汽油发动机转速变增益鲁棒控制的研究

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1、南京航空航天大学博士学位论文摘要随着现代车辆性能的不断提高，对发动机全工况内转速控制提出了更高的要求，例如转速控制的鲁棒稳定性和自适应性、调节过程的快速性和平稳性等，从而使得发动机转速控制系统的研究更具挑战性，需要更先进的设计理论和方法。针对现有发动机转速鲁棒控制算法具有很大的保守性，不能保证发动机在其整个工作范围内都具有良好的控制品质。本文基于变增益思想，完成了某汽油发动机转速变增益鲁棒控制的研究。主要研究内容及创新如下：基于发动机平均值模型的建模思想，依据所研究发动机的结构参数和实验数据，考虑负

2、载扭矩特性和节气门执行器特性，建立了二冲程汽油发动机动力装置模型。在MatlabSimulink环境下对所建发动机模型进行了数值仿真分析，结果表明所建发动机模型能够反映发动机特性，为汽油发动机转速控制系统的设计分析和仿真计算打下了基础；基于Takagi-Sugeno(T-S)模糊和区域极点配置理论，给出了一种新的具有极点约束的H模∞糊变增益方法，证明了系统的稳定性和全局性。设计了满足极点约束和H性能的多目标汽油发∞动机转速控制器，所设计控制器在发动机整个工作范围内具有连续增益，避免了传统变增益控制

3、方法的增益切换问题。在此基础上，考虑发动机建模误差及各种不确定因素，考虑具有外界干扰的不确定T-S模糊模型，提出了一种新的具有极点约束的鲁棒H模糊变增益控制方法，证∞明了所设计控制系统的鲁棒稳定性和全局性。基于此方法设计了汽油机鲁棒转速控制器，通过仿真验证了所提方法的有效性。模糊变增益方法基于分而治之的思想，将非线性控制设计问题分解为多个线性子问题来处理，不需精确的数学模型，为复杂非线性系统提供了一种有效的模糊智能控制方法；基于线性变参数系统和多胞的概念，结合H性能和极点配置目标，给出了一种多胞变增

4、益∞H控制方法，证明了所设计控制系统的全局性。基于二次D-稳定和二次H性能概念，利用多∞∞胞特性将整个控制器设计转化为对胞体顶点控制器的设计，减少了计算量，利于控制应用。基于所给出的多胞变增益H控制方法和汽油机多胞LPV模型，设计了汽油发动机转速控制器，∞通过引入节气门、转速的测量值，控制器可随汽油发动机动态特性的变化而变化，使控制系统沿着所有参数轨迹都能保持良好的稳定性和动态性能，通过仿真验证了所提方法的有效性。该方法适合于具有精确LPV模型的非线性系统的变增益控制，并具有一定的保守性；为了降低多

5、胞变增益H控制器设计的保守性，利用参数依赖Lyapunov函数方法，考虑参∞数变化率，导出了系统稳定性条件。应用投影引理引入附加矩阵W，消除了Lyapunov函数和系统矩阵之间的耦合，提出了一种设计变增益H控制器的新方法，给予了理论证明。利用多凸∞I汽油发动机转速变增益鲁棒控制的研究概念，将变参数及其变化率空间的无穷LMIs求解转化为其顶点集的LMIs凸优化求解，大大减少了计算量，易于数值实现。基于所提出的降保守性多胞变增益H控制方法和汽油机多胞LPV∞模型，设计了汽油发动机转速控制器，仿真验证了所

6、提方法的有效性；为了验证所设计汽油发动机转速控制算法的有效性，设计并搭建了控制器硬件在环仿真实验平台，对上述控制算法进行了硬件在环仿真验证。仿真实验结果表明，三种控制方法的控制效果都优于传统变增益PID控制，在改变发动机设定转速时，转速控制精度满足要求；改变发动机的负载时，转速超调量达到了所提出的控制目标。控制器硬件在环仿真实验有效地降低了实验成本、缩短了控制器的开发周期。本文对变增益鲁棒控制进行了深入研究，为现代汽油发动机的转速控制问题提供了新的解决方案，同时也为其它动力装置的转速控制提供重要的理

7、论参考依据。关键词：发动机建模，变增益控制，T-S模糊，线性变参数，鲁棒控制，H∞性能，线性矩阵不等式II南京航空航天大学博士学位论文AbstractWithmodernvehiclesperformanceimprovedcontinuously,ahigherdemandisproposedtoaddressenginespeedcontrolforthefulloperatingenvelope,suchasthespeedcontrolrobuststabilityandadaptabili

8、ty,theadjustmentprocessintherapidandsmooth,sothatenginespeedcontrolsystemismorechallengingandneedsmoreadvanceddesigntheoryandmethods.Theexistingrobustenginespeedregulationalgorithmsareveryconservative.Itisnotguaranteedthattheenginehasgo