柴油機多模式運行進氣系統(tǒng)的模型預測控制

B.SHIN Y.CHI M.KIM 【美】 P.DICKINSON J.PEKAR M.S.KO

模型預測控制（MPC）方法是1種基于系統(tǒng)的預測動態(tài)模型的控制方法。通過優(yōu)化目標設置點的跟蹤特性、執(zhí)行器的移動速度及限值等各種要素，確定執(zhí)行器的控制位置。目前，線性MPC已成功用于柴油機進氣道的控制，然而大多數(shù)應用開發(fā)是針對僅有1組控制目標設置值的單一運行模式。實際上，單一運行模式并不能涵蓋當前柴油機的所有要求，這使線性MPC的實際應用更為復雜。在多模式運行中，線性化點的變化取決于各種運行模式下的目標設定點，所以基于MPC簡單線性化在實際應用中是有限的。由于目標設置點不同，在特定運行模式的線性模型對于其他運行模式是無效的。此外，現(xiàn)代柴油機進氣通道系統(tǒng)高度非線性化，需要大量的線性模型來充分顯示，不只是發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負荷的全部運行點，還有不同運行模式下的全部特性。本研究利用MPC和部件層非線性補償器的綜合優(yōu)勢，開發(fā)了1種柴油機多模式運行進氣系統(tǒng)的MPC方法，并在柴油機上進行了試驗。新開發(fā)的非線性補償器基于各個部件模型的動態(tài)實時轉(zhuǎn)換。試驗結(jié)果顯示，該方法在多模型運行中的工作效果良好，在使用時無須特定模型的控制策略和標定。研究表明，在標定工作中，尤其是在不需要固定設置點的開發(fā)過程中，該方法具有明顯的優(yōu)勢。

多模式運行;進氣系統(tǒng);監(jiān)督模型預測控制;非線性補償器

0 前言

模型預測控制（MPC）最初源于化學過程控制，具有數(shù)百個輸入和輸出。類似的如線性二次型調(diào)節(jié)器（LQR）控制方法。LQR方法的開發(fā)目的是找出并不受約束的優(yōu)化二次型成本函數(shù)。線性二次型調(diào)節(jié)器具有1個無限預測時域，更容易得到優(yōu)化的狀態(tài)反饋控制。然而，在實際的過程控制中，LQR受到一定的限制，其并未考慮系統(tǒng)的限制或非線性。為得到簡化優(yōu)化算法，THOMAS[1]提出了1種采用滾動時域的線性二次型優(yōu)化估算和控制方法。隨后，RICHALET等[2]提出了1種含有限制因素的MPC方法，這些限制因素在實際應用中易于使用。隨著各種算法的開發(fā)，MARQUIS等[3]在MPC中采用狀態(tài)空間形式建模。為了避免在耗時的模型不匹配檢測中采用強制模擬，JEO等[4]開發(fā)了穩(wěn)健的模型預測方法。MPC通過1個模型預測和對成本函數(shù)的優(yōu)化來控制目標系統(tǒng)。在優(yōu)化階段，通常會使用二次規(guī)劃解算器。在線優(yōu)化問題可迭代解決，但會使發(fā)動機電控單元（ECU）的計算負荷非常高。有研究者開發(fā)了1種顯性替代型優(yōu)化解算器，降低了計算負荷，同時使MPC應用更加方便。這種顯性的優(yōu)化方法在輸入和狀態(tài)條件很少的情況下，使用優(yōu)化的查閱表，運行良好。然而，該方法僅限于狀態(tài)和約束量很少的非常簡單的問題。隨著計算機的發(fā)展，MPC計算負荷的限制逐漸變小，應用增加。MPC的建模方法也隨著時間的推移而得到發(fā)展。從建模的角度來看，MPC可分為線性MPC和非線性MPC。線性MPC利用線性模型預測系統(tǒng)動態(tài)特性，因其在系統(tǒng)建模和控制穩(wěn)定性方面具有優(yōu)勢，廣泛用于各種領域。然而，許多系統(tǒng)本質(zhì)上是非線性的，因此線性方法有時過于受限。這促使人們對非線性MPC進行研究。在1個有限預測時域，非線性MPC在實際使用過程中會產(chǎn)生一些問題，不僅存在建模問題，控制穩(wěn)定性也存在問題。在有限預測時域中，當前狀態(tài)和反饋狀態(tài)（或模型不匹配）之間的不一致會導致穩(wěn)定性變差。為了解決這個問題，研究人員開發(fā)了包括輔助干擾估算的近似算法。最近，作為1種近似算法，研究人員已經(jīng)嘗試將機器學習和神經(jīng)網(wǎng)絡技術(shù)用于非線性系統(tǒng)建模。

