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帶可變幾何渦輪增壓器柴油機(jī)的雙回路廢氣再循環(huán)多變量控制

【美】N.KhaledM.CunninghamJ.PekarA.FuxmanO.Santin

摘要：研究雙回路廢氣再循環(huán)(EGR)柴油機(jī)采用多變量控制器的設(shè)計(jì)問(wèn)題。發(fā)動(dòng)機(jī)需控制2個(gè)EGR閥(高壓閥和低壓閥)、1個(gè)排氣節(jié)流閥和1個(gè)可變幾何渦輪增壓器。提出了一種利用模型預(yù)測(cè)控制(MPC)方法，對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行適用于生產(chǎn)的空氣管理控制。此外，概述了所提出設(shè)計(jì)的調(diào)整過(guò)程。在1臺(tái)2.8L輕型柴油機(jī)上獲得了設(shè)計(jì)的性能試驗(yàn)結(jié)果?？刂破鏖]環(huán)性能的LA-4循環(huán)瞬態(tài)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)過(guò)程的有效性。在整個(gè)瞬態(tài)行駛循環(huán)控制器的標(biāo)定過(guò)程中，MPC從數(shù)據(jù)采集開(kāi)始到建立發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定模型僅用10天時(shí)間。

關(guān)鍵詞：雙回路廢氣再循環(huán)模型預(yù)測(cè)控制多變量控制器

0前言

美國(guó)環(huán)境保護(hù)署(EPA)第二階段(Tier 2)標(biāo)準(zhǔn)和加州空氣資源委員會(huì)(CARB)低污染排放法規(guī)第三階段(LEVⅢ)中的輕型車輛排放標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越嚴(yán)格。采用雙回路廢氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)能夠改善渦輪增壓器的運(yùn)行效率，降低增壓空氣溫度，改善穩(wěn)態(tài)工況下的燃油消耗率，在對(duì)性能影響盡可能小的條件下，提高驅(qū)動(dòng)EGR率的能力[1,2]。因此，雙回路EGR系統(tǒng)對(duì)降低排放和燃油消耗具有顯著優(yōu)勢(shì)，可滿足嚴(yán)格的排放要求。

Cummins公司ATLAS項(xiàng)目由美國(guó)能源部資助，主要目的是驗(yàn)證皮卡用小排量發(fā)動(dòng)機(jī)(2.8L)可在高燃油經(jīng)濟(jì)性下顯著降低排放?？諝夤芾硐到y(tǒng)相當(dāng)復(fù)雜，由1個(gè)可變幾何截面渦輪增壓器(VGT)、1個(gè)低壓EGR閥、1個(gè)高壓EGR閥，以及1個(gè)排氣節(jié)流閥(ET)組成，由于ATLAS發(fā)動(dòng)機(jī)比較復(fù)雜，4個(gè)執(zhí)行器之間的相互協(xié)調(diào)為發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)性能的評(píng)估帶來(lái)了控制和標(biāo)定方面的困難。

傳統(tǒng)控制設(shè)計(jì)技術(shù)通常基于標(biāo)準(zhǔn)比例積分微分(PID)控制器、查找表、邏輯開(kāi)關(guān)等，相關(guān)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展幾十年，工程技術(shù)人員都已經(jīng)熟知。這些技術(shù)相對(duì)易于使用，是無(wú)交互作用和較簡(jiǎn)單動(dòng)力學(xué)回路控制的理想選擇。然而，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜性的提高，以及傳感器和執(zhí)行器數(shù)量的增加，在合理時(shí)間內(nèi)采用傳統(tǒng)解耦回路設(shè)計(jì)反饋控制器成為一項(xiàng)艱巨任務(wù)。采用多變量控制技術(shù)的系統(tǒng)方法可在減少開(kāi)發(fā)時(shí)間的同時(shí)，滿足性能要求和排放法規(guī)限值要求。

