基于模型辨識(shí)的渦輪增壓汽油機(jī)控制系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于控制技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 渦輪增壓是一種利用汽車(chē)排出的尾氣來(lái)對(duì)進(jìn)氣空氣進(jìn)行壓縮的技術(shù)，該技術(shù)能夠 明顯提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性，且對(duì)改善燃油經(jīng)濟(jì)性和降低排放都有深遠(yuǎn)意義，現(xiàn)今已逐步成 為汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域重要的發(fā)展方向。由于渦輪增壓汽油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)具有時(shí)變時(shí)滯特性，導(dǎo) 致渦輪增壓汽油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)存在以下問(wèn)題： 1.渦輪增壓汽油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)由于本身的機(jī)械結(jié)構(gòu)特性，導(dǎo)致輸出扭矩對(duì)廢棄旁通閥的 響應(yīng)存在時(shí)滯，這使得發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩存在延時(shí)現(xiàn)象，不能立刻滿(mǎn)足駕駛員的需求，降低了 汽車(chē)的舒適性。
[0003] 2.目前市面上大多對(duì)渦輪增壓汽油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的控制方法是策略控制，這類(lèi)控 制方法不能根據(jù)工況實(shí)時(shí)做出反映，而且也沒(méi)有考慮時(shí)滯特性對(duì)輸出扭矩的影響，進(jìn)而導(dǎo) 致增壓器不能完全的發(fā)揮作用，使得渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性下降。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是根據(jù)渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的時(shí)滯特點(diǎn)，設(shè)計(jì)基于模型辨識(shí)的 PID控制器，使發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩不受時(shí)滯的影響，從而能夠快速的滿(mǎn)足駕駛員扭矩需求的基 于模型辨識(shí)的渦輪增壓汽油機(jī)控制系統(tǒng)。
[0005] 本發(fā)明的步驟是： ① 針對(duì)渦輪增壓汽油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性設(shè)計(jì)激勵(lì)數(shù)據(jù)： 激勵(lì)數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)和輸出數(shù)據(jù)的獲?。?選取的激勵(lì)數(shù)據(jù)為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門(mén)角度和廢氣閥角度，選取的激勵(lì)數(shù)據(jù)中，轉(zhuǎn)速的 范圍是：1500rpm~5000rpm，節(jié)氣門(mén)角度范圍：15°~60°，廢氣閥角度范圍：0°~60° ; ② 將激勵(lì)所獲得的輸入輸出數(shù)據(jù)構(gòu)造出渦輪增壓進(jìn)氣系統(tǒng)的增量型輸出方程： 將激勵(lì)所獲得的輸入輸出數(shù)據(jù)構(gòu)造出系統(tǒng)的輸出方程 通過(guò)離線的輸入輸出數(shù)據(jù)得到具有時(shí)變時(shí)滯特性的渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的輸入 輸出Hankel矩陣：現(xiàn)時(shí)時(shí)刻輸入矩陣Up;未來(lái)時(shí)刻輸入矩陣Uf和現(xiàn)時(shí)時(shí)刻輸出矩陣Yp; 未來(lái)時(shí)刻輸出矩陣Yf:

L· ?7」 通過(guò)求解最小二乘，得出輸出方程中的兩個(gè)矩陣Lw和Lu，
激勵(lì)數(shù)據(jù)構(gòu)造出系統(tǒng)的輸出方程為：
