(diǎn)影響極大。進(jìn)氣歧管的氧濃度取決于空氣質(zhì)量流量、HP EGR流量和LP EGR流量，可通過(guò)空氣質(zhì)量流量和LP EGR流量控制壓氣機(jī)進(jìn)口的氧濃度。在HP EGR和LP EGR通路中，通過(guò)相應(yīng)的EGR閥來(lái)調(diào)整EGR流量，流量會(huì)受到進(jìn)口壓力、出口壓力和溫度的影響。然而，壓力和溫度也會(huì)隨氣流而發(fā)生變化。因此，進(jìn)氣道系統(tǒng)的多目標(biāo)設(shè)定點(diǎn)不易控制。因其僅須調(diào)整節(jié)氣門(mén)位置，節(jié)氣門(mén)兩側(cè)的壓差相對(duì)易于控制。該進(jìn)氣道系統(tǒng)的自適應(yīng)變量為HP EGR閥位置、LP EGR閥位置、可變截面渦輪增壓器渦輪葉片位置和節(jié)氣門(mén)位置。為了避免位置偏移，各個(gè)執(zhí)行器都具有位置自適應(yīng)功能。

1.2 柴油機(jī)多模式運(yùn)行

發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行需要各種運(yùn)行模式來(lái)確保良好的燃油經(jīng)濟(jì)性，滿(mǎn)足排放法規(guī)，并確保燃燒穩(wěn)定性。該進(jìn)氣道系統(tǒng)典型的運(yùn)行模式包括HP EGR模式、雙EGR模式、LNT排氣富氧模式和DPF再生模式。此處不對(duì)SCR系統(tǒng)加熱模式等其他模式進(jìn)行詳述，因?yàn)榇四Ｊ酵ǔH須改變噴油型式。在HP EGR模式中，EGR氣流在低溫條件下僅通過(guò)HP EGR路線(xiàn)。這是因?yàn)樵诘蜏貤l件下，LP EGR氣體水蒸氣冷凝會(huì)損壞零部件;EGR氣體溫度過(guò)低可能導(dǎo)致燃燒不穩(wěn)定。在發(fā)動(dòng)機(jī)充分預(yù)熱后，LP EGR起動(dòng)，有效確保充足的EGR流量。在該運(yùn)行模式下，HP EGR也同時(shí)起動(dòng)，這被稱(chēng)為雙EGR模式。當(dāng)LNT的NO x 儲(chǔ)存量超過(guò)飽和度時(shí)，LNT需要將處于排氣富氧狀態(tài)下儲(chǔ)存的NO x 轉(zhuǎn)化為N2，這種排氣富氧狀態(tài)可以通過(guò)改變?nèi)紵匦詠?lái)實(shí)現(xiàn)。在該柴油機(jī)中，炭煙在DPF中累積。如同LNT，累積的炭煙超過(guò)一定限值后，DPF會(huì)氧化其中的炭煙，以防止排氣流堵塞。為了燃燒掉DPF中的炭煙，系統(tǒng)須充分提高排氣溫度，并利用合適的氧濃度來(lái)氧化炭煙顆粒。

圖2示出了在各種操作模式下放熱率隨著曲軸轉(zhuǎn)角變化的示例。放熱率曲線(xiàn)示出了油氣燃燒過(guò)程中能量轉(zhuǎn)化的方式，并利用所測(cè)氣缸壓力、理想氣體定律和熱力學(xué)能量平衡定律進(jìn)行估算。對(duì)放熱率進(jìn)行比較時(shí)，即使是在相同的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下，不同模式之間燃燒過(guò)程中的化學(xué)反應(yīng)也是差別巨大。在雙EGR模式下，噴油蒸發(fā)潛熱導(dǎo)致放熱率在上止點(diǎn)后（ATDC）0 °CA前下降。在該曲軸轉(zhuǎn)角之后，隨著主噴燃油開(kāi)始燃燒，放熱率迅速增加。與雙EGR模式下的放熱率相比，HP EGR模式下的燃燒開(kāi)啟時(shí)間較早。在低溫條件下，如冷卻液溫度在45 ℃時(shí)，燃燒穩(wěn)定性很重要，燃燒相位提前。相比之下，在LNT排氣富氧模式和DPF再生模式下，由于后噴原因，放熱率持續(xù)的曲軸轉(zhuǎn)角向后推延。在LNT排氣富氧模式下，后噴會(huì)改善氣缸內(nèi)局部的氧化過(guò)程，所以排氣的氧濃度較大。后噴會(huì)提高DPF再生模式下的排氣溫度。然而，僅通過(guò)燃油噴射不可能改變?nèi)紵匦浴７艧崧是€(xiàn)與進(jìn)氣道控制參數(shù)高度相關(guān)，如空氣質(zhì)量流量、氧濃度和噴油型式。

