技术领域
[0001] 本
发明涉及的是一种柴油机气路控制系统，具体地说是带有废气再循环(EGR)和可变几何截面
涡轮增压(VGT)的柴油机气路控制系统。
背景技术
[0002] 柴油机的主要排放物为氮
氧化物(NOx)和微粒(PM)，在气路中装配EGR与VGT可以改善缸内燃烧条件，因此也成为降低柴油机的NOx、PM排放的关键技术之一。EGR
阀开度和VGT
导向叶片位置的改变，使柴油机进排气压
力等系统参数发生变化，而由于EGR与VGT之间存在较强的耦合作用，设计协调
控制器可以更准确快速的完成气路控制，同时实现降低排放和提高燃油经济性动力性的目的。传统的EGR与VGT的控制主要依靠前期标定和PID控制器，不仅工作量大，而且系统瞬态响应不及时，稳态效果也不够理想。
[0003] 近年来，国内外研究人员基于增压柴油机气路系统模型，利用变结构控制、T-S模糊控制、自抗扰控制等方法，试图对EGR与VGT协调控制。经检索，中国
专利CN201410364561采用自抗扰控制理论为柴油机EGT-VGT系统设计反馈补偿控制律处理了外界环境干扰及
发动机随工况而产生的动态特性变化，并结合前馈控制器，实现了
增压压力与进气量的快速
跟踪。中国专利CN201710721919针对装有EGR、可变几何截面
涡轮增压器及节气
门的发动机，考虑系统外界干扰提出一种鲁棒非线性控制方法，使
压气机流量和排气
歧管压力接近于设定的参考值。李顶根、何春萌在论文基于模型参考滑模控制的柴油机气路控制研究(见《武汉理工大学学报》，2015年，第37卷，第10期，90-97页)中，设计了增压柴油机气路滑模控制器，并通过仿真验证了所提出控制
算法比PI控制器具有更优越的性能。
[0004] 然而，上述各种方法为了简化研究，均忽略柴油机进
排气歧管温度变化引起的系统内部干扰，并且没有考虑气路执行器EGR阀与VGT导向叶片由于长期使用而可能出现的故障情况对系统影响，因此
现有技术仍未能解决柴油机实际运行中所面临的系统内部干扰和故障问题。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于提供可以抑制增压柴油机气路进排气歧管温度变化引起的干扰作用，并在EGR阀与VGT导向叶片出现部分失效及恒偏差故障情况下，仍保证对进排气歧管压力参考值跟踪控制的一种基于观测器的增压柴油机气路抗干扰容错控制方法。
[0006] 本发明的目的是这样实现的：
[0007] 本发明一种基于观测器的增压柴油机气路抗干扰容错控制方法，其特征是：
[0008] (1)考虑增压柴油机气路进排气歧管温度变化产生的干扰和EGR阀、VGT导向叶片的故障，建立增压柴油机气路系统动力学模型；
[0009] (2)根据步骤(1)中的增压柴油机气路系统动力学模型设计干扰观测器，用于估计进排气歧管温度变化引入的干扰；
[0010] (3)采用自适应技术与积分滑模方法设计增压柴油机气路容错控制器，并利用步骤(2)观测器所获得的干扰估计值补偿系统扰动，实现系统的抗干扰和容错能力。
[0011] 本发明还可以包括：
[0012] 1、步骤(1)考虑增压柴油机气路进排气歧管温度变化产生的干扰和EGR阀、VGT导向叶片的故障，建立增压柴油机气路系统动力学模型，具体过程如下：
[0013] 增压柴油机气路系统平均值模型为：
[0014]
[0015]
[0016]
[0017] 其中，p1表示
进气歧管压力，p2表示排气歧管压力，Pc表示压气机功率，T1为进气歧管温度，T2为排气歧管温度，Wegr为通过EGR阀的气体流量，Wt为通过可变几何截面涡轮的气体流量，Wf为喷油量，ηm为
涡轮机械效率，τ为由辨识得到的时间常数，k1、k2、ke为根据柴油机运行条件得到的参数，k1＝RaT1/V1、ke＝ηvNVd/RaT1、k2＝RaT2/V2，Ra为气体常数，Vd为柴油机
气缸容积，V1为进气歧管体积，V2为排气歧管体积，ηv为柴油机充气效率，N为柴油机转速，为压气机流量， 为涡轮功率，kt＝ηtcpT2，cp为气体等压
比热容， γ＝1.4为空气比
热容比，ηc为压气机等熵效率，ηt为涡轮
等熵效率；
[0018] 根据压气机流量与进气歧管压力之间关系将参考工作点Wcd替换为并在气路中通过控制进排气歧管压力p1与p2实现控制目标；
