基于极点优化配置的发动机空燃比控制器设计

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1、基于极点优化配置的发动机空燃比控制器设计徐天宇1,陈彦昌1,姚杰1,何德峰1（1.浙江工业大学信息工程学院，浙江杭州310023）摘要：针对燃油发动机的燃油油膜动力学子系统，以发动机的空燃比精确控制为最终目标，采用基于状态空间模型的极点配置方法设计控制器。为确定适当的目标极点，提出根据主导极点概念，利用坐标轮换法搜索最优参数，从而确定目标极点的方法。最后通过仿真实验，验证所提出方法有较好的空燃比控制效果，为空燃比精确控制提供了一种新的思路。关键词：油膜;空燃比;极点配置;主导极点;坐标轮换法中图分类号:TP273　　文献标识码:AThedesignofair-fuelra

2、tiocontrollerforSIenginebasedonoptimizedpole-placementXUTian-yu1,CHENYan-chang1,YAOJie1，HEDe-feng(1.SchoolofInformationEngineering,ZhejiangUniversityofTechnology,HangzhouZhejiang310023,China)Abstract:ForfuelfilmdynamicsubsystemofaSIengine,usingthemethodofpole-placementbasedonstatespacemod

3、eltodesignacontrolleraimtoaccuratelycontrolair-fuelratioofaSIengine.Inordertodeterminetheappropriatetargetpoles,onbasisoftheconceptofpredominantpoleatechniquetodeterminethetargetpolesemployingthemethodofcoordinatealternationwasproposed.Finally,simulationexperimentverifiedtheeffectivenesso

4、fthemethodobtainedwhichprovideanewthinkingofair-fuelratioaccuratecontrol.Keywords:fuelfilm;air-fuelratio;pole-placement;predominantpole;coordinatealternationmethod1引言燃油发动机作为汽车和农业机械的主要动力源，其应用量不断增加。同时，燃油发动机的尾气排放带来了严重的空气污染问题[1-2]；而且由于不可再生资源石油的不断消耗，也带来能源短缺问题。这对发动机排放性能和动力性能提出了严峻的挑战。三效催化器的使用很好的

5、减少了尾气污染和提高了燃油燃烧效率，但是其工作环境要求空燃比在14.7（±3%）范围内[3-4]。可见，空燃比的准确控制具有非常重要的经济价值和环保价值[5]。燃油发动机，由于燃油喷射在进气歧管中而不是气缸中，有部分燃油蒸汽会在节气门后和进气歧管壁接触并液化形成燃油油膜。实际进入气缸的燃油质量由油膜蒸发和未液化部分燃油蒸汽共同组成。稳态时，油膜液化和蒸发量趋于稳定，易于控制；瞬态时，由于发动机喷油量与油膜参数变化导致稳定状态破坏，难以控制。这是空燃比难以控制的主要因素之一[6-8]，为消除油膜的影响，绝大多数燃油发动机采用基于油膜模型的前馈补偿策略，油膜特性参数由MAP图

6、或拟合多项式给出，这需要大量的试验，并且随着燃油发动机的磨损，补偿效果变差[9]。随着处理器技术的进步，运算速度提高，价格下降，以及现代控制理论的进步使得现代控制技术在发动机空燃比控制中的优势更加明显[10-11]。国内外学者也在这方面做了很多研究，文献[12-13]提出基于神经网络的空燃比控制方法；文献[14]提出基于自适应方法的空燃比控制策略；文献[15]提出基于模型的空燃比控制方法。本文在分析发动机平均值模型[16-18]的基础上，针对燃油油膜子系统进行控制器设计，基于油膜状态空间模型，使用极点配置方法设计跟踪控制器处理油膜子系统。对于目标极点的确定，提出根据主导极

7、点概念，用坐标轮换法优化极点参数，从而确定目标极点的方法。期望消除油膜影响，从而达到空燃比的精确控制。2极点优化配置跟踪控制器设计考虑被控对象的状态空间模型如下：(1)其中，为系统状态变量，为输入变量，为输出变量，、和为恰当维数的常数矩阵。对于上述模型的增广系统状态空间模型(2)其中为阶跃参考输入，由式确定。(3)考虑设计一个稳定化状态反馈控制器，就可以保证系统的输出y跟踪阶跃参考输入并且当增广系统是完全能控的时候，可以通过适当确定反馈增益矩阵K来配置增广系统的闭环极点从而使得闭环系统具有期望的动态特性。闭环极点的配置可以通过