技术领域
[0001] 本
发明属于油量执行器控制领域，具体涉及一种柴油机油量执行器建模与基于扩张状态观测器的非线性模型预测控制技术的油量执行器系统控制方法。
背景技术
[0002] 自21世纪以来，随着
汽车数量的极大增长，
能源短缺和环境污染问题愈加严峻。为了应对全球化石能源短缺以及环境问题的日益加剧，汽车工业持续不断地进行着能源领域的技术革新。与此同时，政府出台了越来越严格的排放法规，这些都对
内燃机的控制提出了更高的要求。柴油机作为内燃机的一种，相较于
汽油机具有
扭矩大，经济性好等优点。但柴油机由于工作压
力大，其
燃油喷射系统的设计与控制具有极高的难度。因此，将先进的控制
算法运用到柴油
发动机控制中对改善柴油机的控制性能和满足排放法规的严格要求都是至关重要。
[0003] 电控轴向分配喷射
泵是一种
位置式控制的油量喷射系统。而油量执行器是分配泵中的一个关键执行部件，用于直接控制喷射进
燃烧室的油量。其控制喷油量的准确度直接决定着发动机的动力性能和排放性能。油量执行器主要由三部分组成：旋转电磁
铁，霍尔
传感器和
发动机控制单元。旋转电
磁铁通过安装在
转子上偏心球的旋转控制着分配泵
柱塞上滑套的位置即供油行程，从而控制喷油量。霍尔传感器用于测量旋转电磁铁转子旋转的
角度。滑套位置的准确响应以及稳态
波动的大小直接影响着发动机的启动、
怠速、
加速等性能。所以油量执行器的控制研究对改善发动机性能至关重要。
[0004] 目前，油量执行器系统多采用PID
控制器，文献(Yawei Ma,and Feiyun Xu.Application of discrete tracking differentiator to electronic control system of diesel engine[C].International Conference on Electric Information and Control Engineering(ICEICE),pp.3005-3008,2011.)通过在传统线性PID控制器中引入
跟踪微分器，通过事先安排过渡过程并对输出
信号进行滤波，改善了线性PID控制器的控制效果。在实际工况中，由于油量执行器系统的工作场合要求输出跟踪的高
精度，而且要求能够快速的动态响应以适应各种不同的工况。但是，油量执行器系统中存在着电磁转矩及复位
弹簧等非线性特性和外部干扰，线性控制器无法有效地处理系统的非线性特性，进而无法满足油量执行器在各种工况下的高性能要求。在有扰动的情况下，利用积分来消除扰动对输出位置角度带来的影响，是一种被动且速度较慢的反馈控制方式，特别是在系统遇到快速时变或者周期性的扰动时很难快速地跟踪给定信号，这些扰动主要包括外部转矩干扰，
电压输入变化等。
[0005] 因此在油量执行器系统存在扰动的情况下，为了克服线性控制器的
缺陷，进一步提高系统的跟踪速度和精度，就需要对系统非线性进行补偿且能够及时地对扰动进行处理。文献(Yuanchun Li,Guangjun Liu,Xiao Zhou.Fuel-injection control system design and experiments of a diesel engine[J].IEEE Transactions on Control Systems Technology,2003,11(4):565-570.)建立了油量执行器系统的非线性模型，将系统非线性、未建模动态和外部干扰等作为系统不确定性来考虑。针对模型中的线性部分设计了线性反馈控制器并通过积分处理系统参数不确定性，针对非参数不确定性引入饱和函数形式的非线性压制项。该控制器的优点在于可以独立处理系统线性部分的反馈设计和系统不确定性。但是由于系统不确定性中包含了系统状态非线性项，使得文中给出的有界假设只能局部成立，而且将系统非线性都视为不确定性进行压制会导致饱和函数增益过大，从而引发抖振等导致控制性能下降的其他问题。
发明内容
[0006] 为解决上述问题，本发明公开了一种油量执行器系统建模与先进控制方法，该方法基于扩张状态观测器和模型预测控制技术，实现对油量执行器系统给