在不同運(yùn)行模式下，合適的進(jìn)氣道系統(tǒng)的控制目標(biāo)設(shè)定點(diǎn)是不同的，因此需要許多控制目標(biāo)設(shè)定點(diǎn)。表1示出了試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)所選的控制執(zhí)行方式。在LNT排氣富氧模式下，不可使用LP EGR模式，因?yàn)闀?huì)有過(guò)量的炭煙累積于DPF內(nèi)，因此LP EGR的響應(yīng)要低于HP EGR。在DPF再生模式下，不可使用HP EGR，以防止過(guò)量的高溫廢氣進(jìn)入進(jìn)氣通道。這些氣體通道的選擇性使用會(huì)增加進(jìn)氣道系統(tǒng)控制的難度。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)督MPC的結(jié)構(gòu)

新控制方法的特點(diǎn)是通過(guò)MPC來(lái)調(diào)整高層設(shè)定點(diǎn)，而非直接計(jì)算執(zhí)行器的需求。圖3示出了總體控制模塊、目標(biāo)設(shè)定點(diǎn)和狀態(tài)反饋。MPC作為監(jiān)督控制器，接收各模式下的高層目標(biāo)設(shè)定點(diǎn)，通過(guò)狀態(tài)反饋調(diào)整這些設(shè)定點(diǎn)達(dá)到目標(biāo)。MPC利用被調(diào)整的設(shè)定點(diǎn)確定部件層參考基準(zhǔn)值，尤其是HP EGR流量、LP EGR流量，以及進(jìn)氣節(jié)氣門(mén)兩側(cè)的壓差和渦輪功率。為了滿(mǎn)足協(xié)調(diào)設(shè)定點(diǎn)的目標(biāo)值，可以基于理想的氣體定律、質(zhì)量守恒定律和能量平衡定律來(lái)確定部件層設(shè)定點(diǎn)。根據(jù)部件層的這些設(shè)定點(diǎn)，非線(xiàn)性補(bǔ)償器可以推導(dǎo)出所需的執(zhí)行器位置。

在該方法中，MPC的作用是通過(guò)反饋信號(hào)協(xié)調(diào)相關(guān)的目標(biāo)設(shè)定點(diǎn)變量。對(duì)于協(xié)調(diào)而言，采用1種線(xiàn)性模型就足夠了，而不用考慮其運(yùn)行模式。為了能夠通過(guò)基于MPC的線(xiàn)性化模型直接控制執(zhí)行器，各個(gè)計(jì)劃點(diǎn)和各種運(yùn)行模式都需要許多線(xiàn)性化模型（圖4）。線(xiàn)性化模型的數(shù)量與運(yùn)行模式的數(shù)量成比例增長(zhǎng)。線(xiàn)性化模型基于通常處于穩(wěn)態(tài)的平衡點(diǎn)。如果控制目標(biāo)設(shè)定點(diǎn)隨每種對(duì)應(yīng)的運(yùn)行模式改變，則其平衡點(diǎn)也會(huì)變化。

研究人員利用一階動(dòng)態(tài)模型，通過(guò)其目標(biāo)設(shè)定點(diǎn)調(diào)整實(shí)際輸出。這些目標(biāo)設(shè)定值中，MPC中不包括進(jìn)氣節(jié)氣門(mén)兩側(cè)的壓差，直接被轉(zhuǎn)移到部件層目標(biāo)設(shè)定點(diǎn)，因?yàn)閴翰钆c其他設(shè)定點(diǎn)的相互作用相對(duì)較小。一階傳遞函數(shù)的時(shí)間常數(shù)（ τ1、τ2和τ3 ）是通過(guò)用于系統(tǒng)識(shí)別的動(dòng)態(tài)測(cè)試確定的。在MPC協(xié)調(diào)控制目標(biāo)設(shè)定點(diǎn)后，進(jìn)氣道系統(tǒng)模型可以估算部件層設(shè)定點(diǎn)，如HP EGR流量、LP EGR流量、壓差和渦輪功率等。非線(xiàn)性補(bǔ)償器決定執(zhí)行器位置，以達(dá)到部件層控制控制目標(biāo)設(shè)定點(diǎn)。

