si發(fā)動機(jī)afr非線性結(jié)構(gòu)預(yù)測控制理念與方法研究

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1、SI發(fā)動機(jī)AFR非線性結(jié)構(gòu)預(yù)測控制理念與方法研究第一章緒論1.1問題的提出隨著社會經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人民生活水平不斷提高，汽車日益成為人們出行的主要交通工具。據(jù)美國權(quán)威汽車雜志），這使得汽車尾氣排放一直被視為空氣污染的主要之一。在西方國家中，約60%的空氣污染來自于汽車尾氣的排放，其中CO所占比例為69%、xNO為41%、HC為38%、PM為20%[12-14]。而在我國，目前汽車保有量已超過1.04億輛，并且大多數(shù)汽車分布在大中型城市，相對更為集中[15]。因此，汽車尾氣對空氣的污染更為嚴(yán)重。汽車保有量的快速增長使得全國約五分之一的城市空氣受到嚴(yán)重污染，在113個重點城市中

2、，超過三分之一的城市空氣質(zhì)量達(dá)不到國家二級標(biāo)準(zhǔn)。有數(shù)據(jù)表明，目前我國的城市空氣污染已由過去的煤煙型污染為主轉(zhuǎn)成機(jī)動車污染為主[16;17]。1.2汽車發(fā)動機(jī)AFR控制國內(nèi)外研究現(xiàn)狀汽車發(fā)動機(jī)是一個多變量、高度非線性的系統(tǒng)。其內(nèi)部的諸多變量之間（如：曲軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣歧管壓力、進(jìn)氣歧管溫度、噴射燃油的質(zhì)量流速和節(jié)氣門位置等）存在強(qiáng)烈耦合。就本文所研究的火花塞點火（Sparkignition，SI）發(fā)動機(jī)而言，由于發(fā)動機(jī)活塞、氣門等往復(fù)的周期運動將使得進(jìn)氣歧管內(nèi)空氣壓力、質(zhì)量流速等產(chǎn)生劇烈的震蕩。尤其在SI發(fā)動機(jī)瞬態(tài)工況下，使得進(jìn)氣歧管內(nèi)的各種參數(shù)的動態(tài)特性變得更為復(fù)雜[38]。此

3、外，由于AFR控制系統(tǒng)還存在著各種滯后環(huán)節(jié)，如：燃油燃燒后產(chǎn)生的廢氣到達(dá)EGO傳感器需要一定的時間、由EGO傳感器測得的信號到達(dá)汽車電子控制單元（Electroniccontrolunit,ECU）的信號傳輸時間、ECU計算最優(yōu)噴油量的時間等。上述諸多問題極大程度上給發(fā)動機(jī)AFR的精確控制帶來了巨大的困難。目前，發(fā)動機(jī)AFR控制方法通常采用的是以MAP圖為基礎(chǔ)的控制方法。MAP圖加PI反饋的發(fā)動機(jī)AFR控制方法由于其結(jié)構(gòu)簡單、魯棒性強(qiáng)、穩(wěn)態(tài)無差等一系列優(yōu)點在發(fā)動機(jī)的AFR控制上得到了廣泛應(yīng)用。然而，該方法卻存在以下幾個主要缺點[39]：1).MAP圖的制定不具有普遍性。對于

4、不同型號的發(fā)動機(jī)，MAP圖的制定需要進(jìn)行單獨的標(biāo)定實驗。2).MAP圖的標(biāo)定實驗需要耗費巨大的人力物力。在MAP圖的標(biāo)定實驗中，往往要對發(fā)動機(jī)在不同的穩(wěn)態(tài)工況下以及瞬態(tài)工況下進(jìn)行大量的PI控制器的控制參數(shù)標(biāo)定實驗和開環(huán)控制的基本值標(biāo)定實驗。這樣的實驗工作通常需要一個工作團(tuán)隊耗費兩個月的時間才可以完成。.第二章SI發(fā)動機(jī)AFR系統(tǒng)模型與建?；A(chǔ)2.1引言SI發(fā)動機(jī)是目前汽車中應(yīng)用最廣泛的一種發(fā)動機(jī)。SI發(fā)動機(jī)AFR動態(tài)系統(tǒng)建模是發(fā)動機(jī)AFR非線性模型預(yù)測控制的基礎(chǔ)和前提。本章首先依據(jù)SI發(fā)動機(jī)的工作原理及動態(tài)特性，對SI發(fā)動機(jī)基準(zhǔn)模型MVEM模型進(jìn)行了深入細(xì)致地研究。并以此為