[0019] 增压柴油机以EGR与VGT作为气路控制的执行器，气路控制的输入量选择为EGR流量Wegr与涡轮流量Wt， 分别表示由于进排气歧管温度变化所引起的进排气歧管压力动力学模型中的干扰量；
[0020] 考虑EGR阀、VGT导向叶片的部分失效与恒偏差故障，将系统动力学模型
修改为：
[0021]
[0022] 其中，x＝[p1p2Pc]T表示系统状态变量，控制输入量为u1＝Wegr，u2＝Wt；
[0023] 为描述执行器故障，记E1(t)、E2(t)为执行器失效因子，且满足0＜Ei(t)≤1，i＝1,2分别指代EGR阀和VGT导向叶片；当第i个执行器无故障时，Ei(t)＝1；当第i个执行器时出现部分失效故障时，0＜Ei(t)＜1；F1(t)、F2(t)表示各执行器所受的未知有界恒偏差故障，假设恒偏差故障范数有上界，即
[0024] 函数f(x)、g1(x)、g2(x)、d的定义如下：
[0025]
[0026] 2、步骤(2)根据步骤(1)中的增压柴油机气路系统动力学模型设计干扰观测器，用于估计进排气歧管温度变化引入的干扰，具体过程如下：
[0027] 柴油机工作过程中，期望的进排气歧管压力分别用pd1、pd2表示，相应的定义压力T T T跟踪误差s1＝p1-pd1、s2＝p2-pd2，记s＝[s1s2]、p＝[p1p2]、pd＝[p1d p2d]；
[0028] 根据公式 得：
[0029]
[0030] 其中，u＝[u1u2]T表示控制量，f*(x)、g*(x)、E*(t)及F*(t)分别定义为[0031]
[0032] 为估计增压柴油机气路中进排气歧管温度变化引起的干扰d，提出如下干扰观测器：
[0033]
[0034] 其中，表示干扰d的观测值，z为辅助变量，κ0为可调观测增益，κ0为正数。
[0035] 3、步骤(3)采用自适应技术与积分滑模方法设计增压柴油机气路容错控制器，并利用步骤(2)观测器所获得的干扰估计值补偿系统扰动，实现系统的抗干扰和容错能力，具体过程如下：
[0036] 设计增压柴油机气路抗干扰容错控制器为：
[0037] uFTC＝uh+uf
[0038]
[0039] uf＝-ζg*(x)-1sgn(σ(t))
[0040] 其中，uh与uf分别表示标称控制量与容错控制量，时变控制增益ζ定义为由自适应参数更新律在线计算， ε＞0； 表*
示根据故障失效因子所引入辅助变量φ＝1/1-η的估计值，并定义||E ||min＝1/η，通过自适应方法在线估计φ，所设计自适应参数更新律为 β＞0为可调参数；容错控
制量uf中，σ(t)表示积分滑模变量 t0为系统
起始时间。
[0041] 本发明的优势在于：本发明对增压柴油机气路中EGR阀和VGT导向叶片由于长期使用导致的部分失效故障及恒偏差故障有良好的容错能力，并能够即使补偿进排气歧管温度变化所引起的系统干扰。另外，采用积分滑模理论设计的控制器具有对工况变化不敏感的优势，从控制器开始作用时即能对干扰起到抑制作用，提高了系统鲁棒性。
附图说明
[0043] 图2为FTC控制器与传统SMC控制器作用下的排气歧管压力跟踪效果仿真对比图；
[0044] 图3为FTC控制器与传统SMC控制器作用下的压气机流量跟踪效果仿真对比图；
具体实施方式
[0045] 下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
[0046] 结合图1-3，本发明一种基于观测器的增压柴油机气路抗干扰容错控制方法，其实现步骤如下：
[0047] 步骤一、考虑增压柴油机气路进排气歧管温度变化产生的干扰和EGR阀、VGT导向叶片可能出现的故障，建立增压柴油机气路系统动力学模型：
[0048] 增压柴油机气路系统平均值模型为：
[0049]
[0050]
[0051]
[0052] 其中，p1表示进气歧管压力，p2表示排气歧管压力，Pc表示压气机功率，T1为进气歧管温度，T2为排气歧管温度，Wegr为通过EGR阀的气体流量，Wt为通过可变几何截面涡轮的气体流量，Wf为喷油量，ηm为涡轮机械效率，τ为由辨识得到的时间常数，k1、k2、ke为根据柴油机运行条件得到的参数，k1＝RaT1/V1、ke＝ηvNVd/RaT1、k2＝RaT2/V2，Ra为气体常数，Vd为柴油机汽缸容积，V1为进气歧管体积，V2为排气歧管体积，ηv为柴油机充气效率，N为柴油机转速，为压气机流量， 为涡轮功率，kt＝ηtcpT2，cp为气体等压比热容， γ＝1.4为空气比热容比，ηc为压气机等熵效率，ηt为涡轮
