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试验研究
国外内燃机
2015年第4期
带可变几何涡轮增压器柴油机的双回路废气
再循环多变量控制
【美】 N.KhaledM.Cunningham J.PekarA.Fuxman O.Santin
摘要：研究双回路废气再循环(EGR)柴油机采用多变量控制器的设计问题。发动机需控制2个 EGR阀（高压阀和低压阀）、1个排气节流阔和1个可变几何涡轮增压器。提出了一种利用模型预测控制(MPC)方法，对柴油机进行适用于生产的空气管理控制。此外，概述了所提出设计的调整过程。在1台2.8L轻型柴油机上获得了设计的性能试验结采。控制器闭环性能的LA-4循环瞬态数据验证了设计过程的有效性。在整个麟态行驶循环控制器的标定过程中，MPC从数据采集开始到建立发动机标定模型仅用10天时间。
关键调：双回路废气再循环模型预测控制
0前言
美国环境保护署（EPA)第二阶段（Tier2)标准和加州空气资源委员会（CARB)低污染排放法规第三阶段（LEVⅢ）中的轻型车辆排放标准越来越严格。采用双回路废气再循环（EGR)系统能够改善涡轮增压器的运行效率，降低增压空气温度，改善稳态工况下的燃油消耗率，在对性能影响尽可能小的条件下，提高驱动EGR率的能力[1.2}]。因此，双回路 EGR系统对降低排放和燃油消耗具有显著优势，可满足严格的排放要求。
Cummins公司ATLAS项目由美国能源部资助，主要目的是验证皮卡用小排量发动机（2.8L)可在高燃油经济性下显著降低排放。空气管理系统相当复杂，由1个可变几何截面涡轮增压器（VGT)、1 个低压EGR阀、1个高压EGR阀，以及1个排气节流阀（ET)组成，由于ATLAS发动机比较复杂，4个执行器之间的相互协调为发动机瞬态性能的评估带来了控制和标定方面的困难。
传统控制设计技术通常基于标准比例积分微分(PID)控制器、查找表、逻辑开关等，相关技术已经发展几十年，工程技术人员都已经熟知。这些技术相对易于使用，是无交互作用和较简单动力学回路控制的理想选择。然而，随着发动机复杂性的提高，以及传感器和执行器数量的增加，在合理时间内采用传统解耦回路设计反馈控制器成为一项艰巨任务。采用多变量控制技术的系统方法可在减少开发时间的同时，满足性能要求和排放法规限值要求。
论文[3，4，5]分析了不同的EGR策略。论文万方数据
多变量控制器
[6]提出了基于前馈控制模型的级联自适应比例积分(PI)策略。将增压压力的级联控制结构作为EGR 率和增压压力的解耦工具。论文[7]提出，通过运动规划，分别调节高压EGR和低压EGR的策略来控制增压压力和EGR率。论文[8]介绍了双回路 EGR系统的协同控制策略。依据低压EGR回路比高压EGR回路容积大，响应较慢这一事实将原系统分解为2个不同时间尺度的独立子系统。对每个子系统设计了基于Lyapunov函数的控制器来共同控制进气歧管压力、温度和氧浓度。论文[9]介绍了一种包含双EGR、VGT和进气节流阀的协同策略，利用高低压EGR分离策略动态反馈总EGR质量流率和增压压力，以降低泵气损失，提高增压器效率。
Haber等人在论文[10]中设计了1台多变量 H。控制器控制进气歧管压力、温度和氧浓度。控制器控制VGT位置主要是为控制进气歧管压力。此外，控制器驱动高低压EGR阀以控制进气歧管温度和氧浓度。近来，有研究人员开发了1款空气管理系统平均值模型和空气成分估量器。
采用上述的任一多变量控制方法（如H。、线性二次型高斯控制器(LQG)等）可用来开发1个系统化程序，便于为空气管理系统设计灵活、结构化的控制器。MPC的主要优势在于具有处理各种边界条件的能力。MPC方法可以系统化处理变边界条件的LQG的拓展。另一方面，由于需要在每个采样周期内在线运行优化求解器，MPC控制器的执行相对于简单的控制算法要复杂。如果控制问题足够小（指得出的优化问题的总约束个数），MPC控制问题可显式求解，得出的在线求解器比较简单。这基于