5、基礎(chǔ)，對在實際工程中應(yīng)用較為廣泛的幾種模型的原理和特點進(jìn)行了深入細(xì)致地分析和討論。在發(fā)動機(jī)吸氣沖程中，曲軸將會旋轉(zhuǎn)180，活塞在曲軸的作用下，由上止點向下止點運動。在此過程中，發(fā)動機(jī)正時將進(jìn)氣門打開，排氣門關(guān)閉。隨著活塞的運動，氣缸內(nèi)的容積逐漸增大，發(fā)動機(jī)進(jìn)氣通道內(nèi)的油氣混合物在負(fù)壓的作用下被吸入氣缸內(nèi)，并在氣缸內(nèi)進(jìn)行進(jìn)一步混合。在此過程中，發(fā)動機(jī)進(jìn)氣通道內(nèi)的燃油雖然大部分以油氣混合物的形態(tài)被吸入氣缸；但仍有少部分以油膜的形態(tài)殘留在進(jìn)氣通道的管壁上。.2.2SI發(fā)動機(jī)工作原理SI發(fā)動機(jī)是一種內(nèi)燃式發(fā)動機(jī)。它利用火花點火的方式使燃料在發(fā)動機(jī)內(nèi)部進(jìn)行燃燒，并將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械動

6、能。經(jīng)過多年的研究和發(fā)展，SI發(fā)動機(jī)已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步，產(chǎn)生了許多性能優(yōu)良的結(jié)構(gòu)形式。概括地說，SI發(fā)動機(jī)可分為往復(fù)活塞SI發(fā)動機(jī)、旋轉(zhuǎn)活塞SI發(fā)動機(jī)和自由活塞SI發(fā)動機(jī)等。根據(jù)其不同的噴油方式，又可分為單點噴射發(fā)動機(jī)、多點噴射發(fā)動機(jī)和缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)。其中多點噴射往復(fù)活塞SI發(fā)動機(jī)（以下簡稱為SI發(fā)動機(jī)）由于其轉(zhuǎn)速高、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點在汽車工業(yè)上得到了廣泛應(yīng)用。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡圖如圖2.1所示。在汽車行駛過程當(dāng)中，駕駛員根據(jù)實際需要對油門踏板進(jìn)行調(diào)節(jié)。車載電子控制單元（Electroniccontrolunit,ECU）根據(jù)油門踏板位置的測量值改變發(fā)動機(jī)節(jié)氣門角度，以

7、調(diào)節(jié)通過進(jìn)入發(fā)動機(jī)進(jìn)氣歧管內(nèi)的空氣流量。ECU根據(jù)該進(jìn)氣流量和發(fā)動機(jī)的工作參數(shù)，計算得出噴射燃油質(zhì)量流速，并利用噴油器將燃料以油霧的形態(tài)噴入發(fā)動機(jī)進(jìn)氣通道中，與通過進(jìn)氣通道的空氣進(jìn)行油氣混合。油氣混合物通過發(fā)動機(jī)進(jìn)氣門進(jìn)入氣缸中，通過火花塞點火的方式將油氣混合物引燃。由燃燒產(chǎn)生的氣體膨脹推動發(fā)動機(jī)活塞對外做功。燃燒后產(chǎn)生的廢氣將通過排氣門排出發(fā)動機(jī)。第三章基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的SI發(fā)動機(jī)......273.1引言.....273.2非單調(diào)可行信賴域SQP優(yōu)化算法.........273.3基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的