等熵效率。
[0053] 对于增压柴油机，压气机流量Wc与排气歧管压力p2影响进入柴油机的空气流量和EGR率，可将Wc与p2作为系统状态变量。但实际操作中，为了避免计算Wc及其参考工作点Wcd的复杂计算量，根据压气机流量与进气歧管压力之间关系将参考工作点Wcd替换为并在气路中通过控制进排气歧管压力p1与p2实现控制目标。增压柴油机以EGR与VGT作为气路控制的执行器，因此气路控制的输入量选择为EGR流量Wegr与涡轮流量Wt。公式(1)-(3)中的 分别表示由于进排气歧管温度变化所引起的进排气歧管
压力动力学模型中的干扰量。
[0054] 考虑EGR、VGT的部分失效与恒偏差故障，将系统动力学模型修改为：
[0055]
[0056] 其中，x＝[p1p2Pc]T表示系统状态变量，控制输入量为u1＝Wegr，u2＝Wt。
[0057] 为描述执行器故障，记E1(t)、E2(t)为执行器失效因子，且满足0＜Ei(t)≤1，i＝1,2分别指代EGR阀和VGT导向叶片。当第i个执行器无故障时，Ei(t)＝1；当第i个执行器时出现部分失效故障时，0＜Ei(t)＜1。F1(t)、F2(t)表示各执行器所受的未知有界恒偏差故障，假设恒偏差故障范数有上界，即
[0058] 公式(4)中，函数f(x)、g1(x)、g2(x)、d的定义如下：
[0059]
[0060]
[0061] 步骤二、根据步骤一中的增压柴油机气路动力学模型设计干扰观测器，用于估计进排气歧管温度变化引入的干扰：
[0062] 柴油机工作过程中，期望的进排气歧管压力分别用pd1、pd2表示，相应的定义压力跟踪误差s1＝p1-pd1、s2＝p2-pd2。为方便控制器设计，记s＝[s1s2]T、p＝[p1p2]T、pd＝[p1d p2d]T。
[0063] 根据公式(4)，可得：
[0064]
[0065] 其中，u＝[u1u2]T表示控制量，f*(x)、g*(x)、E*(t)及F*(t)分别定义为：
[0066]
[0067] 为估计增压柴油机气路中进排气歧管温度变化引起的干扰d，提出如下干扰观测器：
[0068]
[0069] 其中，表示干扰d的观测值，z为辅助变量，可调观测增益κ0、κ0为正数。
[0070] 根据公式(6)，计算 对时间的二阶导数：
[0071]
[0072] 对公式(7)进行Laplace变换，可得：
[0073]
[0074] 因此，可以推断当κ0取值足够大时，观测器输出 将收敛于d的真实值，即公式(6)的观测器能够精确估计进排气歧管温度变化所引起的干扰。
[0075] 步骤三、采用自适应技术与积分滑模方法设计增压柴油机气路容错控制器，并利用步骤二观测器所获得的干扰估计值补偿系统扰动，实现系统的抗干扰和容错能力：
[0076] 首先，考虑不包含执行器故障的增压柴油机气路标称系统，即系统(1)-(3)。设计如下的标称控制器：
[0077]
[0078] 构造Lyapunov函数 并对其求导可得：
[0079]
[0080] 显然， 因此变量s渐近收敛于零点，即p1、p2分别渐近收敛于p1d、p2d。
[0081] 然而，标称控制器(9)仅能对系统内部温度变化干扰起到抑制作用，而为了进一步的克服增压柴油机气路中EGR、VGT部分失效与恒偏差故障，还需要设计容错控制算法。
[0082] 取如下的积分滑模变量：
[0083]
[0084] 其中，t0表示系统起始时间，后文将σ(t)记为σ。
[0085] 根据公式(11)对σ求导，可得：
[0086]
[0087] 结合自适应参数辨识技术，设计增压柴油机气路抗干扰容错控制器为：
[0088] uFTC＝uh+uf (13)
[0089]
[0090] uf＝-γg*(x)-1sgn(σ) (15)
[0091] 其中，uh与uf分别表示标称控制量与容错控制量。ε＞0。定义与失效因子相关的辅助变量φ，且φ＝1/1-η，||E*||min＝1/η。通过自适应方法在线估计φ，设计自适应参数更新律为：
[0092]
[0093] 其中，β＞0为可调参数。记参数估计误差为
