基于自适应带宽的增压LP-EGR发动机空燃比预测抗扰控制方法

技术领域

本发明涉及发动机控制技术领域，特别是涉及一种基于自适应带宽的增压LP-EGR发动机空燃比预测抗扰控制方法。

背景技术

增压-低压废气再循环(LP-EGR)技术，是现代汽油机提高升功率、抑制爆震，同时改善燃油经济性的重要技术手段。发动机未完全燃烧产生的排放物可由三元催化器处理，但是三元催化器只有在缸内空燃比被限制在1附近时转化效率才会最高。因此，实现空燃比的精确控制对于节能减排至关重要。

在增压LP-EGR发动机中的空燃比控制中面临以下挑战。(1)排气延时影响控制品质。目前最常用的方法是通过排气管上的氧传感器来测量空燃比，但其测量值与缸内真实值存在测量延迟，这会限制闭环系统的带宽从而影响空燃比的调节速度。(2)空燃比复杂空气系统。随着VVT、LP-EGR等技术的应用，空气系统的复杂程度提升，传统的气量估计方法标定工作量巨大，且在瞬态和小压差工况下估计效果并不理想。(3)空燃比系统多干扰：空燃比系统存在内外部干扰，内部干扰如目标喷油量与实际喷油量不一致，外部干扰如EGR会对空燃比测量造成影响。

针对上述空燃比系统的难题与挑战，过去曾提出多种解决方案。最常用的方法是将空燃比动态视为黑箱，采用PID控制器。文献(Franceschi E M,Muske K R,Jones J P,etal.An Adaptive Delay-Compensated PID Air Fuel Ratio Controller[J].Mathematical Analysis,2007,1.)使用PID控制算法来补偿延迟。为了解决动态工况系统参数变化的问题，文献(Ebrahimi B,Tafreshi R,Masudi H,et al.A parameter-varyingfiltered PID strategy for air-fuel ratio control of spark ignition engines[J].Control engineering practice,2012(8):20.)在PID控制中增加了动态补偿器。但具有固定增益的PID控制器不能在所有工况下实现令人满意的动态响应。

相对于纯黑箱解决方法，另一类代表性方法是将空燃比系统视作灰箱，采用基于模型控制的方法进行控制。例如，文献(Wong H C,Wong P K,Vong C M.Model PredictiveEngine Air-Ratio Control Using Online Sequential Relevance Vector Machine[J].Journal of Control Science and Engineering,2012,(2012-05-23),2012,2012(PT.1):2.)利用模型预测控制(MPC)，并使用相关向量机(RVM)对空燃比系统进行建模，文献(Yildiz Y,Annaswamy AM,Yanakiev D,et al.Spark ignition engine fuel-to-airratio control:An adaptive control approach[J].Control Engineering Practice,2010,18(12):1369-1378.)提出了一种自适应前馈控制(AFC)来应对时间延迟和油膜动态问题，文献(Xue W,Bai W,Yang S,et al.ADRC With Adaptive Extended State Observerand its Application to Air-Fuel Ratio Control in Gasoline Engines[J].IEEETransactions on Industrial Electronics,2015,62(9):5847-5857.)构建了自适应扩张状态观测器，实现了空燃比的自适应控制。以上方法虽然取得了各种层面上的突破，然而其控制效果高度依赖面向控制的模型精度，模型精度缺失会极大程度地影响控制器，同时，模型精度的提升势必会导致这类控制器运算量增大，这种情况会使得控制器不易于工程实现。

综上，发展高精度的进气量模型，具有反馈信号时延补偿能力、同时标定参数少、鲁棒性高的控制算法，对于空燃比的精确控制和算法的产业化应用具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的增压LP-EGR汽油机空燃比系统气量估计难、有排气延时、多干扰等控制难题，而提供一种基于自适应带宽的增压LP-EGR发动机空燃比预测抗扰控制方法。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种基于自适应带宽的增压LP-EGR发动机空燃比预测抗扰控制方法，包括以下步骤：

步骤1，根据发动机进排气过程和传感器响应过程建立空燃比系统模型；

步骤2，建立基于机理-经验的进气量估计模型，计算正气门重叠角工况气缸中的空气质量和负气门重叠角工况气缸中的空气质量m

步骤3，建立基于角度采样和质量平均的EGR流量模型，计算EGR流量，用于步骤1的空燃比系统模型的前馈控制；

步骤4，设计扰动观测器、Smith预估器和基于模型的反馈控制模块，扰动观测器输出总扰动的估计值，Smith预估器输出燃空当量比预测值y

步骤5，设计自适应ESO，自适应ESO的输入为燃空当量比实际值与目标值

在上述技术方案中，所述步骤1中的空燃比系统模型为：

W为系统干扰，包括EGR、喷油量以及未建模的误差；t表示时间，τ

在上述技术方案中，所述步骤2中，正气门重叠角工况气缸中的空气质量如下所示：

负气门重叠角工况气缸中的空气质量如下所示：

其中，c

在上述技术方案中，所述步骤3中，EGR流量模型为：

公式中

在上述技术方案中，通过步骤2得到的m

在上述技术方案中，所述步骤4中，将混合后无延迟的燃空当量比

其中

在上述技术方案中，所述步骤4中，Smith预估器的形式为：

y(t)为氧传感测得的燃空当量比

在上述技术方案中，所述步骤4中，扰动观测器为：

为混合后无延迟的燃空当量比的估计值，/>

在上述技术方案中，所述步骤4中，基于模型的反馈控制模块为：

为燃空当量比的目标值，人为设定，u(t)为喷油量，K

在上述技术方案中，所述步骤5中，自适应ESO的形式为：

其中，

其中K为增益系数，ω

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明建立了基于经验-机理的进气量模型和基于角度采样和质量平均的EGR流量模型，大大减小了气量估计中的标定工作量，改善了瞬态和小压差工况下的估计效果；