論文[3,4,5]分析了不同的EGR策略。論文[6]提出了基于前饋控制模型的級(jí)聯(lián)自適應(yīng)比例積分(PI)策略。將增壓壓力的級(jí)聯(lián)控制結(jié)構(gòu)作為EGR率和增壓壓力的解耦工具。論文提出，通過(guò)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，分別調(diào)節(jié)高壓EGR和低壓EGR的策略來(lái)控制增壓壓力和EGR率。論文介紹了雙回路EGR系統(tǒng)的協(xié)同控制策略。依據(jù)低壓EGR回路比高壓EGR回路容積大，響應(yīng)較慢這一事實(shí)將原系統(tǒng)分解為2個(gè)不同時(shí)間尺度的獨(dú)立子系統(tǒng)。對(duì)每個(gè)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)了基于Lyapunov函數(shù)的控制器來(lái)共同控制進(jìn)氣歧管壓力、溫度和氧濃度。論文介紹了一種包含雙EGR、VGT和進(jìn)氣節(jié)流閥的協(xié)同策略，利用高低壓EGR分離策略動(dòng)態(tài)反饋總EGR質(zhì)量流率和增壓壓力，以降低泵氣損失，提高增壓器效率。

Haber等人在論文中設(shè)計(jì)了1臺(tái)多變量H∞控制器控制進(jìn)氣歧管壓力、溫度和氧濃度?？刂破骺刂芕GT位置主要是為控制進(jìn)氣歧管壓力。此外，控制器驅(qū)動(dòng)高低壓EGR閥以控制進(jìn)氣歧管溫度和氧濃度。近來(lái)，有研究人員開(kāi)發(fā)了1款空氣管理系統(tǒng)平均值模型和空氣成分估量器。

采用上述的任一多變量控制方法(如H∞、線性二次型高斯控制器(LQG)等)可用來(lái)開(kāi)發(fā)1個(gè)系統(tǒng)化程序，便于為空氣管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活、結(jié)構(gòu)化的控制器。MPC的主要優(yōu)勢(shì)在于具有處理各種邊界條件的能力。MPC方法可以系統(tǒng)化處理變邊界條件的LQG的拓展。另一方面，由于需要在每個(gè)采樣周期內(nèi)在線運(yùn)行優(yōu)化求解器，MPC控制器的執(zhí)行相對(duì)于簡(jiǎn)單的控制算法要復(fù)雜。如果控制問(wèn)題足夠小(指得出的優(yōu)化問(wèn)題的總約束個(gè)數(shù))，MPC控制問(wèn)題可顯式求解，得出的在線求解器比較簡(jiǎn)單。這基于一組靜態(tài)查找表。如果得出的問(wèn)題由于約束太多(內(nèi)存無(wú)法存儲(chǔ)全部查找表)不能顯式求解，但仍能通過(guò)裝配合理中央處理器的電子控制單元(ECU)來(lái)執(zhí)行有效求解器。

1控制問(wèn)題的技術(shù)規(guī)格

1.1　發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)

本研究所用發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)規(guī)格見(jiàn)表1。研究對(duì)象為1款滿足歐6排放標(biāo)準(zhǔn)的ATLAS直列4缸2.8L ISF發(fā)動(dòng)機(jī)。ATLAS發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣后處理系統(tǒng)包括1個(gè)柴油機(jī)氧化催化器(DOC)、氨定量供給器、涂有選擇性催化還原(SCR)催化劑的顆粒濾清器(SCRF)，以及車體下的2個(gè)SCR催化器。