定位置角度跟踪的快速性和准确性。
[0007] 为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
[0008] 一种油量执行器系统建模与先进控制方法，包括以下步骤：
[0009] 步骤一：建立油量执行器的模型，以执行器偏心球旋转角度，
角速度，驱动线圈
电流为状态变量，对
复位弹簧，旋转电磁铁分别进行分析与建模，由此建立系统的
状态空间模型；
[0010] 步骤二：对油量执行器系统存在的集总扰动设计扩张状态观测器，同时对系统状态和集总扰动进行估计；
[0011] 步骤三：在已设计的扩张观测器的
基础上，基于油量执行器偏心球旋转角度进行输出控制，在考虑存在集总扰动的情况下设计基于扩张状态观测器的非线性模型预测控制器，以实现目标角度的快速、高精度跟踪。
[0012] 本发明的有益结果是：
[0013] 本发明所述的一种油量执行器系统建模与先进控制方法，是一种基于扩张状态观测器的油量执行器模型预测控制方法，将扩张状态观测器和模型预测控制技术结合的复合控制器应用于油量执行器，首先利用扩张状态观测器技术在实验中测量的位置角度信息基础上对角速度和扰动进行估计，得到系统中存在的集总扰动和系统状态的估计信息后，利用模型预测控制技术设计出复合控制器。该方法在抵消系统非线性的同时引入了干扰前馈补偿，在保证系统动态性能的情况下，可以明显地抑制集总扰动，从而大大提高直流升压变换器的跟踪的速度和精度。
[0014] 基于扩张状态观测器和模型预测控制技术的控制方法应用于油量执行器系统，在保证模型预测控制下的标称动态性能的情况下，可以明显提高系统的抗扰性能和跟踪性能，满足油量执行器在各种工况下高精度的要求，工程人员只需要较少的调节控制器的参数，与现有的技术相比，具有设计原理简单，易于实现，参数调节相对简单，在确保动态性能的基础上对油量执行器位置角度跟踪的快速性和精确性明显改善，对系统集总扰动都有良好的抑制性等优点，具有很好的应用价值。
附图说明
[0016] 图2A为油量执行器的立体图；
[0017] 图2B为油量执行器的剖面图；
[0018] 图3A为复位弹簧最小位置物理结构示意图；
[0019] 图3B为复位弹簧最大位置物理结构示意图；
[0020] 图4为旋转电磁铁原理图；
[0021] 图5为本发明中模型预测控制控制(MPC)、模型预测加积分控制(MPC+I)与基于扩张状态观测器的模型预测控制(MPC+SEO)的阶跃响应及突加扰动情况下的输出位置角度比较图；
[0022] 图6为本发明中模型预测控制控制(MPC)、模型预测加积分控制(MPC+I)与基于扩张状态观测器的模型预测控制(MPC+ESO)的阶跃及突加扰动情况下的控制量比较图；
[0023] 图7为本发明中扩张状态观测器估计系统扰动值和实际扰动值比较图。
[0024] 附图标记列表：
[0025] 1、偏心球、2、转子、3、
定子、4、角度传感器、5、复位弹簧、6、
溢油环、7、线圈、8、轴。
具体实施方式
[0026] 下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
[0027] 根据本发明控制框图图1所示，本发明所述的一种油量执行器系统建模与先进控制方法，包括以下步骤：
[0028] 步骤一：油量执行器作为电控分配泵中的一个关键性部件，对发动机喷油量的调节起主要作用。如图2A和2B所示，油量执行器的主要组成部分有偏心球1、转子2、定子3、角度传感器4、复位弹簧5、溢油环6、线圈7和轴8等。油量执行器本身是一个高度非线性的系统,主要包括复位弹簧转矩非线性和旋转电磁铁的电磁转矩非线性。
[0029] 油量执行器的结构中含有两根线性弹簧，但在正常工作过程中，随着电磁铁转子的旋转，弹簧拉力的切向分力产生的转矩实际上和旋转角度呈非线性的关系。复位弹簧5顾名思义具有使系统复位的作用，当电源被切断时，电磁转矩会逐渐减小直至消失，这时电磁转矩不足以维持与弹簧转矩的平衡，复位弹簧的弹簧转矩迫使转子回归初始最小位置。与此同时，柴油机的燃油供给逐渐减小直至被切断，从而保证柴油机在遇到故障时，能快速切断供油，迫使柴油机停止工作。此外，转子2的旋转被限制在一个设定的最大角度和最小角度之间。复位弹簧的物理结构示意图如图3A和图3B所示。
