基于数据驱动的发动机空燃比预测控制

【摘要】空燃比控制作为发动机控制系统中的一个基本应用，是影响发动机性能的重要因素。空燃比直接影响着发动机的动力性、经济性、以及排放性，因此得到了专家学者的广泛关注。然而在发动机瞬态运行条件下，空燃比的精确控制仍然存在着不少挑战。空燃比控制的实现，一般是首先对发动机气缸进气量进行估计，进而根据理想空燃比值，相应地调整燃油的喷射量。我们可以认为空燃比控制问题是空气-燃油的一种”Master-Slave”控制。气路控制用来满足不同工况发动机的驾驶需求，而油路作为气路控制的协调控制。由于，发动机模型的复杂性，以及参数不确定性，造成建模工作量大，且需要大量的标定实验。另外基于模型的现代控制算法，其控制效果对模型本身的精度有一定的依赖性。而本文针对发动机难于建模的问题，利用数据驱动的思想，将子空间系统辨识与模型预测控制结合在一起，设计出一种基于数据驱动的预测控制器，从而避开控制器设计时建模困难的问题。最后通过离线与实时仿真实验对算法的有效性进行了验证。本文主要进行了以下工作：（1）针对燃油进气道喷射汽油机，进行控制器设计。虽然数据驱动的方法不需要精确的数学模型，但是为了能够激励出系统的特性，需要对被控对象的原理和机制进行足够了解，从而选择合理的激励输入。本文对组成空燃比模型的发动机气路子模型和油路子模型分别进行研究，进而对整个空燃比系统的动态特点进行整体分析。另外，考虑到发动机真实台架的数据获得的难易性，以及设定的多个输入数据之间匹配的合理性和可行性，最终选择了以节气门开度、发动机转速以及喷油脉宽为激励输入。通过对高精度enDYNA发动机模型进行离线激励获得系统的输入输出数据，为一步控制器设计做好准备。（2）基于离线的激励输入输出数据，进行数据驱动控制器的设计。首先通过子空间辨识方法从离线激励数据直接获得系统的输出预测方程，进而利用模型预测控制的概念，设计出广义模型预测控制器，并考虑执行机构饱和的约束问题。然而由于数据驱动预测控制器在控制量求解时与激励数据一一对应的限制，而激励输入数据不仅包含控制输入而且包含系统状态信息。针对上述问题，分别采取了以下两种方法进行处理。一种是通过对MPC优化求解的约束问题进行扩展，将非控制输入的激励输入进行约束处理，从而完成控制器设计。另一种方法是对控制算法进行改进，在预测方程构造时便把激励输入中的系统状态量（非控制输入）分离，使控制器具有了处理系统状态量(节气门开度，发动机转速)的功能。改进后的控制算法中预测控制最优求解的计算量大大减少。在最优问题求解的时候，采用的是粒子群智能求解法,这种算法以其实现容易、收敛快、精度高等优点引起了学术界的重视。（3）最后，首先通过离线仿真实验，对所设计的控制器在不同的发动机工况下进行仿真验证，仿真结果初步表明了控制器的有效性与合理性。其次，利用xPC-Target和dSPACE所提供的实时环境进行了快速原型实验，快速原型实验的仿真结果进一步证明了控制器的实时性和有效性。鉴于发动机模型复杂的特点，本文采用的数据驱动的方法为发动机电控系统的开发提供了新思路，但还有一些工作有待进一步开展。本文的研究对象，并非真实发动机，因而在实际应用中，激励后的输入输出数据从获取和处理上需要更多的处理。其次，在求解最优问题时，求解算法的计算量，求解速度和精度都会是对实际电控单元的挑战。
【作者】范亚南；
【导师】陈虹；
【作者基本信息】吉林大学，控制工程，2014，硕士
【关键词】FPISI发动机；空燃比控制；数据驱动预测控制；PSO算法；快速原型实验；

【参考文献】
[1]郑永久.论农民工随迁子女的平等受教育权[D].华东理工大学,公共管理（专业学位）,2013,硕士.
[2]赵元旭.三层优化化繁为简[J].中国计算机用户.2008(08)
[3]杨易.女性职业选择中的道德：从女性主义角度解读《华伦夫人的职业》[D].上海外国语大学,英语语言文学,2014,硕士.
[4]黄婷.昆明市免费开放城市公园的满意度研究[D].云南财经大学,旅游管理,2014,硕士.
[5]张小飞.2014锂电产业年末岁终的盘点和盘算[J].储能科学与技术,2015,02:233.
[6]张之沣.工业机器人辅助木雕复合机床控制系统的研究[D].北京建筑大学,控制理论与控制工程,2013,硕士.
[7]程辞.兰州市居民食品消费碳足迹研究[D].兰州大学,区域经济学,2013,硕士.
[8]林忠.高中生物课堂教学学生自主学习能力培养的探讨[D].福建师范大学,教育,2003,硕士.
[9]洪泽雄.绿色食品包装材料的发展[J].轻工科技,2015,03:22-23.
[10]李楠.子宫内膜癌高危因素的Meta分析[D].吉林大学,临床医学,2014,硕士.
[11]刘杨.痔洗药3号治疗肛周瘙痒的临床研究[D].黑龙江中医药大学,中西医结合临床（专业学位）,2013,硕士.
