基于预测控制的汽油发动机怠速控制方法研究

【摘要】： 一直以来,怠速工况是发动机工作的重要工况之一,对于提高汽油发动机的燃油经济性、降低排放具有十分重要的意义。这主要是由于车辆在交通密集度大的道路上行驶时,约有30%的燃油消耗在怠速工况中,并且怠速排放CO和HC量占总排放量的70%左右。因而,怠速控制问题成为发动机控制技术中的一项最重要最基本的内容。 本文根据发动机怠速控制系统的特点,归纳总结了发动机怠速工况下的各种建模方法和控制方法,在平均值模型的基础上建立发动机怠速工况下的非线性混杂系统模型。考虑到发动机怠速工况下模型的特点,以及在整个控制过程中不可避免地存在输入约束和状态约束的特点,文中采用预测控制策略设计了发动机怠速控制器。首先是根据发动机怠速工况的简化模型,采用二次型目标函数设计了基于预测控制策略的怠速控制器,同时给出了闭环系统的稳定性条件；然后利用∞-范数形式的目标函数,将发动机怠速控制问题转换成了带有约束条件的线性规划(LP)问题,并采用终端等式约束的方法来保证系统的稳定性；最后采用准无限时域非线性预测控制策略设计了非线性怠速控制器,在终端域的基础上引入了终端惩罚项,并通过离线求解一个Lyapunov方程来获得该终端惩罚矩阵,利用有限时域控制令系统进入平衡点附近的不变集(终端域),从而保证了该非线性系统的渐近稳定性。 文中对所提的各种控制算法进行了明确的论证,并对基于不同控制算法的发动机怠速控制器进行了大量的仿真实验,实验结果显示设计的控制器具有较好的控制性能,对不确定干扰具有良好的鲁棒性。