电喷发动机过渡工况空燃比鲁棒控制研究

为了降低发动机污染物的排放和燃料消耗,需将空燃比精确控制在理论空燃比附近。实际空燃比的微小变化会引起三效催化转化效率的严重降低。许多控制理论和方法,如经典控制理论、现代控制理论和自适应控制理论等,都要求控制对象有精确的模型或模型的不确定性满足特殊的假定,针对本文研究的空燃比控制中,由于系统存在不确定性因素的影响[1,2],要获得控制对象的精确模型非常困难,甚至不可能。当发动机处于稳态工况时,传统的电控喷射系统能较好地实现对空燃比的精确控制;但是车用电喷发动机在实际运行工况中,有相当多的时间处于过渡工况运行。在过渡工况时,由于存在不同于稳态工况时的不确定因素影响,使得发动机空燃比在控制时出现偏差,从而不能满足日益严格的排放法规对空燃比控制精度的要求[3,4]。考虑到最优H∞控制理论是实现鲁棒控制的重要工具和手段,针对这些不确定因素的影响,本文采用了最优H∞鲁棒控制的方法来实现过渡工况下空燃比控制,并且进行了仿真验证。
　　1 最优H∞鲁棒控制理论
　　1.1 最优H∞控制问题结构
　　H∞鲁棒控制理论是通过某些性能指标的无穷范数优化而得到具有鲁棒性能的控制器的一种控制理论,标准的H∞控制问题如图1所示。
　　图1H∞标准控制问题框图
　　Fig.1H∞ standard control problem block diagram
　　图1中,信号均为向量值的信号:W为外部输入信号,包括参考信号,干扰和传感器噪声信号;s为频率域;U为控制信号;G(s)为广义的被控对象;Z为被控对象的输出信号;Y为测量输出信号;H(s)为控制器,是待设计的部分。在图1中,引入了增广的对象模型,该模型可以一般地表示成:
　　 (1)
　　从W到Z的闭环传递函数为
　　 (2)
　　H∞最优设计问题就是对于给定的广义被控对象G(s),求反馈控制器K(s),使得闭环传递函数稳定,且使 最小。
　　1.2 混合灵敏度优化设计
　　许多控制问题都可以转化为标准的H∞控制问题。同时抑制干扰和受控对象的不确定性称为混合灵敏度问题,求解混合灵敏度优化问题常采用增广对象的状态空间表达式来进行,选择频域内的加权函数,使其满足系统设计要求,然后转化成状态空间的形式进行优化设计。在本研究中,所研究的发动机一方面在运行中会受到因节气门突变而引起的干扰;另一方面因建模需要和系统偏差的存在而产生未建模动态,这两方面的问题正是在进行混合灵敏度设计时所能解决的。电喷发动机空燃比控制系统最优H∞加权混合灵敏度设计问题的模型如图2所示:
　　 图2 空燃比控制系统
　　 F ig.2A/F control system
　　图2中为参考输入信号, e为空燃比误差, U为控制输入, d为外部干扰, y为系统输出信号;G(s)为受控对象电喷发动机, K(s)为最优H∞控制器。引入加权函数W1 (s)和W2 (s) ,其中,W1 (s)表示对系统性能要求的约束, 通过调整可以有效地抑制干扰的影响,获得希望的输出信号;W2 (s)反映了对乘性不确定性的限制, 由被控对象本身决定。
　　从r至e、y的传递函数分别为: (3)
　　 (4)
其中,S(s)、T(s)分别称为灵敏度函数和混合灵敏度函数。
　　将其增广对象模型作以下设置
　　(5)
　　其中 ,即为被控对象状态方程的系数矩阵。
　　系统的闭环传递函数为
　　 (6)
　　求解混合灵敏度问题的目的就是寻找控制器K(s),使得系统闭环稳定,且使Tcl的范数最小。当选好加权函数W1(s)和W2(s)后,即可进行控制器K(s)的设计。
　　1.3 加权函数的选择
　　由于加权函数W1(s)和W2(s)与反馈控制系统的灵敏度函数和补偿灵敏度函数的形状有直接的关系,通过合理的选择可使闭环控制系统的灵敏度函数和补偿灵敏度函数按照希望的规律变化,能够保证系统
　　具备较强的鲁棒稳定性,对输入命令也有很好的跟踪能力和良好的抗干扰能力以及抑制噪声能力。加权函数W1(s)由系统性能要求来决定,要求其能有效地抑制干扰的影响及精确地跟踪输入信号,即一般应具有高增益低通特性;加权函数W2(s)由受控对象本身特性来决定,反映了鲁棒稳定性的要求,一般应具有高通滤波特性。本研究中,利用文献[5]阐述的加权函数选取规则和设计要求,分别选取
　　 (7)
　　 (8)
　　2 最优H∞鲁棒控制理论应用
　　2.1 发动机不确定性分析
　　在实际工程控制中,由于种种原因系统总是存在着不确定性,这种不确定性通常分为两类:一是外部的不确定性,如干扰等;二是内部的不确定性,如测量误差、参数估计误差以及未建模动态等。
　　在发动机运行过程中,进气、喷油以及负荷等因素发生变化都会导致空燃比发生变化,影响发动机空燃比的稳定性,这些内部的不确定性在发动机的未建模动态来考虑,发动机在运行过程中不确定的滞后时间等都算作为发动机的建模不确定性;而发动机由于老化、磨损等原因造成了发动机的参数不确定性,由于传感器的噪声输入,以及发动机运转过程中的干扰输入都算做是参数的不确定性。
　　2.2 空燃比控制系统模型的建立
　　在本研究中,选用国内某厂家生产的一款电喷汽油机为研究对象,其系统具有十分复杂的非线性特征,它包括了空气动态、燃料动态、排气系统动态以及传感器动态等,其各种参数随着运行环境和工况的变化而变化,因此,很难对各物理过程进行精确的数学描述,从而难以建立非线性系统精确的数学模型。在实际设计过程中,较常用的方法是使用简化的低阶线性系统模型来近似描述复杂的发动机系统。对于电喷发动机过渡工况下的空燃比控制,本研究采用的闭环控制系统模型如图3所示:
　　图3 发动机闭环系统控制模型
　　F ig.3engine closed-loop control system model
　　图3中,α为发动机的目标空燃比;D(s)为外界的干扰信号;Gc(s)为要求解的控制器;Tc为空气与燃料的混合时间;Td为传输时间延时;y为实际的输出量(指实际空燃比);N(s)为系统测量时的干扰信号;H(s)为空燃比传感器模型。
　　在发动机实际运行过程中,参数Tc和Td具有不确定性,这里采用了文献[6]的算法,确定了参数Tc和Td的变化范围,设计的最优H∞控制器必须在这些参数变化的范围内都具有鲁棒稳定性和抗干扰能力。
　　2.3 最优H∞鲁棒控制器的设计 (责任编辑：nylw.net)转贴于八度论文发表网: http://www.8dulw.com(论文网__代写代发论文_论文发表_毕业论文_免费论文范文网_论文格式_广东论文网_广州论文网)