[0030] 通过建模和拟合得到复位弹簧转矩Tsp，
[0031] Tsp＝c2θ2+c1θ+c0，
[0032] 其中c0、c1、c2均为常数。
[0033] 在油量执行器系统中，旋转电磁铁是一个重要的组成部分。旋转电磁铁作为油量执行器中的驱动部件，其通电后产生的电磁转矩提供转子顺
时针旋转运动所需的正向转矩。旋转电磁铁的工作原理如图4所示，当线圈通电时，
磁力线总是试图沿着磁阻最小的路径闭合，因此整个电磁转矩作用的方向总是沿着使
衔铁运动到整个磁路内磁阻最小位置的方向。当旋转电磁铁的电磁转矩与复位弹簧所产生的阻力矩达到平衡时，则电磁铁转动到该位置固定不动。
[0034] 通过线性拟合的方法可以逼近电磁转矩Te与线圈电流i，旋转角θ三者之间的函数关系，得到电磁转矩的表达式如下电磁转矩，
[0035] Te＝a2i+a1θ+a0，
[0036] 其中a0、a1和a2均为常数。
[0037] 考虑线圈电流动态，可以给出如下的油量执行器系统
状态方程，
[0038]
[0039] 其中θ为旋转角、ω为角速度、J为旋转电磁铁的
转动惯量、d为集总扰动、i为旋转电磁铁线圈电流、Vin为
电源电压、μ为PWM波占空比、Ce为旋转电磁铁反电动势常数、L和R分别为线圈电感和
电阻。
[0040] 由于旋转电磁铁的电流动态的时间常数相较于
采样周期较小，可以忽略电流动态。考虑将外部干扰和系统不确定性作为集总扰动并令x＝[x1 x2]T＝[θω]T，那么系统动态模型可以改写为如下形式
[0041]
[0042] 其中a21＝(a1-c1)/J，a22＝-a2Ce/JR，c＝(a0-c0)/J，b＝a2Vin/JR。
[0043] 步骤二：基于油量执行器的数学模型，利用系统输出位置角度以及控制器输出μ设计扩张状态观测器观测系统状态x2和集总扰动d，基于估计的状态和估计的扰动值设计模型预测控制器得到控制量输入占空比μ，经PWM驱动放大控制
开关管实现线圈两端输入电压调节进而控制油量执行器输出位置角度。根据扩张状态观测器的理论，其观测器可以设计为:
[0044]
[0045] 其中 分别为x1、x2和d的估计值。p1、p2、p3为观测器增益。
[0046] 步骤三：在已设计的扩张状态观测器的基础上，设计模型预测控制器。首先，考虑油量执行器系统模型，
[0047]
[0048] y＝h(x),
[0049] 其中 B＝[0 b]T、L＝[0 1]T、h(x)＝x1。
[0050] 油量执行器系统的代价函数定义为
[0051]
[0052] 其中 为预测输出， 为预测的未来参考轨迹，TP为预测周期。
[0053] 用泰勒级数展开法预测滚动时域内的未来输出
[0054]
[0055] 其中r为控制阶数，σ＝2为系统相对阶，其对应的输出各阶导数可以表示为[0056]
[0057]
[0058] 对上式继续对t求导可得
[0059]
[0060] 其中
[0061]
[0062] 相似地，可以得到输出的各阶导数
[0063]
[0064] 其中k＝2,...,r。
[0065] 然后，给出了输出y(t+τ)的近似如下
[0066]
[0067] 其中
[0068]
[0069] 同样地，未来的参考信号可以表示为
[0070]
[0071] 其中
[0072] 将未来的
输出信号和未来的参考信号代入代价函数可得，
[0073]
[0074] 其中
[0075] 定义控制序列为 令 可以得到
[0076]
[0077] 由于 非奇异，所以可以得到
[0078]
[0079] 上式的第一行可以表示为
[0080]
[0081] 其中K是矩阵 的第一行且
[0082] 基于扩张状态观测器的非线性模型预测控制律可以表示
[0083]
[0084] 其中K＝[k0,k1,...,kσ-1]为最优控制增益且参数
ki(i＝0,...,σ-1)由预测周期TP和控制阶数r决定。
[0085] 本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。