通過(guò)虛擬傳感器或ECU傳感器可以觀(guān)察目標(biāo)設(shè)定點(diǎn)的輸出。MPC會(huì)利用檢測(cè)到的狀態(tài)來(lái)調(diào)整協(xié)調(diào)的設(shè)定點(diǎn)，以達(dá)到系統(tǒng)高層設(shè)定點(diǎn)。

2.2 MPC監(jiān)督協(xié)調(diào)

在控制器結(jié)構(gòu)配置中，MPC的作用是監(jiān)督協(xié)調(diào)控制目標(biāo)設(shè)定點(diǎn)。MPC的控制目標(biāo)源自ECU的設(shè)定點(diǎn)，根據(jù)各種運(yùn)行模式，如空氣流量、進(jìn)氣歧管氧濃度和壓氣機(jī)進(jìn)口氧濃度，作為查找表來(lái)執(zhí)行。通過(guò)MPC協(xié)調(diào)設(shè)定點(diǎn)，可以減少部件層設(shè)定點(diǎn)計(jì)算或非線(xiàn)性補(bǔ)償器導(dǎo)致的跟蹤錯(cuò)誤。此外，MPC可以調(diào)整高層控制目標(biāo)相關(guān)的跟蹤速度。圖5示出了在反饋范圍內(nèi)MPC的動(dòng)態(tài)監(jiān)督協(xié)調(diào)控制。在確定反饋上限和下限時(shí)，研究人員需要考慮包括非線(xiàn)性補(bǔ)償器在內(nèi)的總體模型性能。通過(guò)二次規(guī)劃方法導(dǎo)出的成本函數(shù)優(yōu)化結(jié)果，來(lái)推導(dǎo)MPC調(diào)整的設(shè)定點(diǎn)。這種二次規(guī)劃方法是使用具有投影功能的主動(dòng)集求解器開(kāi)發(fā)的，可加快對(duì)最終約束集的識(shí)別。

通過(guò)1組非線(xiàn)性補(bǔ)償器可以處理非線(xiàn)性極強(qiáng)的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)特性。這些補(bǔ)償器足以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行線(xiàn)性化，如此采用1組線(xiàn)性模型可實(shí)現(xiàn)監(jiān)督控制，而無(wú)須考慮運(yùn)行模式。

2.3 非線(xiàn)性補(bǔ)償器

在該研究中，這些補(bǔ)償器基于非線(xiàn)性逆動(dòng)力學(xué)進(jìn)行底層控制。逆動(dòng)力學(xué)由LANE等提出，可用于部件的飛行控制，可以覆蓋整個(gè)飛行范圍。PADHI等在其傳熱控制研究中進(jìn)一步精確了該方法。圖6簡(jiǎn)要說(shuō)明了本研究中所使用的非線(xiàn)性補(bǔ)償器的概念。非線(xiàn)性補(bǔ)償器通過(guò)諸如部件層設(shè)定點(diǎn)（ r ）、當(dāng)前輸出（ y ）、當(dāng)前狀態(tài)（ x ）和之前的執(zhí)行器位置（ u （ k -1））等影響因素的靈敏度進(jìn)行計(jì)算，推導(dǎo)出執(zhí)行器位置（圖6）。

2.4 基于虛擬傳感器的部件模型

對(duì)整個(gè)進(jìn)氣道系統(tǒng)所有的未測(cè)量狀態(tài)進(jìn)行估測(cè)需要幾種部件模型。針對(duì)難以用ECU傳感器測(cè)量的特殊狀態(tài)，研究人員開(kāi)發(fā)了基于虛擬傳感器的模型。盡管進(jìn)氣道中的氧濃度可以通過(guò)氣體分析儀或 λ 傳感器進(jìn)行測(cè)量，但出于諸如成本和耐久性等問(wèn)題的原因，在實(shí)際生產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)中幾乎是不可能的。EGR流量也不易直接測(cè)量。因此，通過(guò)物理模型與可用的ECU真實(shí)傳感器相結(jié)合，虛擬傳感器是非常有用的。

