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柴油機非線性模型的預(yù)測控制

提出了一種對柴油機空氣路徑控制的預(yù)測模型。研究內(nèi)容為柴油機的空氣路徑管理，通過協(xié)調(diào)相關(guān)的VGT（可變截面渦輪增壓）系統(tǒng)，EGR（廢氣再循環(huán)）控制閥和EGR節(jié)氣門執(zhí)行器來完成控制。該方法結(jié)合了非線性元件控制和顯式模型預(yù)測控制。由于線性模型在非線性控制中的應(yīng)用，使得模型更線性化，這有助于在預(yù)測控制中應(yīng)用，并且減少了計算量。

發(fā)動機非線性模型通過數(shù)據(jù)的均值、灰箱建模方法進行了驗證，在模型中的主要動態(tài)部分為進氣歧管壓力、排氣歧管壓力、渦輪增壓器轉(zhuǎn)速、預(yù)節(jié)流壓力、EGR冷卻器出口溫度、進氣歧管氣流密度、排氣歧管氣流密度、進氣歧管燃燒氣體的體積分數(shù)、排氣歧管燃燒氣體的體積分數(shù)和發(fā)動機溫度。模型的輸入量是發(fā)動機轉(zhuǎn)速、加油率、VGT占空比、EGR節(jié)氣門關(guān)閉的百分比和EGR閥開放的百分比。模型輸出為壓力、溫度和各個發(fā)動機組件中燃燒氣體的體積分數(shù)。

柴油機建模由于相互聯(lián)系的組件和子系統(tǒng)較多，且各組件間是非線性，因此模型建立很復(fù)雜。迭代方法可以提高模型的精度，最開始是實現(xiàn)組件級的匹配，然后是匹配子系統(tǒng)級，最后匹配整體試驗數(shù)據(jù)。通過使用此方法，從靜態(tài)和瞬態(tài)測試中得到的數(shù)據(jù)集來建立和設(shè)計合適的控制模型。在每一個區(qū)，非線性模型線性化，產(chǎn)生一個10階線性模型。采用平衡截斷技術(shù)降低模型的階次。基于Hankel奇異值和初步分析MPC（控制預(yù)測程序設(shè)計），可以使線性模型的階數(shù)減少到2階。降低線性模型階數(shù)是非常有利的，如控制器容量減少。

采用非線性控制，特別是對部分位置倒裝的EGR流量閥和VGT升值及VGT的占空比通過預(yù)測控制，證明此方法可以減少計算復(fù)雜度，同時可實現(xiàn)良好的跟蹤性能和非線性模型模擬固定約束的能力。

總體而言，非線性模型的模擬和初步臺架試驗表明，在柴油機的氣路控制方面非線性預(yù)測控制是很有前途的。

Huang，Mike. 2013 American Control Conference，ACC 2013，Washington，DC，United states，June 17，2013- June 19，2013.

編譯：袁建昆