火花点火式汽油发动机的燃空比控制方法研究

发布时间：2017-09-06 23:17

  本文关键词：火花点火式汽油发动机的燃空比控制方法研究

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【摘要】：火花点火式汽油发动机的燃空比(Fuel-Air Ratio,FAR)控制要求是根据进气量调整喷油量,使缸内FAR在理论化学计量比附近很窄的范围内变化,最大化三元催化转换器的净化作用,达到低排放的目的。由于其重要的理论和工程意义,长期以来FAR控制的研究始终得到了国内外学者的广泛关注。本文紧密结合工程应用背景,以提高火花点火式汽油发动机FAR控制性能为目的,对火花点火式汽油发动机的FAR控制问题进行了深入分析与研究。本文综述了FAR控制的研究现状,分析了影响火花点火式汽油发动机FAR控制性能的因素,设计了一种时滞依赖增益调度FAR控制器,以解决传输时滞对FAR控制的影响问题;针对进气流量快速变化等瞬态工况下湿壁效应影响无法忽略的问题,提出了一种湿壁效应估计器和时滞依赖FAR控制器联合设计的方法;针对氧传感器老化等不确定性和可变传输时滞问题,探讨了一种FAR鲁棒控制器设计方法。本文第二章按照FAR系统工质流动顺序讨论了火花点火式汽油发动机FAR建模问题。针对火花点火式汽油发动机存在的湿壁效应,给出了油膜质量变化率的数学描述。在此基础上,考虑了蒸发排放和进气流量估计误差对FAR的影响,讨论了混合气在缸内滞留以及排气歧管中传输时滞等原因和描述方式,给出了一种反映湿壁效应、蒸发排放及可变传输时滞特征的火花点火式汽油发动机FAR状态方程描述。为了分析本章给出的模型精度以及影响精度的因素,本章描述了基于TESIS公司发动机仿真软件en DYNA的高精度FAR仿真系统构建方法,并在多种工况下应用仿真方法分析了蒸发排放、进气估计误差和湿壁效应对模型精度的影响。结果表明,蒸发排放对FAR的影响主要体现为蒸发排放气体中燃油的影响;进气流量估计误差直接影响火花点火式汽油发动机FAR;湿壁效应对FAR的影响主要体现在迅速打开或关闭节气门等瞬态工况。火花点火式汽油发动机FAR系统中的传输时滞随工况发生变化,使得FAR控制具有可变时滞特征。本文第三章研究了具有时滞变化的FAR控制器设计问题。为了提高控制精度,减小保守性,在FAR控制器设计过程中保留被控对象中的可变传输时滞信息,并考虑到传输时滞与进入气缸的空气流量和发动机转速有关,且在较大范围内变化的特点,给出一种根据时滞大小改变控制器增益的时滞依赖记忆控制器设计方法。本章给出的方法可提高FAR的控制精度,并减小时滞变化范围较大带来的控制器保守性。仿真结果表明,本章设计控制器具有较好的扰动抑制性能和期望FAR跟踪性能。但湿壁现象增加时,会导致控制性能的下降。节气门迅速打开或关闭等瞬态工况将引起进气压力和进气流量的剧烈变化。此时,湿壁效应的影响会增加。对此,本文第四章研究了考虑湿壁效应和传输时滞变化的FAR控制器设计方法。针对湿壁效应无法通过传感器测量的问题,第四章建立了湿壁效应估计方程,给出了一种具有变化时滞的湿壁效应估计方法,导出了保证估计器收敛的线性矩阵不等式,获得一种参数依赖的观测器增益求取方法。在此基础上,设计了一种补偿湿壁效应和根据时滞大小改变控制器增益的时滞依赖记忆控制器。仿真结果表明,本章给出的FAR控制器在稳态工况和瞬态工况下均具有较好的期望FAR跟踪性能和扰动抑制性能。氧传感器老化将引起FAR模型参数的变化,导致FAR控制性能下降。本文第五章对此进行了研究。为了便于分析研究,第五章采用基于输入输出响应特性辨识得到的实验模型,将FAR控制问题转化为具有有界未知时滞和参数不确定的一阶时滞系统跟踪问题,提出了一种具有参数和时滞不确定系统的鲁棒控制器设计方法。本章给出的方法充分考虑了被控对象的有界未知输入时滞和参数不确定这一特性,能够根据实际工况调整控制器增益,提高了控制性能。仿真结果表明,氧传感器老化时,本章设计的控制器具有较好的FAR跟踪性能及扰动抑制性能。
【关键词】：火花点火式汽油发动机 FAR控制 传输时滞 湿壁效应 时滞依赖
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK411
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 第1章 绪论12-25
• 1.1 课题背景及研究意义12-13
• 1.2 汽油机燃空比系统的概述13-15
• 1.3 国内外研究现状及分析15-24
• 1.3.1 国内外研究现状16-23
• 1.3.2 目前研究中存在的问题23-24
• 1.4 本文主要研究内容24-25
• 第2章 汽油机燃空比系统建模与分析25-41
• 2.1 引言25
• 2.2 汽油机燃空比系统建模25-28
• 2.3 汽油机燃空比系统模型分析28-40
• 2.3.1 仿真环境构建29-31
• 2.3.2 影响燃空比模型精度的因素分析31-35
• 2.3.3 燃空比模型对比分析35-40
• 2.4 本章小结40-41
• 第3章 汽油机燃空比系统的增益调度时滞依赖控制器设计41-62
• 3.1 引言41-42
• 3.2 预备知识42-43
• 3.2.1 矩阵交叉项界定方法42
• 3.2.2 变限的含参变量积分42-43
• 3.2.3 Schur补引理43
• 3.2.4 锥补线性化43
• 3.3 控制模型及控制问题描述43-45
• 3.4 控制器设计及实现45-53
• 3.4.1 控制器设计与分析45-51
• 3.4.2 控制器实现51-53
• 3.5 仿真研究53-61
• 3.5.1 扰动抑制性能53-55
• 3.5.2 期望燃空比跟踪性能55-57
• 3.5.3 不同燃空比控制器对比分析57-59
• 3.5.4 瞬态工况下燃空比控制性能的影响分析59-61
• 3.6 本章小结61-62
• 第4章 考虑湿壁效应的汽油机燃空比控制器设计62-78
• 4.1 引言62
• 4.2 基于观测器的燃空比控制器设计62-68
• 4.2.1 湿壁效应观测器设计62-67
• 4.2.2 基于观测器的控制器设计67-68
• 4.3 仿真研究68-77
• 4.3.1 时滞依赖的观测器性能分析68-73
• 4.3.2 基于观测器的控制器性能分析73-77
• 4.4 本章小结77-78
• 第5章 考虑传感器老化的汽油机燃空比系统鲁棒控制器设计78-102
• 5.1 引言78
• 5.2 控制问题描述78-81
• 5.3 控制器设计及分析81-91
• 5.4 仿真研究91-101
• 5.4.1 扰动抑制性能92-96
• 5.4.2 期望燃空比跟踪性能96-98
• 5.4.3 燃空比控制器对比分析98-101
• 5.5 本章小结101-102
• 结论102-104
• 参考文献104-113
• 攻读博士学位期间发表的论文及其他成果113-115
• 致谢115-116
• 个人简历116

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本文编号：806013