[12]丁锋,丁韬,杨家本,徐用懋.衰减激励条件下递阶最小二乘辨识的均方收敛性[J].控制与决策,2002,01:6-10.
[13]吴蔚蓝.动静脉血气分析的临床价值研究[D].福建医科大学,麻醉科,2014,硕士.
[14]虞肖鹏.化学物质对环境影响的综合因子[D].浙江大学,化学工程,2004,硕士.
[15]郭乃玮.竹纳米纤维素晶须的制备及其生物复合材料运用[D].中原工学院,纺织材料与纺织品设计,2012,硕士.
[16]王蕾,王玮,王学运,杨国梁.基于光纤陀螺的旋转惯导数字稳定回路设计与实现[J].控制与决策,2014,08:1453-1457.
[17]记者桂运安.中美科学家合作发现新型单光子源[N].安徽日报,2015-05-14005.
[18]孙宇.《小企业会计准则》对小企业税收征管博弈关系的影响研究[D].厦门大学,财政学,2014,硕士.
[19]武雅薇.我国上市商业银行财务风险评价与控制研究[D].天津财经大学,会计学,2012,硕士.
[20]陈博.新媒体环境下研究生理想信念教育面临的问题和教育路径研究[J].长春教育学院学报,2014,12:130-132.
[21]黄雅丹.我国上市公司财务报表审计与内部控制审计整合研究[D].吉林财经大学,会计学（专业学位）,2014,硕士.
[22]李猛.我国政府公共服务市场化问题研究[D].吉林财经大学,行政管理,2014,硕士.
[23]陈梅宝.长安八水之涝河变迁研究[D].西北大学,历史地理学,2013,硕士.
[24]黄文硕.特征向量场在指纹识别和可撤销模板中的应用[D].西安电子科技大学,电路与系统,2012,硕士.
[25]曹敏香.离子液体中聚吡咯/四氧化三铁磁性纳米复合材料的制备及性质研究[D].南京航空航天大学,2013.
[26]贾丙乙.顺应论视角下的语用负迁移研究[D].吉林大学,外国语言学及应用语言学,2014,硕士.
[27]陈志敏.乳化渣油半刚性路面材料的性能研究[D].合肥工业大学,工程力学,2004,硕士.
[28]潘瑜.直接甲醇燃料电池Pd基阴极催化剂的研究[D].南京师范大学,2011.
[29]宋少华.狗双侧下颌牵张成骨中髁状突的组织结构变化和TGF-β1的表达[D].广西医科大学,口腔临床医学,2004,硕士.
[30]王东升,吴峻.关于原料运输的几点思考[J].炼铁.1999(03)
[31]杨小见.微量水份测量仪器设计及实现[D].成都理工大学,信号与信息处理,2013,硕士.
[32]汪婵.两类面向群组的数字签名算法研究[D].西安电子科技大学,密码学,2012,硕士.
[33]朱丹.瑜珈在大学生心理健康辅导中的应用探析[D].扬州大学,应用心理学,2011,硕士.
[34]单欢.5～16岁儿童乙肝疫苗加强免疫1年后效果观察[D].宁波大学,流行病与卫生统计学,2014,硕士.
[35]裴召华.大型球罐支撑结构有限元分析及研究[D].东北石油大学,机械工程（专业学位）,2013,硕士.
[36]邱翼.基于支持向量机的非线性组合模型在汇率预测中的应用[D].北京交通大学,2014.
[37]刘燕.稻壳在混合溶剂（乙醇—水）中热液化制生物油的研究[D].湖南大学,环境工程,2013,硕士.
[38]雷潇.基于虚拟仪器的风洞测控系统的设计与实现[D].长安大学,检测技术与自动化装置,2014,硕士.
[39]宋伟.TGF-β_1对肝星状细胞的活化作用及机制[D].遵义医学院,内科学,2012,硕士.
[40]王灿,王艳莉,詹亮,何星,杨俊和,乔文明,凌立成.微波辐照气相法合成氮掺杂石墨烯[J].无机材料学报,2012,02:146-150.
[41]刘晶晶.权变理论视角下的社会组织生存策略研究[D].南京大学,社会学,2013,硕士.
[42]陈玉杰.基于C公司多元产业标准化体系建设方法研究[D].天津大学,工商管理,2013,硕士.
[43]李婧.商业展示设计中视知觉原理的应用研究[D].重庆大学,设计学,2014,硕士.
[44]杨本志.ATR/FTIR在植物油理化指标检测方面的应用研究[D].浙江工业大学,2013.
[45]陆丹军.沙丁胺醇预吸入对全麻诱导中不同推注速度舒芬太尼引发咳嗽的抑制[D].吉林大学,临床麻醉学,2013,硕士.
[46]赵文思.3.0TMRI扩散加权成像ADC值与SD大鼠肝癌分化程度的相关性研究[D].湖南师范大学,内科学,2013,硕士.
[47]张安琪.论女性与自然：《奥兰多》的生态女性主义解读[D].广东外语外贸大学,比较文化研究,2013,硕士.
[48]蒋斌华.湘西猛洞河景区市场营销策略[D].湖南大学,2004.
[49]徐宇飞.泾阳南塬边坡生态保护技术的研究[D].西安科技大学,建筑与土木工程,2014,硕士.
[50]吴光辉.医疗设备融资租赁业务市场营销策略研究[D].上海外国语大学,工商管理,2013,硕士.