最初，MPC應用于采樣時間相對較長的系統(tǒng)，如煉油業(yè)。目前，MPC也用于采樣時間較短的系統(tǒng)，如采樣時間較短的汽車電子系統(tǒng)。MPC在多輸入和多輸出系統(tǒng)（MIMO）中已是1種非常有效的控制方法。近年來，汽車行業(yè)出現(xiàn)了許多實際應用和案例研究文獻，如柴油機氣道系統(tǒng)的MPC研究等。ORTNER等[5]研究表明，相對于比例-積分（PI）控制方法，通過MPC能夠改善柴油機空氣質(zhì)量流量和增壓壓力的控制。IWADARE等[6]采用帶有外源輸入（ARX）模型的自回歸模型對系統(tǒng)進行了建模，并且跟蹤性能比傳統(tǒng)控制方法快得多。KHALED等[7]稱，采用系統(tǒng)化的MPC開發(fā)方法可縮短控制器開發(fā)時間。KARLSON等[8]研究表明，基于線性化模型的MPC改善了煙度排放的不透光度排放。HUANG等[9]的研究表明，非線性MPC可用于柴油機進氣道的實時控制。針對采用廢氣再循環(huán)（EGR）節(jié)流閥、EGR閥和可變截面渦輪增壓器（VGT）的廢氣再循環(huán)率控制，LIAO-MCPHSON等[10]提出了1種監(jiān)督MPC的方法。

上述大多數(shù)關(guān)于進氣道控制的研究，都利用了MPC在多輸入和多輸出中的優(yōu)點。在柴油機進氣道系統(tǒng)中，需要控制很多部件，例如節(jié)氣門、EGR閥和渦輪增壓器執(zhí)行器。因此，系統(tǒng)多輸入和多輸出的特點致使柴油機進氣道系統(tǒng)不易控制。EGR是1種將排氣通過再循環(huán)回到燃燒室的技術(shù)，通過降低燃燒過程中的氣體溫度來降低氮氧化物（NO x ）的產(chǎn)生。目前，業(yè)內(nèi)廣泛采用雙EGR法，因為其具有高度的靈活性。在雙EGR系統(tǒng)中，通過高壓廢氣再循環(huán)（HP EGR）閥或者低壓廢氣再循環(huán)（LP EGR）閥來調(diào)整EGR氣體流量，通過可變截面渦輪葉片位置或進氣歧管節(jié)氣門來調(diào)節(jié)新鮮空氣流量和增壓壓力。執(zhí)行器調(diào)節(jié)每一進氣道位置的氣體流量和氧濃度，但是由于兩者聯(lián)系緊密，難以進行有效控制。

經(jīng)過研究人員的不斷努力，線性MPC已被成功用于柴油機進氣道控制。然而，其研究在僅有1組設定值的單一模式下進行。事實上，最新開發(fā)的柴油機需要不同的運行模式，需要低排放、高效燃油經(jīng)濟性和在各種環(huán)境條件下的穩(wěn)定性。一些典型的柴油機進氣道控制運行模式包括：冷卻液低溫條件下的HP EGR模式、常規(guī)運行下的雙EGR模式、排氣預熱柴油機顆粒捕集器（DPF）再生模式和稀燃NO x 捕集器（LNT）再生所需的排氣富氧模式。每種模式下進氣通道或排氣通道需要有不同的進氣流量和氧濃度。所以，每種運行模式都要求空氣流量和氧濃度等控制參數(shù)具有不同的控制目標設定點。在HP EGR模式下，僅使用HP EGR氣流來保持低溫工況下燃燒的穩(wěn)定性;而在雙EGR模式下，高壓或低壓EGR用于預熱工況。為了凈化催化器中化學吸附的NO x ，柴油機系統(tǒng)需要采用富氧的LNT再生模式。在DPF再生模式下，柴油機系統(tǒng)需要調(diào)節(jié)排氣溫度和氧濃度以燃燒DPF內(nèi)的炭粒，為此必須通過控制進氣道系統(tǒng)來合理控制氣體質(zhì)量流量和氧濃度。