圖7示出了非線(xiàn)性補(bǔ)償器HP EGR閥的有效流通面積變化情況。其中， K c可以調(diào)節(jié)控制環(huán)時(shí)間，并通過(guò)動(dòng)態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)測(cè)試確定每個(gè)部件的有效流通面積變化。該模型以多項(xiàng)式形式構(gòu)建，便于ECU的高效應(yīng)用。

圖中： A HP EGR表示HP EGR閥的有效流通面積; h 1表示部件模型; p 3表示渦輪進(jìn)口壓力; p 2表示進(jìn)氣歧管壓力; T HP EGR表示HP EGR進(jìn)氣口溫度; r 表示HP EGR流量目標(biāo)設(shè)定點(diǎn); y 表示HP EGR實(shí)際流量; ?K c表示可調(diào)參數(shù)。

在以功率形式開(kāi)發(fā)渦輪增壓器的部件模型中，渦輪增壓器通過(guò)渦輪內(nèi)的高溫廢氣膨脹回收能量，是1種能量回收部件。回收的能量用來(lái)通過(guò)壓氣機(jī)壓縮進(jìn)氣?？勺兘孛鏈u輪增壓器通過(guò)調(diào)節(jié)葉片來(lái)調(diào)節(jié)可回收能量，反過(guò)來(lái)又會(huì)影響渦輪進(jìn)口壓力。任何工況下的可用功率都取決于渦輪出口壓力、渦輪進(jìn)口溫度和渦輪質(zhì)量流量等狀態(tài)。

利用渦輪功率的部件模型，線(xiàn)性補(bǔ)償器確定了所需的渦輪進(jìn)口壓力，以提供足夠的功率來(lái)達(dá)到壓氣機(jī)質(zhì)量流量目標(biāo)。通過(guò)壓氣機(jī)和渦輪能量效率，壓氣機(jī)流量的目標(biāo)設(shè)定點(diǎn)可簡(jiǎn)單地轉(zhuǎn)化為所需的渦輪功率。隨后，使用基于渦輪特性圖的多項(xiàng)式，將所需的渦輪進(jìn)口壓力映射到相應(yīng)的葉片位置。

在本研究中，研究人員采用虛擬傳感器構(gòu)建部件模型。這些虛擬傳感器是通過(guò)若干步驟開(kāi)發(fā)的，如物理建模、穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)階躍試驗(yàn)測(cè)試的參數(shù)識(shí)別，以及ECU應(yīng)用的數(shù)字化。圖8對(duì)比了在全球統(tǒng)一的輕型車(chē)試驗(yàn)規(guī)程（WLTP）下的一些重要參數(shù)。盡管存在一些偏差，但是這些虛擬傳感器的性能適合于所研發(fā)控制器。

3 試驗(yàn)結(jié)果

首先，研究人員采用模擬方式檢查所開(kāi)發(fā)的進(jìn)氣道系統(tǒng)控制器，然后在實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)和車(chē)輛上進(jìn)行了性能測(cè)試。為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，本研究采用采用通過(guò)Simulink開(kāi)發(fā)的控制器，然后使用快速原型工具利用旁通功能完成實(shí)施。

在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上，運(yùn)行模式的快速改變，類(lèi)似于1個(gè)階躍輸入，從1種運(yùn)行模式轉(zhuǎn)化為另1種運(yùn)行模式。圖9示出了這種運(yùn)行模式的突然改變。所有目標(biāo)設(shè)定點(diǎn)均來(lái)自含有噴油規(guī)律在內(nèi)的基礎(chǔ)ECU。這些試驗(yàn)的目標(biāo)是檢測(cè)新開(kāi)發(fā)方法的控制性能。隨著運(yùn)行模式的轉(zhuǎn)變，高層目標(biāo)設(shè)定點(diǎn)突然變化。在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行快速模式更改后的性能測(cè)試之后，研究人員還需要根據(jù)WLTC工況測(cè)試車(chē)輛的控制性能，并需要更改某些操作模式。