表1　發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)規(guī)格

1.2　空氣管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

①為了符合原著本意，本文仍沿用原著中的非法定單位——編注。

空氣管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用雙回路結(jié)構(gòu)優(yōu)化排放與燃油經(jīng)濟(jì)性的折中設(shè)計(jì)。低壓廢氣再循環(huán)(LP EGR)回路將過(guò)濾后的廢氣從渦輪增壓器和DOC/SCRF下游引出，經(jīng)過(guò)1個(gè)冷卻器和EGR閥與壓氣機(jī)上游的新鮮空氣混合。高壓廢氣再循環(huán)(HP EGR)回路將廢氣從渦輪增壓器上游引出，將其與壓氣機(jī)和中冷器下游的新鮮空氣/LP EGR氣體混合。除了LP/HP EGR閥，系統(tǒng)中還包括1個(gè)位于VGT與SCRF下游的排氣節(jié)流閥(用來(lái)產(chǎn)生背壓驅(qū)動(dòng)LP EGR流)。如何有效使用4個(gè)執(zhí)行器滿足空氣管理的需求是解決控制問(wèn)題的關(guān)鍵。

1.3　扭矩曲線和負(fù)荷循環(huán)

LA-4循環(huán)的扭矩曲線和運(yùn)行點(diǎn)集如圖2所示。車載發(fā)動(dòng)機(jī)匹配8速變速器，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的運(yùn)行范圍較窄?？諝夤芾硐到y(tǒng)最初開(kāi)發(fā)的關(guān)注點(diǎn)為在這一特定負(fù)荷循環(huán)內(nèi)運(yùn)行，因而制定1個(gè)性能良好的瞬態(tài)路徑跟蹤控制器。

2控制設(shè)計(jì)

采用一種已建立的控制技術(shù)，用于處理多變量交互作用及邊界條件，同時(shí)便于直觀設(shè)計(jì)和調(diào)節(jié)的是MPC方法。對(duì)MPC控制方法的研究已經(jīng)持續(xù)幾十年，目前已在多個(gè)行業(yè)廣泛應(yīng)用。下面介紹開(kāi)發(fā)ATLAS發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)控制過(guò)程中使用的方法。建模和控制技術(shù)是霍尼韋爾公司OnRAMP設(shè)計(jì)套件的一部分。

開(kāi)發(fā)MPC控制器的過(guò)程需10天時(shí)間。4天生成發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)以標(biāo)定控制導(dǎo)向模型，3天設(shè)計(jì)并離線測(cè)試控制器，另外3天將控制器集成到快速原型系統(tǒng)，同時(shí)評(píng)估1個(gè)行駛循環(huán)內(nèi)的瞬態(tài)控制性能。

2.1　控制導(dǎo)向模型

本文提到的MPC控制器是霍尼韋爾公司開(kāi)發(fā)的基于模塊化、灰盒子式、控制導(dǎo)向的平均值模型(COM)。通過(guò)組合1個(gè)包括圖1所示的ATLAS發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪增壓器、氣門、熱交換器、噴油器等物理庫(kù)中的物理部件建立模型。

為了保持標(biāo)定控制導(dǎo)向模型跟實(shí)機(jī)相一致，在發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)(DOE)，在不同的轉(zhuǎn)速-燃油耗點(diǎn)改變每個(gè)執(zhí)行器。對(duì)于ATLAS發(fā)動(dòng)機(jī)，DOE需4天的試驗(yàn)臺(tái)測(cè)量時(shí)間。

將DOE獲得的數(shù)據(jù)用于模型自動(dòng)識(shí)別過(guò)程。模型標(biāo)定過(guò)程由以下3步組成:(1)單個(gè)部件的識(shí)別: 每個(gè)部件(如氣門、熱交換器、渦輪增壓器等)對(duì)應(yīng)各自的輸入-輸出數(shù)據(jù)，將識(shí)別的參數(shù)作為第2步的起點(diǎn)；(2)穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)級(jí)識(shí)別: 此步用于將所有標(biāo)定部件組裝為一體，改進(jìn)模型精確度；這一步將確保系統(tǒng)級(jí)模型輸入-輸出變量和對(duì)控制設(shè)計(jì)至關(guān)重要的試驗(yàn)數(shù)據(jù)間具有良好的匹配性，ATLAS發(fā)動(dòng)機(jī)控制導(dǎo)向模型的穩(wěn)態(tài)精確度見(jiàn)圖3。(3)瞬態(tài)系統(tǒng)級(jí)識(shí)別: 控制設(shè)計(jì)也需系統(tǒng)級(jí)動(dòng)態(tài)表示；這一步標(biāo)定模型的動(dòng)態(tài)行為與測(cè)出的發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)相匹配。標(biāo)好的控制導(dǎo)向模型用于下文即將介紹的控制器的設(shè)計(jì)。