在單一運行模式下，系統(tǒng)可在1個運行點附近將控制系統(tǒng)的動態(tài)特性線性化，以此來創(chuàng)建MPC模型。通過使用調(diào)度概念，例如基于發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負荷等，一些線性化模型可以覆蓋全部工況點。然而，在多模式運行工況下，線性模型的數(shù)量會隨著離散運行模式數(shù)量的增加呈比例上升。如果每種發(fā)動機模式所需的設定點不同，運行工況點發(fā)生變化，那么發(fā)動機在特定模式下的線性化模型就不能普遍適應于其他模式。采用簡單的MPC線化方法，需要大量的局部線性化模型來控制多模式運行下的進氣道系統(tǒng)。在基于MPC的控制開發(fā)中，有關(guān)該主題的研究很少。該研究的難點是在多模式運行工況下，如何有效控制這種復雜的進氣道系統(tǒng)。針對燃油經(jīng)濟性和排放規(guī)定，研究人員在各種模式下對該開發(fā)型發(fā)動機進氣道控制目標的設定點進行了標定。該研究的目標是開發(fā)1種保持目標設定值的控制方法，利用監(jiān)督MPC和部件層非線性補償器的綜合優(yōu)勢，提出1種新的控制方案，并在柴油機上進行了試驗。新開發(fā)的非線性補償器基于部件模型的動態(tài)實時轉(zhuǎn)換。新控制器包括3部分：用于調(diào)整目標設定點的監(jiān)督MPC;非線性補償器的部件層控制;通過虛擬傳感器或者電控單元傳感器進行的狀態(tài)檢測。

1 發(fā)動機進氣道系統(tǒng)

研究人員開發(fā)了1種用于1.6 L柴油機進氣道的控制器。該發(fā)動機以前基于基本ECU控制方法開發(fā)，現(xiàn)已批量生產(chǎn)，標定后滿足當前的排放法規(guī)，包括實際行駛循環(huán)（RDE）排放要求。進氣道系統(tǒng)是發(fā)動機實現(xiàn)高效率和低排放的重要因素之一，這是因為氧含量對燃油能量轉(zhuǎn)化和廢氣凈化催化劑反應有很大影響。圖1為柴油機進氣道系統(tǒng)示意圖。新鮮空氣流過空氣濾清器濾罐和空氣流量傳感器后進入。新鮮空氣與LP EGR氣體混合，經(jīng)渦輪增壓器壓縮。壓縮氣體通過中冷器，經(jīng)進氣節(jié)氣門到達進氣歧管。氣體在進入進氣歧管前與HP EGR氣體混合。混合氣體進入氣缸，參與燃料的燃燒反應，從而實現(xiàn)做功。在排氣過程中，燃燒氣體經(jīng)排氣歧管通過渦輪。燃燒加熱的排氣將能量轉(zhuǎn)移到渦輪端，然后排氣通過選擇性催化還原（SCR）系統(tǒng)被凈化，最終進入大氣。 HP EGR將渦輪上游的氣體重新循環(huán)到進氣歧管，在DPF下游抽取LP EGR氣體，與壓氣機進口的進氣進行混合。

可用的ECU傳感器包括空氣流量計、進氣歧管壓力傳感器，以及位于中冷器出口、LNT進口、DPF進口和SCR系統(tǒng)進口處的溫度傳感器。在LNT進口和DPF出口布置有空氣流量 λ 傳感器。這些 λ 傳感器具有在ECU中編程的自適應功能。針對分析和驗證，研究人員采用了多種附加傳感器，包括氧濃度和碳氧化物濃度分析儀（AVL Puma和Horiba排放系統(tǒng)）。通過所測得的CO2或安裝在中冷器和進氣歧管中的附加 λ 傳感器，技術(shù)人員可以直接測量EGR流量。

1.1 控制目標設定

針對發(fā)動機燃油經(jīng)濟性和排放目標，研究人員制定了氣道系統(tǒng)的控制目標值。該研究的目標是開發(fā)1種保持目標設定值的控制方法。按照批量生產(chǎn)發(fā)動機，控制變量為空氣質(zhì)量流量、進氣歧管內(nèi)的氧濃度、壓氣機進口的氧濃度和節(jié)氣門兩側(cè)的壓差?？勺兘孛鏈u輪增壓器葉片位置的控制或EGR流量對空氣質(zhì)量流量的目標設定點影響極大。進氣歧管的氧濃度取決于空氣質(zhì)量流量、HP EGR流量和LP EGR流量，可通過空氣質(zhì)量流量和LP EGR流量控制壓氣機進口的氧濃度。在HP EGR和LP EGR通路中，通過相應的EGR閥來調(diào)整EGR流量，流量會受到進口壓力、出口壓力和溫度的影響。然而，壓力和溫度也會隨氣流而發(fā)生變化。因此，進氣道系統(tǒng)的多目標設定點不易控制。因其僅須調(diào)整節(jié)氣門位置，節(jié)氣門兩側(cè)的壓差相對易于控制。該進氣道系統(tǒng)的自適應變量為HP EGR閥位置、LP EGR閥位置、可變截面渦輪增壓器渦輪葉片位置和節(jié)氣門位置。為了避免位置偏移，各個執(zhí)行器都具有位置自適應功能。

