si发动机afr非线性结构预测控制理念与方法研究

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1、SI发动机AFR非线性结构预测控制理念与方法研究第一章绪论1.1问题的提出随着社会经济的飞速发展，人民生活水平不断提高，汽车日益成为人们出行的主要交通工具。据美国权威汽车杂志），这使得汽车尾气排放一直被视为空气污染的主要之一。在西方国家中，约60%的空气污染来自于汽车尾气的排放，其中CO所占比例为69%、xNO为41%、HC为38%、PM为20%[12-14]。而在我国，目前汽车保有量已超过1.04亿辆，并且大多数汽车分布在大中型城市，相对更为集中[15]。因此，汽车尾气对空气的污染更为严重。汽车保有量的快速增长使得全国约五分之一的城市空气受到严重污染，在113个重点城市中

2、，超过三分之一的城市空气质量达不到国家二级标准。有数据表明，目前我国的城市空气污染已由过去的煤烟型污染为主转成机动车污染为主[16;17]。1.2汽车发动机AFR控制国内外研究现状汽车发动机是一个多变量、高度非线性的系统。其内部的诸多变量之间（如：曲轴转速、进气歧管压力、进气歧管温度、喷射燃油的质量流速和节气门位置等）存在强烈耦合。就本文所研究的火花塞点火（Sparkignition，SI）发动机而言，由于发动机活塞、气门等往复的周期运动将使得进气歧管内空气压力、质量流速等产生剧烈的震荡。尤其在SI发动机瞬态工况下，使得进气歧管内的各种参数的动态特性变得更为复杂[38]。此

3、外，由于AFR控制系统还存在着各种滞后环节，如：燃油燃烧后产生的废气到达EGO传感器需要一定的时间、由EGO传感器测得的信号到达汽车电子控制单元（Electroniccontrolunit,ECU）的信号传输时间、ECU计算最优喷油量的时间等。上述诸多问题极大程度上给发动机AFR的精确控制带来了巨大的困难。目前，发动机AFR控制方法通常采用的是以MAP图为基础的控制方法。MAP图加PI反馈的发动机AFR控制方法由于其结构简单、鲁棒性强、稳态无差等一系列优点在发动机的AFR控制上得到了广泛应用。然而，该方法却存在以下几个主要缺点[39]：1).MAP图的制定不具有普遍性。对于

4、不同型号的发动机，MAP图的制定需要进行单独的标定实验。2).MAP图的标定实验需要耗费巨大的人力物力。在MAP图的标定实验中，往往要对发动机在不同的稳态工况下以及瞬态工况下进行大量的PI控制器的控制参数标定实验和开环控制的基本值标定实验。这样的实验工作通常需要一个工作团队耗费两个月的时间才可以完成。.第二章SI发动机AFR系统模型与建模基础2.1引言SI发动机是目前汽车中应用最广泛的一种发动机。SI发动机AFR动态系统建模是发动机AFR非线性模型预测控制的基础和前提。本章首先依据SI发动机的工作原理及动态特性，对SI发动机基准模型MVEM模型进行了深入细致地研究。并以此为

5、基础，对在实际工程中应用较为广泛的几种模型的原理和特点进行了深入细致地分析和讨论。在发动机吸气冲程中，曲轴将会旋转180，活塞在曲轴的作用下，由上止点向下止点运动。在此过程中，发动机正时将进气门打开，排气门关闭。随着活塞的运动，气缸内的容积逐渐增大，发动机进气通道内的油气混合物在负压的作用下被吸入气缸内，并在气缸内进行进一步混合。在此过程中，发动机进气通道内的燃油虽然大部分以油气混合物的形态被吸入气缸；但仍有少部分以油膜的形态残留在进气通道的管壁上。.2.2SI发动机工作原理SI发动机是一种内燃式发动机。它利用火花点火的方式使燃料在发动机内部进行燃烧，并将化学能转化为机械动

6、能。经过多年的研究和发展，SI发动机已经取得了长足的进步，产生了许多性能优良的结构形式。概括地说，SI发动机可分为往复活塞SI发动机、旋转活塞SI发动机和自由活塞SI发动机等。根据其不同的喷油方式，又可分为单点喷射发动机、多点喷射发动机和缸内直喷发动机。其中多点喷射往复活塞SI发动机（以下简称为SI发动机）由于其转速高、运转平稳、结构简单等优点在汽车工业上得到了广泛应用。其内部结构简图如图2.1所示。在汽车行驶过程当中，驾驶员根据实际需要对油门踏板进行调节。车载电子控制单元（Electroniccontrolunit,ECU）根据油门踏板位置的测量值改变发动机节气门角度，以

7、调节通过进入发动机进气歧管内的空气流量。ECU根据该进气流量和发动机的工作参数，计算得出喷射燃油质量流速，并利用喷油器将燃料以油雾的形态喷入发动机进气通道中，与通过进气通道的空气进行油气混合。油气混合物通过发动机进气门进入气缸中，通过火花塞点火的方式将油气混合物引燃。由燃烧产生的气体膨胀推动发动机活塞对外做功。燃烧后产生的废气将通过排气门排出发动机。第三章基于RBF神经网络模型的SI发动机......273.1引言.....273.2非单调可行信赖域SQP优化算法.........273.3基于RBF神经网络模型的