2.2　控制器結(jié)構(gòu)

本文所用的多變量控制器由前饋和反饋2個(gè)主要部分組成(圖4)。

前饋控制的作用是為強(qiáng)瞬態(tài)運(yùn)行的控制器提供快速、近似的執(zhí)行器位置。控制前饋部分是借助于一組靜態(tài)查找表(在發(fā)動(dòng)機(jī)的控制導(dǎo)向模型上通過(guò)基于優(yōu)化的路徑等確定)和所需的控制設(shè)定實(shí)現(xiàn)的。查找表輸出由一階過(guò)濾器過(guò)濾，過(guò)濾器時(shí)間常數(shù)可看成附加的調(diào)整參數(shù)。計(jì)算前饋查找表的算法基于以運(yùn)行點(diǎn)的特定網(wǎng)格形式表示的控制導(dǎo)向模型的數(shù)值進(jìn)行反演。查找表通過(guò)選定的一組重要的外部變量(這里是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和噴油量)參數(shù)化。

反饋部分關(guān)注擾動(dòng)抑制、發(fā)動(dòng)機(jī)與模型不匹配(生產(chǎn)的分散度或老化)、無(wú)偏穩(wěn)態(tài)跟蹤和約束處理。反饋包括1個(gè)MPC控制器，它僅在執(zhí)行器上使用時(shí)變限制。

所有計(jì)算必須在一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊(ECM)中完成?？焖倏煽康那蠼馄鲗⒊蔀榘l(fā)動(dòng)機(jī)控制中成功實(shí)現(xiàn)MPC的關(guān)鍵。目前，有多種求解器能夠滿足這些嚴(yán)格的要求。本文采用的求解器為霍尼韋爾OnRAMP軟件包的顯式求解器，其軟件包能夠滿足計(jì)算速度和ECM軌跡要求。

3控制器試驗(yàn)

MPC控制器被設(shè)計(jì)用來(lái)控制增壓壓力和總EGR質(zhì)量流率。選取這些變量是由于它們與系統(tǒng)性能緊密相關(guān)。

增壓壓力采用布置在進(jìn)氣歧管中的歧管壓力-溫度復(fù)合傳感器直接測(cè)量。HP EGR通過(guò)速度-密度法算出充量流量，與用空氣室中空氣質(zhì)量流量傳感器測(cè)得的新鮮空氣流量相減估算。LP EGR流率用通過(guò)流量孔板前后的壓差計(jì)算。將HP EGR和LP EGR流率相加得到總EGR流率。

MPC控制器設(shè)計(jì)有4個(gè)執(zhí)行器: 高壓EGR閥、低壓EGR閥、VGT和ET。由于僅有2個(gè)變量需要跟蹤，控制器的附加自由度可以用于修正執(zhí)行器相對(duì)前饋基準(zhǔn)值的運(yùn)動(dòng)。