1.2 柴油機多模式運行

發(fā)動機的實際運行需要各種運行模式來確保良好的燃油經(jīng)濟性，滿足排放法規(guī)，并確保燃燒穩(wěn)定性。該進氣道系統(tǒng)典型的運行模式包括HP EGR模式、雙EGR模式、LNT排氣富氧模式和DPF再生模式。此處不對SCR系統(tǒng)加熱模式等其他模式進行詳述，因為此模式通常僅須改變噴油型式。在HP EGR模式中，EGR氣流在低溫條件下僅通過HP EGR路線。這是因為在低溫條件下，LP EGR氣體水蒸氣冷凝會損壞零部件;EGR氣體溫度過低可能導致燃燒不穩(wěn)定。在發(fā)動機充分預熱后，LP EGR起動，有效確保充足的EGR流量。在該運行模式下，HP EGR也同時起動，這被稱為雙EGR模式。當LNT的NO x 儲存量超過飽和度時，LNT需要將處于排氣富氧狀態(tài)下儲存的NO x 轉(zhuǎn)化為N2，這種排氣富氧狀態(tài)可以通過改變?nèi)紵匦詠韺崿F(xiàn)。在該柴油機中，炭煙在DPF中累積。如同LNT，累積的炭煙超過一定限值后，DPF會氧化其中的炭煙，以防止排氣流堵塞。為了燃燒掉DPF中的炭煙，系統(tǒng)須充分提高排氣溫度，并利用合適的氧濃度來氧化炭煙顆粒。

圖2示出了在各種操作模式下放熱率隨著曲軸轉(zhuǎn)角變化的示例。放熱率曲線示出了油氣燃燒過程中能量轉(zhuǎn)化的方式，并利用所測氣缸壓力、理想氣體定律和熱力學能量平衡定律進行估算。對放熱率進行比較時，即使是在相同的發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負荷下，不同模式之間燃燒過程中的化學反應也是差別巨大。在雙EGR模式下，噴油蒸發(fā)潛熱導致放熱率在上止點后（ATDC）0 °CA前下降。在該曲軸轉(zhuǎn)角之后，隨著主噴燃油開始燃燒，放熱率迅速增加。與雙EGR模式下的放熱率相比，HP EGR模式下的燃燒開啟時間較早。在低溫條件下，如冷卻液溫度在45 ℃時，燃燒穩(wěn)定性很重要，燃燒相位提前。相比之下，在LNT排氣富氧模式和DPF再生模式下，由于后噴原因，放熱率持續(xù)的曲軸轉(zhuǎn)角向后推延。在LNT排氣富氧模式下，后噴會改善氣缸內(nèi)局部的氧化過程，所以排氣的氧濃度較大。后噴會提高DPF再生模式下的排氣溫度。然而，僅通過燃油噴射不可能改變?nèi)紵匦?。放熱率曲線與進氣道控制參數(shù)高度相關(guān)，如空氣質(zhì)量流量、氧濃度和噴油型式。

在不同運行模式下，合適的進氣道系統(tǒng)的控制目標設定點是不同的，因此需要許多控制目標設定點。表1示出了試驗發(fā)動機所選的控制執(zhí)行方式。在LNT排氣富氧模式下，不可使用LP EGR模式，因為會有過量的炭煙累積于DPF內(nèi)，因此LP EGR的響應要低于HP EGR。在DPF再生模式下，不可使用HP EGR，以防止過量的高溫廢氣進入進氣通道。這些氣體通道的選擇性使用會增加進氣道系統(tǒng)控制的難度。

2 控制系統(tǒng)設計

2.1 監(jiān)督MPC的結(jié)構(gòu)

新控制方法的特點是通過MPC來調(diào)整高層設定點，而非直接計算執(zhí)行器的需求。圖3示出了總體控制模塊、目標設定點和狀態(tài)反饋。MPC作為監(jiān)督控制器，接收各模式下的高層目標設定點，通過狀態(tài)反饋調(diào)整這些設定點達到目標。MPC利用被調(diào)整的設定點確定部件層參考基準值，尤其是HP EGR流量、LP EGR流量，以及進氣節(jié)氣門兩側(cè)的壓差和渦輪功率。為了滿足協(xié)調(diào)設定點的目標值，可以基于理想的氣體定律、質(zhì)量守恒定律和能量平衡定律來確定部件層設定點。根據(jù)部件層的這些設定點，非線性補償器可以推導出所需的執(zhí)行器位置。

在該方法中，MPC的作用是通過反饋信號協(xié)調(diào)相關(guān)的目標設定點變量。對于協(xié)調(diào)而言，采用1種線性模型就足夠了，而不用考慮其運行模式。為了能夠通過基于MPC的線性化模型直接控制執(zhí)行器，各個計劃點和各種運行模式都需要許多線性化模型（圖4）。線性化模型的數(shù)量與運行模式的數(shù)量成比例增長。線性化模型基于通常處于穩(wěn)態(tài)的平衡點。如果控制目標設定點隨每種對應的運行模式改變，則其平衡點也會變化。