3.1 常規(guī)運(yùn)行模式

除非要求起動(dòng)LNT和DPF等催化凈化裝置，柴油機(jī)一般在常規(guī)模式下運(yùn)行，如HP EGR和雙EGR模式。通過(guò)將運(yùn)行模式從雙EGR模式轉(zhuǎn)換為HP EGR模式，研究人員對(duì)控制性能進(jìn)行了測(cè)試。圖10示出了高層目標(biāo)設(shè)定點(diǎn)的跟蹤性能。當(dāng)運(yùn)行模式改為HP EGR模式時(shí)，壓氣機(jī)進(jìn)口的氧濃度設(shè)定點(diǎn)為0.23（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），等同于大氣環(huán)境條件，LP EGR流量為零。在雙EGR模式下，同時(shí)使用HP EGR和LP EGR，但是在極端運(yùn)行模式轉(zhuǎn)換的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷工況下，僅使用LP EGR。雖然HP EGR通常用于低溫工況，但如果對(duì)冷卻液溫度進(jìn)行調(diào)整，則運(yùn)行模式會(huì)突然發(fā)生改變。因此，研究人員強(qiáng)行改變此模式，迫使設(shè)定點(diǎn)產(chǎn)生1個(gè)階躍變化。將實(shí)際進(jìn)氣質(zhì)量流量與源自基礎(chǔ)ECU的目標(biāo)設(shè)定點(diǎn)比較時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的控制性能良好，轉(zhuǎn)換完成較好。設(shè)定點(diǎn)突然變化，進(jìn)氣歧管和壓氣機(jī)進(jìn)口氧濃度的控制良好。在轉(zhuǎn)換期間，進(jìn)氣質(zhì)量流量的偏差與確保HP EGR流量有關(guān)，這源于本研究特定的性能控制。如果模型中HP EGR兩側(cè)的壓差不足以滿(mǎn)足EGR要求，那么系統(tǒng)將采用VGT來(lái)達(dá)到更高的渦輪進(jìn)口壓力，由此減少瞬態(tài)NO x 排放。對(duì)設(shè)定點(diǎn)進(jìn)行適合的標(biāo)定后，這種功能僅在瞬態(tài)工況下起作用。如圖11所示，渦輪功率暫時(shí)高于設(shè)定點(diǎn)，這提高了HP EGR的進(jìn)口壓力。如果渦輪進(jìn)口壓力高于所需壓力，則渦輪增壓器的壓氣機(jī)將加快工作，從而導(dǎo)致空氣進(jìn)氣質(zhì)量流量的增加。由于HP EGR氣流來(lái)自渦輪進(jìn)口，故渦輪進(jìn)口和HP EGR進(jìn)口壓力處于相同位置。

3.2 LNT排氣富氧運(yùn)行模式

作為1種廢氣排放凈化裝置，LNT可以在比SCR系統(tǒng)激活溫度更低的廢氣溫度下儲(chǔ)存NO x 。然而，如果儲(chǔ)存的NO x 超過(guò)預(yù)定值，則LNT需要進(jìn)入排氣富氧狀態(tài)，將累積的NO x 轉(zhuǎn)化為N2，通過(guò)控制進(jìn)氣道要求和燃油噴射模式，實(shí)現(xiàn)排氣富氧狀態(tài)。在模式轉(zhuǎn)換試驗(yàn)中，燃油噴射設(shè)定點(diǎn)目標(biāo)值也會(huì)發(fā)生改變，因?yàn)镋CU所有的目標(biāo)設(shè)定點(diǎn)都需要保持不變。如圖2所示，因?yàn)閲娪湍Ｊ接泻艽蟮淖兓?，這比正常運(yùn)行模式更具挑戰(zhàn)性。針對(duì)各種運(yùn)行模式，基型ECU控制方法需要采用不同的控制策略，如不同的渦輪增壓器控制方法。大多數(shù)常規(guī)運(yùn)行模式使用閉環(huán)控制，而開(kāi)環(huán)控制則用于LNT排氣富氧狀態(tài)。在該情況下，研究人員需要進(jìn)行額外的標(biāo)定控制工作。圖12和圖13示出了運(yùn)行模式從雙EGR模式轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)NT排氣富氧模式時(shí)的性能控制。

