一种HCCI燃烧基于模型的解耦及抗扰控制方法

摘要

本发明公开了一种HCCI燃烧基于模型的解耦及抗扰控制方法，包括：基于模型的解耦控制，ADRC，前馈控制，以及对气门机构动作延迟的自适应补偿控制。步骤为：基于HCCI燃烧的控制模型，设计解耦补偿器，将HCCI系统转化为多个独立的SISO系统；对各个SISO系统的传递函数求逆，得到前馈控制器；为每一个SISO系统分别设计ADRC控制器,实时观测和补偿模型的偏差和外界的随机干扰；实时估计气门机构的动作延迟，主动推迟喷油动作，获得与气门机构相同的响应速度。本发明可显著降低HCCI控制模型的建模负担以及控制器参数的标定工作量，对发动机工况变化的鲁棒性高，燃烧过程控制更稳定。

主权项

一种HCCI燃烧基于模型的解耦及抗扰控制方法,包括：与被控HCCI发动机(010)相连的基于HCCI燃烧的控制模型的解耦控制模块(007)，ADRC模块，前馈控制模块，以及气门机构动作延迟自适应补偿模块，其特征在于：所述ADRC模块包括Gross IMEP的ADRC模块(004)，CA50的ADRC模块(005)和Lambda的ADRC模块(006)；所述前馈控制模块包括Gross IMEP前馈控制模块(001)，CA50前馈控制模块(002)和Lambda前馈控制模块(003)；所述的气门机构动作延迟自适应补偿模块包括气门机构动态特征的补偿控制模块(008)和气门机构动作延迟在线估计模块(009)；将上述基于HCCI燃烧的控制模型的解耦控制模块、ADRC模块、前馈控制模块以及气门机构动作延迟自适应补偿模块相结合，按照下述步骤构成HCCI燃烧的抗扰及解耦复合控制：步骤1：HCCI燃烧的控制模型的建立该模型采用三输入三输出线性模型，其阶次范围是2～10，其输入包括进气门关闭时刻(IVC)，排气门关闭时刻(EVC)，发动机每循环喷油量(mf_inj)；其输出包括燃烧相位(CA50)，毛平均指示有效压力(Gross IMEP),过量空气系数(Lambda)；其表达形式是状态空间模型或自回归滑动平均模型，并用最小二乘法辨识模型的参数；步骤2：基于HCCI燃烧的控制模型的解耦控制基于HCCI燃烧的控制模型，建立传递函数矩阵G_p(s)，采用补偿器解耦方法，建立解耦控制器；即，解耦控制模块G_c(s)＝G_p(s)^‑1·G_w(s)，其中，G_w(s)是解耦后的目标矩阵，为对角矩阵：a为进气门关闭时刻(IVC)与燃烧相位(CA50)之间传递函数的静态增益系数，b为排气门关闭时刻(EVC)与毛平均指示有效压力(GrossIMEP)之间传递函数的静态增益系数，c为发动机每循环喷油量(mf_inj)与过量空气系数(Lambda)之间传递函数的静态增益系数，所述静态增益系数是指当传递函数中s为零时的比例系数；ρ为待标定的常数,用以调节对角矩阵的时间常数，ρ的取值范围为0.1～10，该对角矩阵每一个对角线上的元素即为解耦后系统转成的三个单输入单输出系统；步骤3：前馈控制对解耦后的三个SISO系统求逆，分别与延迟环节并联， 形成前馈控制矩阵其中，m为待标定增益系数，其取值范围为0.5～2.0，τ为时间常数，用以调整前馈控制模块的响应速度,其取值范围为0.1～10；所述Gross IMEP前馈控制模块(001)，CA50前馈控制模块(002)和Lambda前馈控制模块(003)的输入分别为Gross IMEP设定值，CA50设定值和Lambda的设定值；所述Gross IMEP前馈控制模块(001)与Gross IMEP的ADRC模块(004)的输出相加，所述CA50前馈控制模块(002)与CA50的ADRC模块(005)的输出相加，所述Lambda前馈控制模块(003)与Lambda的ADRC模块(006)的输出相加；步骤4：ADRC将模型和真实发动机之间的偏差视为扰动，基于其中的扩张状态观测器对扰动实时估计和补偿；所述Gross IMEP的ADRC模块(004)，CA50的ADRC模块(005)和Lambda的ADRC模块(006)的输入均分别包括各自的设定值和实际值；将所述Gross IMEP的ADRC模块(004)，CA50的ADRC模块(005)和Lambda的ADRC模块(006)的输出分别与Gross IMEP前馈控制模块(001)，CA50前馈控制模块(002)和Lambda前馈控制模块(003)的输出相加，然后均作为解耦控制器的输入；ADRC参数的整定方法为：选择ADRC的观测带宽ω_o选择为n/1200，其中n为被控HCCI发动机转速，单位为转/分钟；选择ADRC的控制带宽ω_c等于ω_o；依据“增大系统物性常数b₀可降低系统调节速度，减小系统物性常数b₀可提高系统调节速度”的基本规律，根据系统响应速度需求，确定b₀；减小ω_c，同时增大ω_o，微调系统响应速度，此处ω_o的取值范围为n/1200～n/240，ω_c的取值范围为ω_o/10～ω_o；步骤5：气门机构动作延迟自适应补偿控制：首先，将排气门关闭时刻EVC的动态调整过程看作一阶惯性环节:EVC_Acutal(k)＝e^‑1/T·EVC+(1‑e^‑1/T)·EVC_Actual(k‑1)其中，k为被控HCCI发动机的工作循环编号，EVC_Acutal为被控HCCI发动机排气门的实际关闭时刻，e^‑1/T代表排气门关闭时刻调节速度的时间常数，EVC为被控HCCI发动机的排气门关闭时刻最终设定值；将上式转换为：其中:y＝[EVC_Acutal(k)‑EVC_Acutal(k‑1)]，θ＝e^‑1/T；采用带有遗忘因子的线性递推最小二乘法，利用气门机构动作延迟在线估计模块(009)对θ在线估计；基于θ的估计值，利用气门机构动态特征的补偿控制模块(008)对喷油动作进行主动延迟处理：其中，mf_inj为被控HCCI发动机最终实际执行的每循环喷油量，为θ的估计值，mf_inj_1为基于HCCI燃烧的控制模型的解耦控制模块、前馈控制模块及ADRC模块得到的被控HCCI发动机的每循环喷油量初步设定值，k是被控HCCI发动机运行的工作循环编号。