研究人員利用一階動態(tài)模型，通過其目標設定點調(diào)整實際輸出。這些目標設定值中，MPC中不包括進氣節(jié)氣門兩側(cè)的壓差，直接被轉(zhuǎn)移到部件層目標設定點，因為壓差與其他設定點的相互作用相對較小。一階傳遞函數(shù)的時間常數(shù)（ τ1、τ2和τ3 ）是通過用于系統(tǒng)識別的動態(tài)測試確定的。在MPC協(xié)調(diào)控制目標設定點后，進氣道系統(tǒng)模型可以估算部件層設定點，如HP EGR流量、LP EGR流量、壓差和渦輪功率等。非線性補償器決定執(zhí)行器位置，以達到部件層控制控制目標設定點。

通過虛擬傳感器或ECU傳感器可以觀察目標設定點的輸出。MPC會利用檢測到的狀態(tài)來調(diào)整協(xié)調(diào)的設定點，以達到系統(tǒng)高層設定點。

2.2 MPC監(jiān)督協(xié)調(diào)

在控制器結(jié)構(gòu)配置中，MPC的作用是監(jiān)督協(xié)調(diào)控制目標設定點。MPC的控制目標源自ECU的設定點，根據(jù)各種運行模式，如空氣流量、進氣歧管氧濃度和壓氣機進口氧濃度，作為查找表來執(zhí)行。通過MPC協(xié)調(diào)設定點，可以減少部件層設定點計算或非線性補償器導致的跟蹤錯誤。此外，MPC可以調(diào)整高層控制目標相關(guān)的跟蹤速度。圖5示出了在反饋范圍內(nèi)MPC的動態(tài)監(jiān)督協(xié)調(diào)控制。在確定反饋上限和下限時，研究人員需要考慮包括非線性補償器在內(nèi)的總體模型性能。通過二次規(guī)劃方法導出的成本函數(shù)優(yōu)化結(jié)果，來推導MPC調(diào)整的設定點。這種二次規(guī)劃方法是使用具有投影功能的主動集求解器開發(fā)的，可加快對最終約束集的識別。

通過1組非線性補償器可以處理非線性極強的發(fā)動機動態(tài)特性。這些補償器足以對發(fā)動機的動態(tài)特性進行線性化，如此采用1組線性模型可實現(xiàn)監(jiān)督控制，而無須考慮運行模式。

2.3 非線性補償器

在該研究中，這些補償器基于非線性逆動力學進行底層控制。逆動力學由LANE等提出，可用于部件的飛行控制，可以覆蓋整個飛行范圍。PADHI等在其傳熱控制研究中進一步精確了該方法。圖6簡要說明了本研究中所使用的非線性補償器的概念。非線性補償器通過諸如部件層設定點（ r ）、當前輸出（ y ）、當前狀態(tài)（ x ）和之前的執(zhí)行器位置（ u （ k -1））等影響因素的靈敏度進行計算，推導出執(zhí)行器位置（圖6）。

2.4 基于虛擬傳感器的部件模型

對整個進氣道系統(tǒng)所有的未測量狀態(tài)進行估測需要幾種部件模型。針對難以用ECU傳感器測量的特殊狀態(tài)，研究人員開發(fā)了基于虛擬傳感器的模型。盡管進氣道中的氧濃度可以通過氣體分析儀或 λ 傳感器進行測量，但出于諸如成本和耐久性等問題的原因，在實際生產(chǎn)的發(fā)動機中幾乎是不可能的。EGR流量也不易直接測量。因此，通過物理模型與可用的ECU真實傳感器相結(jié)合，虛擬傳感器是非常有用的。

圖7示出了非線性補償器HP EGR閥的有效流通面積變化情況。其中， K c可以調(diào)節(jié)控制環(huán)時間，并通過動態(tài)發(fā)動機試驗測試確定每個部件的有效流通面積變化。該模型以多項式形式構(gòu)建，便于ECU的高效應用。

圖中： A HP EGR表示HP EGR閥的有效流通面積; h 1表示部件模型; p 3表示渦輪進口壓力; p 2表示進氣歧管壓力; T HP EGR表示HP EGR進氣口溫度; r 表示HP EGR流量目標設定點; y 表示HP EGR實際流量; ?K c表示可調(diào)參數(shù)。

在以功率形式開發(fā)渦輪增壓器的部件模型中，渦輪增壓器通過渦輪內(nèi)的高溫廢氣膨脹回收能量，是1種能量回收部件?；厥盏哪芰坑脕硗ㄟ^壓氣機壓縮進氣?？勺兘孛鏈u輪增壓器通過調(diào)節(jié)葉片來調(diào)節(jié)可回收能量，反過來又會影響渦輪進口壓力。任何工況下的可用功率都取決于渦輪出口壓力、渦輪進口溫度和渦輪質(zhì)量流量等狀態(tài)。

