基于平均值模型的柴油机空气系统模型预测控制研究

摘要

随着国Ⅵ及更高排放法规的颁布和实施，国家对柴油机尾气的排放要求越来越严格。对于国Ⅵ柴油机，优先采用机内净化技术将裸机的(NOx)与(PM)排放严格控制在一定范围内。现有的国Ⅳ/Ⅴ柴油机空气系统仅仅通过调节废气再循环(EGR)与可变截面涡轮增压器(VGT)已很难达到NOx与PM的严格排放要求，因而必须增加进气节气门，从而达到更大的EGR率以满足空燃比的控制要求，并将国Ⅵ柴油机裸机的氮氧化物(NOx)与微粒(PM)排放控制在一定范围内，再配合后处理系统以满足排放法规的要求。
　　柴油机空气系统的优化目标主要是控制两类排放:一是微粒PM;二是氮氧化物NOx。微粒和NOx的生成与进气空气流量率(MAF)和进气增压压力(MAP)直接相关，因此，选择二者作为反馈变量设计输出反馈控制器，以对柴油机的主要排放物PM和NOx进行控制。本文由此展开了如下研究:
　　1)利用GT-POWER建立了带有EGR、VGT和节气门的四缸柴油机模型，并在节气门全开的状态下对模型进行稳态及瞬态验证，结果表明，所建立的GT-POWER模型能准确模拟真实发动机的状态。
　　2)对带有EGR、VGT及节气门的四缸柴油机，选取进气歧管压力、进气中冷器压力、排气歧管压力及涡轮转速作为状态建立了发动机平均值模型，并利用所建立的GT-POWER模型对该平均值模型进行验证，结果表明所搭建的平均值模型在稳态和瞬态下的精度分别达到96％和93％，且大大降低了模型的计算量。
　　3)基于平均值模型设计柴油机空气系统模型预测控制算法，其控制目标是使进气空气流量率(MAF)和进气增压压力(MAP)跟踪目标值，以降低PM和NOx排放。同时为了与模型预测控制对比，文中还设计了基于观测器的状态反馈控制器，其中状态观测器对发动机的不可测状态进气中冷器入口压力进行了状态估计。对比表明，模型预测控制算法具有更高的控制精度及鲁棒性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题的背景及研究意义

1．1．1 柴油机的发展趋势

1．1．2 柴油发动机排放污染物

1．1．3 柴油机排放标准

1．1．4 EGR技术的发展

1．1．5 VGT技术的发展

1．1．6 节气门技术

1．1．7 EGR-VGT协调控制研究发展

1．2 课题的研究目标、研究内容以及需要解决的关键问题

1．2．1 研究目标

1．2．2 研究内容

1．2．3 本文所需解决的关键问题

第2章 先进柴油发动机GT-POWER模型

2．1 GT-POWER软件概述

2．2 带有EGR、VGT、节气门的柴油四缸机的建模

2．3 稳态十三工况下的模型计算

2．4 瞬态工况

2．5 本章小结

第3章 发动机平均值模型的simulink建模

3．1 柴油发动机平均值模型

3．1．1 进气中冷器

3．1．2 进气歧管

3．1．3 排气歧管

3．1．4 进气节气门

3．1．5 气缸

3．1．6 EGR阀

3．1．7 涡轮增压器

3．1．8 发动机平均值模型

3．2 模型稳态验证

3．2．1 节气门子模块调整及验证

3．2．2 压缩机子模块调整及验证

3．2．3 涡轮子模型调整及验证

3．2．4 EGR子模型的调整及验证

3．2．5 气缸子模型验证

3．3 模型瞬态验证

3．4 本章小结

第4章 控制器设计

4．1 状态反馈控制器设计

4．2 MPC算法原理简述

4．2．1 预测模型

4．2．2 滚动优化

4．2．3 反馈校正

4．3 基于模型多变量预测控制算法

4．4 基于模型的MPC控制器设计

4．5 本章小结

第5章 仿真结果分析

5．1 仿真模型

5．2 仿真结果及分析

5．2．1 模型在阶跃输入下的控制

5．2．2 模型在瞬态输入下的控制

5．3 带干扰的模型预测控制仿真

5．4 本章小结

总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表的论文