即為通過(guò)子空間辨識(shí)方法估計(jì)的系統(tǒng)未來(lái)輸出值，得到輸出方程； 最后，為了引入積分抑制作用，將輸出方程轉(zhuǎn)化為增量型輸出方程，完成對(duì)具有時(shí)變時(shí) 滯特性模型的辨識(shí)； ③設(shè)計(jì)基于模型辨識(shí)的PID控制系統(tǒng)： 通過(guò)模型辨識(shí)方法獲取渦輪增壓進(jìn)氣系統(tǒng)的時(shí)滯特征，采用兩個(gè)PID分別控制節(jié)氣門(mén) 開(kāi)度和禍輪排氣閥開(kāi)度，控制器的輸入是由期望扭矩Tqr、辨識(shí)模型輸出扭矩Tqb、實(shí)際輸 出扭矩Tq共同決定 e= (Tqr-Tqb) + (Tqr-Tq)，這樣設(shè)計(jì)的基于模型辨識(shí)的PID控制系統(tǒng)能夠?qū)Φ溳喸鰤?進(jìn)氣系統(tǒng)的時(shí)變時(shí)滯特性進(jìn)行補(bǔ)償控制。
[0006] 本發(fā)明將輸出方程轉(zhuǎn)化為增量型輸出方程的過(guò)程是：
為現(xiàn)時(shí)時(shí)刻輸出矩陣中當(dāng)前時(shí)刻與上一時(shí)刻的差值， ^:1?為現(xiàn)時(shí)時(shí)刻
輸入矩陣中當(dāng)前時(shí)刻與前一時(shí)刻的差值；切為當(dāng)前時(shí)刻輸出值， 為渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的輸入狀態(tài)未來(lái)時(shí)刻矩陣中的當(dāng)前時(shí)刻與前一時(shí)刻 的差值。
[0007] 本發(fā)明設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)不依賴(lài)渦輪增壓進(jìn)氣系統(tǒng)的狀態(tài)方程，并且能夠改善時(shí)滯 對(duì)系統(tǒng)輸出的影響，控制算法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的有益效果是： 1.本發(fā)明采用子空間辨識(shí)的方法對(duì)渦輪增壓汽油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的特性進(jìn)行精確辨識(shí)，這 樣得到的辨識(shí)模型可以準(zhǔn)確的反映出系統(tǒng)的時(shí)變時(shí)滯特性，從而為解決渦輪增壓汽油機(jī)存 在的扭矩輸出延時(shí)問(wèn)題提供條件。
[0008] 2.本發(fā)明利用辨識(shí)模型的偏差和實(shí)際輸出偏差作和，采用PID方法設(shè)計(jì)進(jìn)氣控 制系統(tǒng)。這樣可以很好的改善被控對(duì)象的時(shí)滯特性，減小渦輪增壓汽油機(jī)的扭矩輸出延 時(shí)，使得輸出扭矩能夠很快的跟蹤上期望扭矩，且由于PID結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)時(shí)性好，便于控制 系統(tǒng)的工程化實(shí)現(xiàn)。
【附圖說(shuō)明】
[0009] 圖1是渦輪增壓汽油機(jī)氣路系統(tǒng)控制框圖； 圖2是系統(tǒng)激勵(lì)數(shù)據(jù)圖； 圖3是系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)； 圖4是辨識(shí)模型驗(yàn)證1 (激勵(lì)）； 圖5是辨識(shí)模型驗(yàn)證1 (輸出扭矩）； 圖6是辨識(shí)模型驗(yàn)證2 (激勵(lì)）； 圖7是辨識(shí)模型驗(yàn)證2 (輸出扭矩）； 圖8是渦輪增壓汽油機(jī)控制系統(tǒng)仿真模型； 圖9是本發(fā)明搭建的控制器； 圖10是普通PID控制器； 圖11是期望扭矩； 圖12是對(duì)比發(fā)明控制器(階躍輸入和實(shí)際輸出）； 圖13是對(duì)比發(fā)明控制器(控制器輸出）； 圖14是對(duì)比普通PID(階躍輸入和實(shí)際輸出）； 圖15是對(duì)比普通PID(控制器輸出）。
【具體實(shí)施方式】
[0010] 本發(fā)明的步驟是： ① 針對(duì)渦輪增壓汽油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性設(shè)計(jì)激勵(lì)數(shù)據(jù)： 激勵(lì)數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)和輸出數(shù)據(jù)的獲?。?選取的激勵(lì)數(shù)據(jù)為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門(mén)角度和廢氣閥角度，選取的激勵(lì)數(shù)據(jù)中，轉(zhuǎn)速的 范圍是：1500rpm~5000rpm，節(jié)氣門(mén)角度范圍：15°~60°，廢氣閥角度范圍：0°~60° ; 此激勵(lì)數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)包含系統(tǒng)的各個(gè)工況，且廢氣閥的每個(gè)動(dòng)作都有對(duì)應(yīng)的輸出扭矩， 因此能夠辨識(shí)出渦輪增壓進(jìn)氣系統(tǒng)由于增壓器而引起的時(shí)變時(shí)滯特性；將激勵(lì)數(shù)據(jù)輸入到 