利用渦輪功率的部件模型，線性補償器確定了所需的渦輪進口壓力，以提供足夠的功率來達到壓氣機質(zhì)量流量目標。通過壓氣機和渦輪能量效率，壓氣機流量的目標設定點可簡單地轉(zhuǎn)化為所需的渦輪功率。隨后，使用基于渦輪特性圖的多項式，將所需的渦輪進口壓力映射到相應的葉片位置。

在本研究中，研究人員采用虛擬傳感器構(gòu)建部件模型。這些虛擬傳感器是通過若干步驟開發(fā)的，如物理建模、穩(wěn)態(tài)和動態(tài)階躍試驗測試的參數(shù)識別，以及ECU應用的數(shù)字化。圖8對比了在全球統(tǒng)一的輕型車試驗規(guī)程（WLTP）下的一些重要參數(shù)。盡管存在一些偏差，但是這些虛擬傳感器的性能適合于所研發(fā)控制器。

3 試驗結(jié)果

首先，研究人員采用模擬方式檢查所開發(fā)的進氣道系統(tǒng)控制器，然后在實際發(fā)動機和車輛上進行了性能測試。為了簡化起見，本研究采用采用通過Simulink開發(fā)的控制器，然后使用快速原型工具利用旁通功能完成實施。

在發(fā)動機試驗臺上，運行模式的快速改變，類似于1個階躍輸入，從1種運行模式轉(zhuǎn)化為另1種運行模式。圖9示出了這種運行模式的突然改變。所有目標設定點均來自含有噴油規(guī)律在內(nèi)的基礎ECU。這些試驗的目標是檢測新開發(fā)方法的控制性能。隨著運行模式的轉(zhuǎn)變，高層目標設定點突然變化。在發(fā)動機試驗臺上進行快速模式更改后的性能測試之后，研究人員還需要根據(jù)WLTC工況測試車輛的控制性能，并需要更改某些操作模式。

3.1 常規(guī)運行模式

除非要求起動LNT和DPF等催化凈化裝置，柴油機一般在常規(guī)模式下運行，如HP EGR和雙EGR模式。通過將運行模式從雙EGR模式轉(zhuǎn)換為HP EGR模式，研究人員對控制性能進行了測試。圖10示出了高層目標設定點的跟蹤性能。當運行模式改為HP EGR模式時，壓氣機進口的氧濃度設定點為0.23（質(zhì)量分數(shù)），等同于大氣環(huán)境條件，LP EGR流量為零。在雙EGR模式下，同時使用HP EGR和LP EGR，但是在極端運行模式轉(zhuǎn)換的發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負荷工況下，僅使用LP EGR。雖然HP EGR通常用于低溫工況，但如果對冷卻液溫度進行調(diào)整，則運行模式會突然發(fā)生改變。因此，研究人員強行改變此模式，迫使設定點產(chǎn)生1個階躍變化。將實際進氣質(zhì)量流量與源自基礎ECU的目標設定點比較時，發(fā)動機的控制性能良好，轉(zhuǎn)換完成較好。設定點突然變化，進氣歧管和壓氣機進口氧濃度的控制良好。在轉(zhuǎn)換期間，進氣質(zhì)量流量的偏差與確保HP EGR流量有關(guān)，這源于本研究特定的性能控制。如果模型中HP EGR兩側(cè)的壓差不足以滿足EGR要求，那么系統(tǒng)將采用VGT來達到更高的渦輪進口壓力，由此減少瞬態(tài)NO x 排放。對設定點進行適合的標定后，這種功能僅在瞬態(tài)工況下起作用。如圖11所示，渦輪功率暫時高于設定點，這提高了HP EGR的進口壓力。如果渦輪進口壓力高于所需壓力，則渦輪增壓器的壓氣機將加快工作，從而導致空氣進氣質(zhì)量流量的增加。由于HP EGR氣流來自渦輪進口，故渦輪進口和HP EGR進口壓力處于相同位置。

3.2 LNT排氣富氧運行模式

作為1種廢氣排放凈化裝置，LNT可以在比SCR系統(tǒng)激活溫度更低的廢氣溫度下儲存NO x 。然而，如果儲存的NO x 超過預定值，則LNT需要進入排氣富氧狀態(tài)，將累積的NO x 轉(zhuǎn)化為N2，通過控制進氣道要求和燃油噴射模式，實現(xiàn)排氣富氧狀態(tài)。在模式轉(zhuǎn)換試驗中，燃油噴射設定點目標值也會發(fā)生改變，因為ECU所有的目標設定點都需要保持不變。如圖2所示，因為噴油模式有很大的變化，這比正常運行模式更具挑戰(zhàn)性。針對各種運行模式，基型ECU控制方法需要采用不同的控制策略，如不同的渦輪增壓器控制方法。大多數(shù)常規(guī)運行模式使用閉環(huán)控制，而開環(huán)控制則用于LNT排氣富氧狀態(tài)。在該情況下，研究人員需要進行額外的標定控制工作。圖12和圖13示出了運行模式從雙EGR模式轉(zhuǎn)換為LNT排氣富氧模式時的性能控制。