被控制的系統(tǒng)為非線性的，因此有必要執(zhí)行一些合適的策略。本文的MPC控制器被構(gòu)建成一組局部線性MPC控制器，由發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和噴油量調(diào)度(轉(zhuǎn)換)控制。注意MPC控制器采用的局部線性模型是由非線性COM模型派生來(lái)的，因此，因?yàn)榕c各氣缸距離不同而產(chǎn)生傳輸差異，它們自然也能局部地覆蓋HP EGR和LP EGR回路。選擇一組運(yùn)行點(diǎn)作為覆蓋預(yù)期發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行區(qū)域的常規(guī)網(wǎng)格，共計(jì)36個(gè)運(yùn)行點(diǎn)，覆蓋范圍為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速800～2600r/min，噴油量每循環(huán)0～60mg。需要注意的是，系統(tǒng)的每一個(gè)被控制的輸入和輸出都采用分段仿射函數(shù)使非線性獲得附加補(bǔ)償。各函數(shù)已經(jīng)通過(guò)列出公式，并使局部線性靈敏度在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行空間相等，解決目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題。通過(guò)調(diào)整MPC成本函數(shù)測(cè)試3個(gè)案例，MPC控制器通過(guò)OnRAMP軟件自動(dòng)調(diào)整。調(diào)整策略由穩(wěn)定性和性能2個(gè)重要參數(shù)驅(qū)動(dòng)。每個(gè)局部線性MPC控制器的穩(wěn)定性是利用應(yīng)用于用戶指定的模型不確定性等級(jí)的小增益定理來(lái)保證?；谙到y(tǒng)線性化動(dòng)態(tài)響應(yīng)的穩(wěn)定時(shí)間自動(dòng)計(jì)算預(yù)測(cè)時(shí)域。預(yù)測(cè)時(shí)域范圍為1～5s，具體取決于運(yùn)行點(diǎn)。每個(gè)執(zhí)行器的控制器帶寬通過(guò)調(diào)整MPC成本函數(shù)中的相應(yīng)權(quán)重參數(shù)獨(dú)立設(shè)定。單個(gè)變量跟蹤精度的重要性也可應(yīng)用權(quán)重調(diào)整。

3.1　發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)室試驗(yàn)

開(kāi)發(fā)的控制器被嵌入dSpace?MicroAutoBox?1401。MicroAutoBox與發(fā)動(dòng)機(jī)ECM的通信依靠CAN總線連接(圖5)。MicroAutoBox通過(guò)ECM接收輸出反饋(在ECM中測(cè)量增壓壓力，同時(shí)估算EGR質(zhì)量流率)和執(zhí)行器位置(包括VGT位置，LP EGR閥、HP EGR閥和ET位置)。在MicroAu-toBox中，MPC計(jì)算跟蹤錯(cuò)誤，評(píng)估并優(yōu)化成本函數(shù)，確定指令執(zhí)行器的最終位置，并通過(guò)CAN總線傳輸?shù)紼CM。ECM然后向驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器下達(dá)指令位置，控制器的步長(zhǎng)為0.1s。

4試驗(yàn)結(jié)果

在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)室的試驗(yàn)控制器前，需要建立1個(gè)圖形用戶界面顯示所控參數(shù)和各自所希望的基準(zhǔn)值，用以檢查系統(tǒng)的跟蹤性能。此外，為了在視覺(jué)上檢查指令位置，執(zhí)行器的位置也需要顯示。在“在線標(biāo)定”模式下運(yùn)行ControlDesk?4.0，建立圖形用戶界面。

為了測(cè)試輕型車輛用MPC控制器的瞬態(tài)性能，通常采用EPA城市測(cè)功機(jī)負(fù)荷規(guī)程(UDDS)，通常被稱為“LA-4城市工況測(cè)試”，代表城市行駛條件。在用完全瞬態(tài)循環(huán)測(cè)試控制器前，最好先在控制器運(yùn)行模式附近進(jìn)行測(cè)試。圖6為控制器在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1800r/min、每循環(huán)噴油量52.5mg、階躍改變?cè)鰤簤毫涂侲GR質(zhì)量流率設(shè)定值時(shí)的跟蹤性能。圖7中的虛線為各個(gè)不同執(zhí)行器的實(shí)測(cè)位置。實(shí)線代表執(zhí)行器的上、下容許極限，設(shè)置MPC邊界條件。這些限值作為最后的安全措施以限制初始測(cè)試過(guò)程中執(zhí)行器的反饋權(quán)限，并在初始調(diào)整顯示令人滿意的結(jié)果后加以固定。

在每個(gè)模態(tài)點(diǎn)附近檢查MPC控制器性能后，進(jìn)行了LA-4循環(huán)性能測(cè)試。為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的MPC控制器的調(diào)整靈活性，在同1臺(tái)MPC控制器實(shí)現(xiàn)了3種功能:(1)EGR質(zhì)量流率的跟蹤；(2)平衡調(diào)整；(3)偏向增壓壓力的跟蹤。