具有時(shí)變時(shí)滯特性的渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的Simulink模型中得到系統(tǒng)的輸出扭矩， 通過(guò)子空間辨識(shí)的方法將激勵(lì)數(shù)據(jù)和輸出扭矩進(jìn)行處理得到辨識(shí)模型； ② 將激勵(lì)所獲得的輸入輸出數(shù)據(jù)構(gòu)造出渦輪增壓進(jìn)氣系統(tǒng)的增量型輸出方程： 將激勵(lì)所獲得的輸入輸出數(shù)據(jù)構(gòu)造出系統(tǒng)的輸出方程 通過(guò)離線的輸入輸出數(shù)據(jù)可以得到具有時(shí)變時(shí)滯特性的渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的 輸入輸出Hankel矩陣Up;Uf和Yp;Yf:

通過(guò)求解最小二乘，得出輸出方程中的兩個(gè)矩陣Lw和Lu，
激勵(lì)數(shù)據(jù)構(gòu)造出系統(tǒng)的輸出方程為：
p/·即為通過(guò)子空間辨識(shí)方法估計(jì)的系統(tǒng)未來(lái)輸出值，得到輸出方程； 最后，為了引入積分抑制作用，將輸出方程轉(zhuǎn)化為增量型輸出方程，完成對(duì)具有時(shí)變時(shí) 滯特性模型的辨識(shí)； ③設(shè)計(jì)基于模型辨識(shí)的PID控制系統(tǒng)： 通過(guò)模型辨識(shí)方法獲取渦輪增壓進(jìn)氣系統(tǒng)的時(shí)滯特征，采用兩個(gè)PID分別控制節(jié)氣門(mén) 開(kāi)度和禍輪排氣閥開(kāi)度，控制器的輸入是由期望扭矩Tqr、辨識(shí)模型輸出扭矩Tqb、實(shí)際輸 出扭矩Tq共同決定 e= (Tqr-Tqb) + (Tqr-Tq)，這樣設(shè)計(jì)的基于模型辨識(shí)的PID控制系統(tǒng)能夠?qū)Φ溳喸鰤?進(jìn)氣系統(tǒng)的時(shí)變時(shí)滯特性進(jìn)行補(bǔ)償控制。
[0011] 本發(fā)明將輸出方程轉(zhuǎn)化為增量型輸出方程的過(guò)程是： 其中

Δ?/.Ρ為現(xiàn)時(shí)時(shí)刻輸出矩陣中當(dāng)前時(shí)刻與上一時(shí)刻的差值， &::_彡為現(xiàn)時(shí)時(shí)刻輸入矩陣中當(dāng)前時(shí)刻與前一時(shí)刻的差值#|i|為當(dāng)前時(shí)刻輸出值， 為渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的輸入狀態(tài)未來(lái)時(shí)刻矩陣中的當(dāng)前時(shí)刻與前一時(shí)刻 的差值。
[0012] 以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的描述： 本發(fā)明所述的渦輪增壓汽油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的控制是通過(guò)軟件系統(tǒng)的仿真實(shí)現(xiàn)。采用的軟 件是Matlab/Simulink。在Simulink軟件中進(jìn)行對(duì)禍輪增壓進(jìn)氣系統(tǒng)的輸入輸出數(shù)據(jù)采 集、控制器的搭建和系統(tǒng)的仿真。用Μ文件實(shí)現(xiàn)輸入輸出數(shù)據(jù)的處理。
[0013] 從功能上說(shuō)本發(fā)明包括以下幾部分：帶有時(shí)變延時(shí)的渦輪增壓汽油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng) Simulink仿真模型、渦輪增壓汽油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)時(shí)滯辨識(shí)模型及PID控制器模塊。下面詳細(xì) 說(shuō)明各部分的作用： 渦輪增壓汽油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)Simulink仿真模型模擬真實(shí)的被控對(duì)象，主要作用是能夠 準(zhǔn)確的模擬實(shí)際汽油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的功能及時(shí)滯特征，為模型辨識(shí)提供準(zhǔn)確的輸入輸出數(shù) 據(jù)； 渦輪增壓汽油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)辨識(shí)模型的主要過(guò)程是通過(guò)設(shè)計(jì)的激勵(lì)對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行充 分激勵(lì)，得到輸入輸出數(shù)據(jù)，采用子空間辨識(shí)方法，對(duì)系統(tǒng)的時(shí)滯特性進(jìn)行有效辨識(shí)，獲得 精確的辨識(shí)模型。