由于在常規(guī)運行模式中提及的原因，進氣質(zhì)量流量存在一些瞬態(tài)偏差，但仍可以將排氣質(zhì)量系數(shù) λ 很好地控制在0.95左右，以形成排氣富氧狀態(tài)。2種模式之間的目標設定值差異很大，但是控制性能仍可以接受，并且可以可靠地控制 λ 值。第2次轉(zhuǎn)換的持續(xù)時間大約為38 s，即使渦輪進口壓力下降到最低水平，與進氣歧管壓力相同，渦輪功率也不能達到目標值，這是因為在運行模式轉(zhuǎn)換的短時間內(nèi)，在廢氣富氧狀態(tài)下，通過調(diào)整渦輪進口壓力降低排氣能量的增量存在限制。

3.3 DPF再生運行模式

為防止DPF被大量累積的的積炭阻塞，系統(tǒng)需要使用DPF再生模式。在DPF再生模式下，不使用HP EGR，這是因為過高的排氣溫度會導致進氣管路高溫，并導致硬件損壞。DPF再生模式的主要目的是利用合適的氧含量提高排氣溫度。如果氧濃度過高，生成的熱過量，會導致DPF熱損壞。與其他運行模式相比較，DPF再生模式下炭煙的燃燒將被控制的較為緩慢。圖14和圖15示出了運行模式從雙EGR模式切換到DPF再生模式期間控制進氣道系統(tǒng)所需參數(shù)。檢驗結(jié)果顯示，在運行模式轉(zhuǎn)換期間，進氣質(zhì)量流量略有上沖和下沖，控制性能是合理的。如圖14所示，DPF進口溫度升高達到620 ℃，并且通過該控制方案保持穩(wěn)定。

如圖15所示，渦輪功率突然變化，導致進氣質(zhì)量流量略有上沖和下沖。盡管對HP EGR流量沒有要求，但是LP EGR流量所需的目標設定值大幅下降，壓氣機的氣體流量必須快速適應EGR流動中的這種階躍變化。因此，預計所對應的渦輪功率設定值也會大幅變化。從雙EGR模式到DPF再生模式的模式改變試驗顯示，所開發(fā)的控制器可很好地用于快速響應模式，也可以用于響應較慢的運行模式。在各種情況下，使用新構(gòu)建的基于物理的模型，能對具有不同動態(tài)響應需求的多模式運行進行有效控制。

3.4 車輛試驗

在典型的進氣道系統(tǒng)多模式運行工況下，在發(fā)動機試驗臺上測試控制性能后，研究人員進行了車輛試驗，以檢測包括運行模式轉(zhuǎn)換在內(nèi)的目標設定點動態(tài)變化時的控制性能。在底盤測功機試驗中，研究人員選擇了乘用車，并且為新的進氣道控制器增裝了額外的試驗設備。該車輛的發(fā)動機與發(fā)動機試驗中的發(fā)動機規(guī)格相同。車輛試驗在WLTC工況下進行，這是1種典型的底盤測功機驗證循環(huán)，試驗條件等同于認證條件。表2為車輛控制性能相關(guān)參數(shù)，圖16為車輛在WLTC循環(huán)測試中高層設定點的性能控制。盡管運行模式發(fā)生了一些變化，但是跟蹤性能等同于或優(yōu)于基本ECU控制器。在表2中，研究人員通過均方根誤差（RMSE）對比了控制跟蹤性能。RMSE用來衡量2個值之間的偏差，偏差值越小表明跟蹤性能越好。表2中不包含壓降，因為基本ECU可以通過開環(huán)控制該值，以確保穩(wěn)定性。

如圖16所示，因為是在冷卻液低溫條件下，運行模式始于HP EGR模式。隨著冷卻液溫度的升高，為了使用HP EGR和LP EGR 2種模式，存在模式的轉(zhuǎn)換變化。在1 200 s以后，系統(tǒng)首次進入LNT廢氣富氧模式。在氧濃度的控制中，一些區(qū)域存在較大的偏差。在發(fā)動機低轉(zhuǎn)速和低負荷的特定區(qū)域，這些偏差是顯而易見的。在這些區(qū)域內(nèi)，使用ECU前饋表格來控制LP EGR流量和/或渦輪功率，確保與ECU策略具有可對比。利用預先確定的執(zhí)行器閥位置對局部區(qū)域進行控制的方法通常被用于模型和傳感器高度不確定的區(qū)域，ECU會自動調(diào)整標設定值，以滿足基本ECU的高水平目標設定值。