2、相比较于传统的控制方法，本发明使用主动抗扰预测型控制器(包括扰动观测器和反馈控制模块)、Smith预估器将反馈信号提前，消除了系统延时的影响，自抗扰控制器准确估计扰动并消除，极大增强了算法的抗干扰能力；

3、本发明提出自适应ESO，根据燃空当量比实际值与目标值的偏差自动调整观测器带宽，既减少了动态过程的超调，又提升了对瞬态目标值的跟踪速度。

附图说明

图1是本发明空燃比控制总体框架

图2是进气量模型精度

图3是EGR流量模型精度

图4是空燃比控制效果-负荷阶跃

图5是空燃比控制效果-目标值阶跃

图6是自适应带宽效果-负荷阶跃下与固定带宽对比

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

对一台增压LP-EGR汽油机的空燃比进行控制，包括以下步骤：

步骤1，根据发动机进排气过程和传感器响应过程建立空燃比系统模型。

为了简化控制设计，将空燃比转换成燃空当量比

废气在排气管中的混合可近似为一阶动态过程，时间常数为τ

其中

经过适当的简化和整理后，空燃比系统模型可写为：

两个一阶惯性环节串联的二阶系统，可以将其视为大阻尼的二阶系统，其阶跃响应与一阶系统类似，且τ

将空燃比系统模型转化为微分方程时域模型：

其中：

为由于EGR气体以及目标喷油量与实际喷油量的偏差对空燃比造成的干扰。将公式(5)以及公式(6)带入公式(4)，则系统模型可整理为：

W为系统干扰(包括EGR以及喷油量以及未建模的误差等)。

步骤2，建立基于机理-经验的进气量估计模型，用于空燃比的前馈控制。

对于进气过程，将气缸作为系统控制容积，分析IVO与IVC时刻系统能量关系可得：

E

E

优选的，可根据各部分物质的比热容，温度，质量等信息计算各组分对应能量：

E

m

系统在IVO时刻的能量为上一循环残余废气的能量，在IVC时刻的能量为最终油气混合物的能量，根据上述关系可得：

E

m

优选的，上一循环的残余废气量，可根据理想气体定律粗略估算如下：

P

V

针对进气过程应用能量守恒定律，将公式(10)和公式(11)代入公式(9)，可得：

c

m

(m

V

优选的，将公式(12)和公式(15)代入公式(14)，正气门重叠角工况气缸中的空气质量如下所示：

将公式(13)和公式(15)代入公式(14)，负气门重叠角工况气缸中的空气质量如下所示：

优选的，进气量模型的精度如图2所示，实际进气量与模型计算值间的相关系数约为0.95，模型精度较高，满足控制需求。

步骤3，建立基于角度采样和质量平均的EGR流量模型。

在大流量小压差下会存在阀体后气体回流现象，在小压差下采用平均压力计算流量的方法难以估计准确，通过角度采集可以较好的还原排气压力波动，因此选择采用基于角度采集压差传感器信号的方式实时计算阀体流量，提高流量的计算精度：

公式中

优选的，EGR流量模型的精度如图3所示，相关系数为0.96左右，精度较高，满足控制需求。

m

其中N是发动机转速，单位是r/min。

步骤4，空燃比系统主动抗扰预测型控制器设计。

将混合后无延迟的燃空当量比

写成状态空间方程为：

其中

优选的，为了消除了纯时延环节对系统稳定性的影响，通过史密斯预估器将反馈信号相位提前，无延迟的燃空当量比可由史密斯预估器预测得到，其形式为

y(t)为氧传感测得的燃空当量比

将f扩张成一个状态，以y

为混合后无延迟的燃空当量比的估计值，/>

控制律(基于模型的反馈控制模块)形式为：

为燃空当量比的目标值，即空燃比目标值的倒数，由人为设定。

优选地，将提出的控制算法应用在发动机台架实验上。如图4所示，发动机转速1500rpm，节气门开度10％，在1.5s空燃比目标值由1阶跃到1.1，经过约0.25s的延迟后，空燃比实际值经过约1.4s跟踪上了目标值，没有超调。如图5所示，发动机转速1500rpm，节气门开度由9％阶跃到16％，空燃比实际值最高上升到1.083，而后下降调节到目标值1附近。说明该算法的瞬态响应性能好，控制精度高。

步骤5，自适应带宽模块设计，输入为燃空当量比实际值与目标值的偏差，输出为自适应带宽ω

其中，

其中K为增益系数，其取值大小决定了ω

优选地，验证自适应带宽的效果。增益系数K设置为1500，上下限分别为5和10，测试工况为发动机转速1500rpm，节气门开度由9％阶跃到16％，如图6所示，ESO-ω

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。