[0014] PID控制器模塊是利用辨識(shí)模型輸出與期望值之間的偏差，實(shí)際輸出與期望值之 間的偏差，兩個(gè)偏差之和計(jì)算出控制信號(hào)，對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行精確控制。
[0015] 本發(fā)明的控制系統(tǒng)控制框圖如圖1所示，圖中輸入是期望扭矩，兩個(gè)PID是在 Simulink中搭建的，分別控制節(jié)氣門(mén)角度和廢氣閥角度，輸入均為辨識(shí)模型的偏差與實(shí)際 輸出偏差之和；辨識(shí)模型是通過(guò)子空間辨識(shí)方法得到的帶有時(shí)變時(shí)滯特性的渦輪增壓汽油 機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)模型；汽油機(jī)Simulink模型是用Simulink搭建的禍輪增壓汽油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)模 型。
[0016] 本發(fā)明的控制目標(biāo)是，控制系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)反饋信號(hào)，控制發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行，使實(shí)際扭 矩跟蹤上期望扭矩且控制器的輸出平順。
[0017] 本發(fā)明提供了一套基于以上運(yùn)行原理和運(yùn)行過(guò)程的裝置。搭建以及運(yùn)行過(guò)程如 下： 1.軟件選擇 該系統(tǒng)模型是通過(guò)軟件Matlab進(jìn)行搭建，軟件版本分別為MatlabR2013a，求解器選 擇為ode3。仿真步長(zhǎng)為定步長(zhǎng)，步長(zhǎng)選擇為0.002s。被控對(duì)象和控制器仿真模型通過(guò)軟件 Matlab/Simulink進(jìn)行搭建。
[0018] 2.時(shí)變時(shí)滯信號(hào)的設(shè)計(jì) 本發(fā)明的被控對(duì)象為Simulink模型，需在被控對(duì)象中加入時(shí)變時(shí)滯信號(hào)。因此，本發(fā) 明在渦輪增壓汽油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的渦輪與機(jī)械連桿、排氣歧管與廢氣閥兩部分中加入時(shí)變時(shí) 滯信號(hào)，時(shí)變時(shí)滯信號(hào)范圍為0. 2s~0. 6s。
[0019] 時(shí)變時(shí)滯：時(shí)滯是時(shí)間滯后的簡(jiǎn)稱(chēng)，是指某一行為從啟動(dòng)到產(chǎn)生結(jié)果的時(shí)間段，時(shí) 變時(shí)滯是指時(shí)滯的大小隨時(shí)間變化。
[0020] 3.控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 本發(fā)明的被控對(duì)象是帶有時(shí)變時(shí)滯的渦輪增壓汽油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)，控制目標(biāo)是改善時(shí)變 時(shí)滯現(xiàn)象對(duì)輸出扭矩的影響，使節(jié)氣門(mén)開(kāi)度和廢氣閥開(kāi)度變化平滑，無(wú)尖峰脈沖。本發(fā)明的 控制算法是由子空間辨識(shí)和PID控制相結(jié)合構(gòu)成的。這種方法的特點(diǎn)是不需要用被控對(duì)象 的傳遞函數(shù)或狀態(tài)方程來(lái)設(shè)計(jì)控制器，而是通過(guò)用子空間辨識(shí)方法辨識(shí)帶有變時(shí)滯的渦輪 增壓汽油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)，得到辨識(shí)模型，進(jìn)而設(shè)計(jì)基于PID的控制系統(tǒng)。
[0021] 1).激勵(lì)數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)和輸出數(shù)據(jù)的獲取 首先需要針對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)募?lì)數(shù)據(jù)。本發(fā)明選取的激勵(lì)數(shù)據(jù)為發(fā)動(dòng)機(jī) 轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門(mén)角度和廢氣閥角度，選取的激勵(lì)數(shù)據(jù)中，轉(zhuǎn)速的范圍是：1500rpm~5000rpm， 節(jié)氣門(mén)角度范圍：15°~60°，廢氣閥角度范圍：0°~60°。將激勵(lì)數(shù)據(jù)輸入到渦輪增壓 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的Simulink模型中得到系統(tǒng)的輸