汽油发动机中若干非线性估计与控制问题研究随着油耗、排放法规的不断升级以及人们对汽车驾驶舒适型及动力性要求的不断提高,国内外很多学者和汽车生产厂商联合起来不断加快对汽车发动机新技术及相关电控技术产品的研究和开发,新技术的应用引入了诸多新型电控执行器,增加了动力学耦合的复杂程度,使得汽油机电控系统的设计越来越复杂。为了缩短控制系统设计的开发周期,减小标定的工作量,并提高控制性能,各国汽车研究机构在基于模型的控制系统设计方面展开了大量研究。本文结合非线性控制理论,基于反馈线性化、Backstepping和输入到状态稳定性(Input to State Stability, ISS)的设计理论,围绕汽油发动机中的典型控制问题展开研究,其中包括发动机气路控制系统设计、电子节气门控制、怠速控制以及发动机有效扭矩估计。本文以传统的4缸进气道喷射汽油发动机为研究对象,利用平均值建模机理,将模型中不易考虑的容积效率、摩擦扭矩等非线性因素以工程中常用的数据图表map的形式保留在所搭建的模型中,建立面向控制器设计的机理／map混合描述的汽油机模型。将高精度发动机动力学模型enDYNA作为虚拟发动机,对建模和控制中所需的map及发动机模型基本参数进行标定和模型验证。在此基础上,采用以扭矩需求为中心的发动机控制思想,通过气路控制实现发动机的扭矩需求。首先设计了基于逆动力学的气路控制系统,包括进气歧管压力规划、节气门开度规划和节气门开度跟踪控制,该方法结构简单、易于工程实现,但是低转速工况时,稳态误差较大。为了提高发动机的扭矩输出性能,利用反馈线性化方法,设计了外环进气歧管压力跟踪控制器,结合电子节气门跟踪控制器,构成了双闭环气路控制系统。接着通过离线仿真说明双闭环气路控制系统具有更好的跟踪性能。为进一步验证双闭环气路控制系统的实时性及在更真实环境下的控制器效果,在基于xPC-Target和dSPACE实时系统的发动机硬件在环仿真台架上,进行了控制器快速原型试验和HiL试验,验证了双闭环气路控制器的实时性和有效性。电子节气门作为气路控制的最终执行机构,其控制效果对气路控制起到了至关重要的作用。因此,本文以某款轿车中的节气门为被控对象,建立了面向控制器设计的非线性电子节气门模型,通过与节气门实物的正负阶跃响应对比,完成了模型校验。针对电子节气门系统的非线性特性,采用Backstepping方法设计电子节气门跟踪控制器,同时设计了一个降阶观测器估计不可测的状态变量,进而构成了基于观测器的输出反馈电子节气门控制系统。将模型不确定性和观测器误差等看作外部扰动,在ISS理论框架下分析了跟踪误差系统的鲁棒性,并据此给出了选择控制器参数的指导性原则。为了减小系统的跟踪静差,在控制器中引入了跟踪误差的积分项以抑制跟踪静差。最后,通过离线仿真验证了控制系统的有效性,进一步,通过快速原型试验及HiL试验验证控制系统能够很好的满足电子节气门的跟踪控制要求。怠速控制是发动机控制领域最具挑战性的控制问题之一,怠速控制的质量对燃油经济性、排放、燃烧稳定性及舒适性产生重大的影响。本文基于机理/map混合描述的发动机模型,针对发动机模型的非线性特性,将Backstepping和ISS理论相结合的控制系统设计方法应用于汽油机怠速控制器设计,并给出了控制器参数的设计流程,同时针对已知的外部负载扭矩,通过点火提前角的前馈补偿抑制负载扭矩的影响,最后通过机理/map混合模型和enDYNA模型的离线仿真验证控制算法的有效性。发动机的扭矩信息在基于扭矩的发动机管理系统中起到了至关重要的作用。在实验室中,通常是通过气缸压力传感器测量气缸的压力计算得到发动机的指示扭矩,有效扭矩可以通过指示扭矩减去损失扭矩得到。然而,气缸压力传感器过于昂贵,而且在技术上并不适用于批量生产的发动机。因此,需要采用间接的方法来估计得到发动机的有效扭矩。本文在机理/map混合模型的基础上,采用反馈线性化方法设计了非线性发动机转速跟踪控制器,进而通过发动机转速跟踪控制对扭矩产生模型中的有效扭矩进行动态补偿,得到实际发动机的有效扭矩。仿真结果表明,该方法可以准确的估计发动机的扭矩信息。进一步,通过enDYNA模型仿真,验证了估计方法的有效性。本论文将非线性的控制理论与方法用于发动机控制系统中控制与估计问题。采用反馈线性化方法设计气路控制算法和扭矩估计算法；同时将ISS理论和Backstepping技术相结合,设计了电子节气门控制算法和怠速控制算法,使得考虑模型不确定性的Backstepping设计更加条理化,并给出了部分控制器参数选取的设计流程,取得了较好的控制效果。本文中尚有部分内容需要进一步探讨和深究：(1)电子节气门控制器设计时忽略了齿轮齿隙非线性影响,需要进一步研究以提高电子节气门的控制效果；(2)本文的扭矩估计算法和怠速控制算法只进行离线仿真,因此,需要进一步通过快速原型试验和HiL试验验证控制算法的有效性及实时性；(3)本文的气路控制算法和电子节气门控制算法并没有进行联合仿真,因此,有待进一步研究；(4)上述控制与估计方法均未进行实车验证,今后将围绕部分算法的台架试验及实车试验展开研究。