由于在常規(guī)運(yùn)行模式中提及的原因，進(jìn)氣質(zhì)量流量存在一些瞬態(tài)偏差，但仍可以將排氣質(zhì)量系數(shù) λ 很好地控制在0.95左右，以形成排氣富氧狀態(tài)。2種模式之間的目標(biāo)設(shè)定值差異很大，但是控制性能仍可以接受，并且可以可靠地控制 λ 值。第2次轉(zhuǎn)換的持續(xù)時(shí)間大約為38 s，即使渦輪進(jìn)口壓力下降到最低水平，與進(jìn)氣歧管壓力相同，渦輪功率也不能達(dá)到目標(biāo)值，這是因?yàn)樵谶\(yùn)行模式轉(zhuǎn)換的短時(shí)間內(nèi)，在廢氣富氧狀態(tài)下，通過(guò)調(diào)整渦輪進(jìn)口壓力降低排氣能量的增量存在限制。

3.3 DPF再生運(yùn)行模式

為防止DPF被大量累積的的積炭阻塞，系統(tǒng)需要使用DPF再生模式。在DPF再生模式下，不使用HP EGR，這是因?yàn)檫^(guò)高的排氣溫度會(huì)導(dǎo)致進(jìn)氣管路高溫，并導(dǎo)致硬件損壞。DPF再生模式的主要目的是利用合適的氧含量提高排氣溫度。如果氧濃度過(guò)高，生成的熱過(guò)量，會(huì)導(dǎo)致DPF熱損壞。與其他運(yùn)行模式相比較，DPF再生模式下炭煙的燃燒將被控制的較為緩慢。圖14和圖15示出了運(yùn)行模式從雙EGR模式切換到DPF再生模式期間控制進(jìn)氣道系統(tǒng)所需參數(shù)。檢驗(yàn)結(jié)果顯示，在運(yùn)行模式轉(zhuǎn)換期間，進(jìn)氣質(zhì)量流量略有上沖和下沖，控制性能是合理的。如圖14所示，DPF進(jìn)口溫度升高達(dá)到620 ℃，并且通過(guò)該控制方案保持穩(wěn)定。

如圖15所示，渦輪功率突然變化，導(dǎo)致進(jìn)氣質(zhì)量流量略有上沖和下沖。盡管對(duì)HP EGR流量沒(méi)有要求，但是LP EGR流量所需的目標(biāo)設(shè)定值大幅下降，壓氣機(jī)的氣體流量必須快速適應(yīng)EGR流動(dòng)中的這種階躍變化。因此，預(yù)計(jì)所對(duì)應(yīng)的渦輪功率設(shè)定值也會(huì)大幅變化。從雙EGR模式到DPF再生模式的模式改變?cè)囼?yàn)顯示，所開(kāi)發(fā)的控制器可很好地用于快速響應(yīng)模式，也可以用于響應(yīng)較慢的運(yùn)行模式。在各種情況下，使用新構(gòu)建的基于物理的模型，能對(duì)具有不同動(dòng)態(tài)響應(yīng)需求的多模式運(yùn)行進(jìn)行有效控制。

3.4 車(chē)輛試驗(yàn)

在典型的進(jìn)氣道系統(tǒng)多模式運(yùn)行工況下，在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上測(cè)試控制性能后，研究人員進(jìn)行了車(chē)輛試驗(yàn)，以檢測(cè)包括運(yùn)行模式轉(zhuǎn)換在內(nèi)的目標(biāo)設(shè)定點(diǎn)動(dòng)態(tài)變化時(shí)的控制性能。在底盤(pán)測(cè)功機(jī)試驗(yàn)中，研究人員選擇了乘用車(chē)，并且為新的進(jìn)氣道控制器增裝了額外的試驗(yàn)設(shè)備。該車(chē)輛的發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中的發(fā)動(dòng)機(jī)規(guī)格相同。車(chē)輛試驗(yàn)在WLTC工況下進(jìn)行，這是1種典型的底盤(pán)測(cè)功機(jī)驗(yàn)證循環(huán)，試驗(yàn)條件等同于認(rèn)證條件。表2為車(chē)輛控制性能相關(guān)參數(shù)，圖16為車(chē)輛在WLTC循環(huán)測(cè)試中高層設(shè)定點(diǎn)的性能控制。盡管運(yùn)行模式發(fā)生了一些變化，但是跟蹤性能等同于或優(yōu)于基本ECU控制器。在表2中，研究人員通過(guò)均方根誤差（RMSE）對(duì)比了控制跟蹤性能。RMSE用來(lái)衡量2個(gè)值之間的偏差，偏差值越小表明跟蹤性能越好。表2中不包含壓降，因?yàn)榛綞CU可以通過(guò)開(kāi)環(huán)控制該值，以確保穩(wěn)定性。