在WLTC工況下，MPC監(jiān)督協(xié)調(diào)的反饋范圍分別是：進氣質(zhì)量流量±22 kg/h、進氣歧管氧濃度±0.007 5（質(zhì)量分數(shù)）、壓氣機進口氧濃度±0.007 5（質(zhì)量分數(shù)）。為了達到基礎ECU高層目標設定點，ECU對目標設定點進行指示調(diào)整。在本研究中，ECU通過反饋范圍確定調(diào)整范圍。如果非線性補償器和模型的精確性更高，技術(shù)人員則可進一步減小調(diào)整范圍，使ECU能更快地控制系統(tǒng)。

4 結(jié)論

本文提出了1種新的進氣道系統(tǒng)的控制方案，并在柴油機上進行了試驗?？刂品桨咐玫讓臃蔷€性補償器和MPC監(jiān)督的綜合優(yōu)勢，開發(fā)的非線性補償器基于部件模型的實時動態(tài)轉(zhuǎn)換。在新的控制結(jié)構(gòu)中，MPC監(jiān)督調(diào)整高層設定點，確保穩(wěn)態(tài)零偏移的快速跟蹤。研究人員采用一階轉(zhuǎn)換函數(shù)對調(diào)整動態(tài)特性進行了建模，對非線性補償器控制HP EGR質(zhì)量流量、LP EGR質(zhì)量流量、渦輪功率和進氣節(jié)氣門壓差的部件層設定目標點。研究人員將MPC和非線性補償器相結(jié)合，比采用其他方法更有效地處理非線性系統(tǒng)的線性化工作，這是因為發(fā)動機的線性化原則上可以通過使用非線性補償器來實現(xiàn)。

發(fā)動機試驗臺模式轉(zhuǎn)換試驗表明，即使在設定點變化幅度大的情況下，新開發(fā)的控制方法也能很好地工作，可輕易地處理各種模式下的不同要求。在不同情況下，使用新構(gòu)建的基于物理學的模型，能在多模式 運行中進行有效控制。車輛試驗表明，相對于基礎ECU控制器，基于對RMSE控制誤差的評估，可成功使用新控制方案的控制特性。發(fā)動機試驗臺架和底盤測功機試的驗結(jié)果表明，本研究所提議方法的顯著優(yōu)勢在于無須特定模式的控制策略和標定。在諸如柴油機進氣道系統(tǒng)等多模式運行的復雜系統(tǒng)的開發(fā)工作中，這種優(yōu)勢顯而易見。

[1]THOMAS Y A. Linear quadratic optimal estimation and control with receding horizon[J]. Electronics Letters ，1975，11：19-21.

[2]RICHALET J， RAULT A， TESTUD J L， et al. Model predictive heuristic control[J]. Automatica， 1978.

[3]MARQUIS P， BROUSTAIL J P， SMOC A. Bridge between state space and model predictive controllers： application to the automation of a hydrotreating unit[J]. IFAC Proceedings， 1988， 21（4）.

[4]JOE Q S， BADGWELL T A. A survey of industrial model predictive control technology[J]. Control Engineering Practice， 2003，11（7）.

[5]ORTNER P， LANGTHALER P， ORTIZ J V G， et al. MPC for a diesel engine air path using an explicit approach for constraint systems[C]. IEEE International Symposium on Intelligent Control， 2006.

[6]IWADARE M， UENO M， ADACHI， S. Multi-variable air-path management for a clean diesel engine using model? predictive control[C].SAE Technical Paper 2009-01-0733.

[7]KHALED N， CUNNINGHAM M， PEKAR J， et al. Multivariable control of dual loop EGR diesel engine with a variable geometry turbo[C].SAE Technical Paper 2014-01-1357.

[8]KARLSSON M， EKHOLM K， STRANDH P， et al. Multiple-input multiple-output model predictive control of a diesel engine[J]. IFAC Proceedings， 2010.

[9]HUANG M， LIAO-MCPHERSON D， KIM S， et al. Toward real-time automotive model predictive control： a perspective from a diesel air path control development[C]. Annual American Control Conference （ACC）， 2018.

[10]LIAO-MCPHERSON D， KOLMANOVSKY I， HUANG M， et al. Supervisory model predictive controller for diesel engine emissions control[P]. U.S. Patent， 10422290， 2019.

高英英 曹杰 張然治 譯自 SAE Paper 2020-01-0269

虞 展 編輯

（收稿時間：2021-02-09）