這3種功能通過(guò)改變所設(shè)計(jì)MPC控制器的成本函數(shù)的權(quán)重產(chǎn)生。圖8表示不同調(diào)整下控制變量的均方根誤差(RMSE)。由圖8可知通過(guò)簡(jiǎn)單改變控制器的權(quán)重因子，可改善特定變量相對(duì)其他變量的跟蹤性能。圖9表示MPC控制器2個(gè)調(diào)整狀態(tài)下時(shí)域跟蹤性能的差別。圖9(a)和圖9(b)表示專門為偏向跟蹤增壓壓力的MPC調(diào)整的性能，而圖9(c)和圖9(d)表示專門為偏向跟蹤總EGR質(zhì)量流率的調(diào)整的性能?？侲GR質(zhì)量流率跟蹤圖表明專門調(diào)整成偏向跟蹤EGR質(zhì)量流率的MPC控制器具有較好的跟蹤性能。特別是對(duì)比圖9時(shí)間間隔(265s～290s)中的下部曲線圖，可以注意到2種MPC控制器功能間在EGR質(zhì)量流率跟蹤過(guò)程中的跟蹤差異。同樣地，對(duì)比圖9中的上部曲線圖，很顯然MPC控制器偏向調(diào)整到跟蹤增壓壓力明顯優(yōu)于設(shè)計(jì)，用來(lái)偏向跟蹤EGR質(zhì)量流率。特別是對(duì)比圖9時(shí)間間隔(300s～320s)的上部曲線圖，可以注意到在增壓壓力跟蹤過(guò)程中，2種MPC控制器功能間的跟蹤差異性。

圖10表示在MPC控制器調(diào)整到更偏向跟蹤EGR質(zhì)量流率時(shí)，以碳?xì)浠衔镌黾訛榇鷥r(jià)，NOx排放降低。因?yàn)榭刂破髡{(diào)整參數(shù)和排放直接相關(guān)，調(diào)整團(tuán)隊(duì)可通過(guò)控制MPC成本函數(shù)的權(quán)重實(shí)現(xiàn)期望的排放限值。這種能力在空氣管理控制器的生產(chǎn)指向設(shè)計(jì)過(guò)程中得到提高，這時(shí)控制器性能的評(píng)估主要基于排放而不是跟蹤性能。系統(tǒng)集成者在有了控制折中的能力后，在評(píng)估為滿足排放所必需排氣后處理類型時(shí)具有一定程度的靈活性，例如確定DOC和SCR催化器的尺寸。圖11表示3種控制器調(diào)整在全行駛循環(huán)中的累積NOx排放。

5穩(wěn)定性分析

為了評(píng)估所提出的控制器相對(duì)于建模不確定性的穩(wěn)定性，將調(diào)整到偏向跟蹤EGR質(zhì)量流率的綜合MPC控制器與開(kāi)發(fā)和標(biāo)定的灰盒子模型相結(jié)合。采用產(chǎn)品控制器模型進(jìn)行蒙特卡羅仿真。采用隨機(jī)變化的6個(gè)參數(shù)仿真產(chǎn)品不確定性進(jìn)行2000個(gè)LA-4仿真。變化的參數(shù)為VGT、HP EGR閥、LP EGR閥，以及ET前饋值。為改變前饋值，在每個(gè)LA-4循環(huán)中增加1個(gè)恒定偏移量補(bǔ)償在MPC設(shè)計(jì)中的前饋值不足。此外，為仿真系統(tǒng)中的背壓變化，隨機(jī)改變柴油機(jī)顆粒過(guò)濾器(DPF)的有效面積。最后，每個(gè)LA-4循環(huán)隨機(jī)改變中冷器的效率以仿真系統(tǒng)老化。表2列出了產(chǎn)生隨機(jī)不確定性的值。使用Matlab?借助正態(tài)分布產(chǎn)生不確定性，然后限制不確定性到表2所示的范圍。