如圖16所示，因?yàn)槭窃诶鋮s液低溫條件下，運(yùn)行模式始于HP EGR模式。隨著冷卻液溫度的升高，為了使用HP EGR和LP EGR 2種模式，存在模式的轉(zhuǎn)換變化。在1 200 s以后，系統(tǒng)首次進(jìn)入LNT廢氣富氧模式。在氧濃度的控制中，一些區(qū)域存在較大的偏差。在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速和低負(fù)荷的特定區(qū)域，這些偏差是顯而易見(jiàn)的。在這些區(qū)域內(nèi)，使用ECU前饋表格來(lái)控制LP EGR流量和/或渦輪功率，確保與ECU策略具有可對(duì)比。利用預(yù)先確定的執(zhí)行器閥位置對(duì)局部區(qū)域進(jìn)行控制的方法通常被用于模型和傳感器高度不確定的區(qū)域，ECU會(huì)自動(dòng)調(diào)整標(biāo)設(shè)定值，以滿(mǎn)足基本ECU的高水平目標(biāo)設(shè)定值。

在WLTC工況下，MPC監(jiān)督協(xié)調(diào)的反饋范圍分別是：進(jìn)氣質(zhì)量流量±22 kg/h、進(jìn)氣歧管氧濃度±0.007 5（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）、壓氣機(jī)進(jìn)口氧濃度±0.007 5（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。為了達(dá)到基礎(chǔ)ECU高層目標(biāo)設(shè)定點(diǎn)，ECU對(duì)目標(biāo)設(shè)定點(diǎn)進(jìn)行指示調(diào)整。在本研究中，ECU通過(guò)反饋范圍確定調(diào)整范圍。如果非線(xiàn)性補(bǔ)償器和模型的精確性更高，技術(shù)人員則可進(jìn)一步減小調(diào)整范圍，使ECU能更快地控制系統(tǒng)。

4 結(jié)論

本文提出了1種新的進(jìn)氣道系統(tǒng)的控制方案，并在柴油機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)?？刂品桨咐玫讓臃蔷€(xiàn)性補(bǔ)償器和MPC監(jiān)督的綜合優(yōu)勢(shì)，開(kāi)發(fā)的非線(xiàn)性補(bǔ)償器基于部件模型的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換。在新的控制結(jié)構(gòu)中，MPC監(jiān)督調(diào)整高層設(shè)定點(diǎn)，確保穩(wěn)態(tài)零偏移的快速跟蹤。研究人員采用一階轉(zhuǎn)換函數(shù)對(duì)調(diào)整動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了建模，對(duì)非線(xiàn)性補(bǔ)償器控制HP EGR質(zhì)量流量、LP EGR質(zhì)量流量、渦輪功率和進(jìn)氣節(jié)氣門(mén)壓差的部件層設(shè)定目標(biāo)點(diǎn)。研究人員將MPC和非線(xiàn)性補(bǔ)償器相結(jié)合，比采用其他方法更有效地處理非線(xiàn)性系統(tǒng)的線(xiàn)性化工作，這是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)的線(xiàn)性化原則上可以通過(guò)使用非線(xiàn)性補(bǔ)償器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)模式轉(zhuǎn)換試驗(yàn)表明，即使在設(shè)定點(diǎn)變化幅度大的情況下，新開(kāi)發(fā)的控制方法也能很好地工作，可輕易地處理各種模式下的不同要求。在不同情況下，使用新構(gòu)建的基于物理學(xué)的模型，能在多模式 運(yùn)行中進(jìn)行有效控制。車(chē)輛試驗(yàn)表明，相對(duì)于基礎(chǔ)ECU控制器，基于對(duì)RMSE控制誤差的評(píng)估，可成功使用新控制方案的控制特性。發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架和底盤(pán)測(cè)功機(jī)試的驗(yàn)結(jié)果表明，本研究所提議方法的顯著優(yōu)勢(shì)在于無(wú)須特定模式的控制策略和標(biāo)定。在諸如柴油機(jī)進(jìn)氣道系統(tǒng)等多模式運(yùn)行的復(fù)雜系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工作中，這種優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)。

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高英英 曹杰 張然治 譯自 SAE Paper 2020-01-0269

虞 展 編輯

（收稿時(shí)間：2021-02-09）