表2　蒙特卡羅仿真使用的參數(shù)

圖12表示MPC和開(kāi)環(huán)控制受到相同水平不確定性影響時(shí)的跟蹤性能。開(kāi)環(huán)控制采用綜合MPC的前饋查找表，但沒(méi)有任何修正反饋動(dòng)作。圖12示出總EGR質(zhì)量流率的RMSE與2000次仿真增壓壓力的關(guān)系。MPC成功地降低了總EGR質(zhì)量流率RMSE的標(biāo)準(zhǔn)偏差73.7%，增壓壓力RMSE的標(biāo)準(zhǔn)偏差下降66.7%。此外，由圖12可知相比于開(kāi)環(huán)控制，閉環(huán)控制MPC的跟蹤能力明顯增強(qiáng)。

6結(jié)語(yǔ)

本文討論了雙回路EGR空氣管理系統(tǒng)生成MIMO控制器的過(guò)程。特別是采用模型預(yù)測(cè)控制MPC，解決了空氣管理系統(tǒng)不同執(zhí)行器間協(xié)調(diào)的復(fù)雜性。在輕型柴油機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證了MPC控制器的生成過(guò)程?？刂破鞯母櫺阅芡ㄟ^(guò)MPC調(diào)整參數(shù)與排放措施相聯(lián)系。通過(guò)蒙特卡羅仿真驗(yàn)證了綜合MPC的穩(wěn)定性。

MPC控制器開(kāi)發(fā)和試驗(yàn)的持續(xù)時(shí)間大約為10天。鑒于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和設(shè)計(jì)MPC和測(cè)試系統(tǒng)閉環(huán)性能的持續(xù)時(shí)間，這種控制技術(shù)可提供快速評(píng)估所提出的不同發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)性能的能力。

參考文獻(xiàn)

[1] Suresh A, Langenderfer D, Arnett C, et al. Thermodynamic systems for Tier 2 Bin 2 diesel engines[C]. SAE Paper 2013-01-0282.

[2] Shutty J, Czarnowski R. Control strategy for a dual loop EGR system to meet Euro 6 and beyond[C]. Deer Conference, Dearborn Michigan, 2009.

[3] Millo F, Giacominetto P F, Bernardi M G. Analysis of different exhaust gas recirculation architectures for passenger car diesel engines[J]. Energy 2012,98(1): 79-91.

[4] van Aken M, Willems F, de Jong D. Appliance of high EGR rates with a short and long route EGR system on a heavy duty diesel engine[C]. SAE Paper 2007-01-0906.

[5] Zheng M, Reader G T, Hawley J G. Diesel engine exhaust gas recirculation-a review on advanced and novel concepts[J]. Energy Conversion and Management, 2004,45(1): 883-900.

[6] Shutty J, Benali H, Daeubler L,et al. Air system control for advanced diesel engines[C]. SAE Paper 2007-01-0970.

[7] Grondin O, Moulin P, Chauvin J. Control of a turbocharged diesel engine fitted with high pressure and low pressure exhaust gas recirculation systems[C]. the 48th IEEE Conference on Decision and Control held jointly with the 28th Chinese Control Conference,2009: 6582-6589.

[8] Yan F, Wang J. Control of dual loop EGR air-path systems for advanced combustion diesel engines by a singular perturbation methodology[C]. Proceedings of the American Control Conference, 2011: 1561-1566.

[9] Shutty J, Czarnowski R. Controlstrategy for a dual loop EGR system to meet Euro 6 and beyond[C]. DEER Conference, USA, 2009.

[10] Haber B. A robust control approach on diesel engines with dual-loop exhaust gas recirculation systems[M]. Master Thesis, The Ohio State University, 2010.

王曉滕李研芳譯自SAE Paper 2014-01-1357

劉巽俊校

虞展編輯

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收稿日期:( 2014-10-10)