[0094] 取如下的Lyapunov函数，分析
闭环系统稳定性：
[0095]
[0096] 根据公式(12)与(16)对V求导数，可得：
[0097]
[0098] 将控制器(13)-(15)带入到公式(18)，于是有：
[0099]
[0100] 考虑到失效因子定义，可知E*∈[0,1]，即||ΔE*||＜1，因此：
[0101]
[0102] 显然， 根据V2的定义，则有||σ||∈L∞、 对上式两端积分，可知||σ||∈L2∩L∞。同时，易证明 于是有 当σ＝0时，考虑公式(12)可知，即由执行器故障引起的控制量 可被-
* *
g (x)ΔEuh抵消。因此，根据公式(5)，则有此时 等价于标称系统情
形，且控制器(13)简化为 根据对 及其导数
的分析，可知进气歧管压力p1、排气歧管压力p2均能渐近收敛于各自的期望值p1d、p2d。
[0103] 实例：
[0104] 步骤一、考虑增压柴油机气路进排气歧管温度变化产生的干扰和EGR阀、VGT导向叶片可能出现的故障，建立增压柴油机气路系统动力学模型：
[0105] 增压柴油机气路系统平均值模型为：
[0106]
[0107]
[0108]
[0109] 其中，p1表示进气歧管压力，p2表示排气歧管压力，Pc表示压气机功率，T1为进气歧管温度，T2为排气歧管温度，Wegr为通过EGR阀的气体流量，Wt为通过可变几何截面涡轮的气体流量，Wf为喷油量，ηm为涡轮机械效率，τ为由辨识得到的时间常数，k1、k2、ke为根据柴油机运行条件得到的参数，k1＝RaT1/V1、ke＝ηvNVd/RaT1、k2＝RaT2/V2，Ra为气体常数，Vd为柴油机汽缸容积，V1为进气歧管体积，V2为排气歧管体积，ηv为柴油机充气效率，N为柴油机转速，为压气机流量， Wt为涡轮功率，kt＝ηtcpT2，cp为气体等压比热容， γ＝1.4为空气比热容比，ηc为压气机等熵效率，ηt为涡轮
等熵效率。
[0110] 对于增压柴油机，压气机流量Wc与排气歧管压力p2影响进入柴油机的空气流量和EGR率，可将Wc与p2作为系统状态变量。但实际操作中，为了避免计算Wc及其参考工作点Wcd的复杂计算量，根据压气机流量与进气歧管压力之间关系将参考工作点Wcd替换为并在气路中通过控制进排气歧管压力p1与p2实现控制目标。增压柴油机以EGR与VGT作为气路控制的执行器，因此气路控制的输入量选择为EGR流量Wegr与涡轮流量Wt。公式(1)-(3)中的 分别表示由于进排气歧管温度变化所引起的进排气歧管
压力动力学模型中的干扰量。
[0111] 考虑EGR、VGT的部分失效与恒偏差故障，将系统动力学模型修改为：
[0112]
[0113] 其中，x＝[p1p2Pc]T表示系统状态变量，控制输入量为u1＝Wegr，u2＝Wt。
[0114] 为描述执行器故障，记E1(t)、E2(t)为执行器失效因子，且满足0＜Ei(t)≤1，i＝1,2分别指代EGR阀和VGT导向叶片。当第i个执行器无故障时，Ei(t)＝1；当第i个执行器时出现部分失效故障时，0＜Ei(t)＜1。F1(t)、F2(t)表示各执行器所受的未知有界恒偏差故障，假设恒偏差故障范数有上界，即
[0115] 公式(4)中，函数f(x)、g1(x)、g2(x)、d的定义如下：
[0116]
[0117]
[0118] 本实例中，根据增压柴油机气路动力学模型的建模需求，对气路中相关量进行参数测量与参数处理：
[0119] V1为进气歧管体积，V1＝0.22m3；
[0120] V2为排气歧管体积，V2＝0.2m3；
[0121] Vd为柴油机气缸容积，Vd＝0.127m3；
[0122] N为柴油机转速，N＝1500rpm；
[0123] Ta为外界空气温度，Ta＝300K；
[0124] Ra为气体常数，Ra＝0.287kJ/kg/K；
[0125] T1为进气歧管温度，T1＝300K；
[0126] T2为排气歧管温度，T2＝693K；
[0127] ηv为柴油机充气效率，ηv＝0.87；
[0128] ηt为涡轮等熵效率，ηt＝0.76；
[0129] ηc为压气机等熵效率，ηc＝0.61；
[0130] ηm为涡轮机械效率，ηm＝0.95；
[0131] cp为气体等压比热容，cp＝1.117kJ/kg/K；
[0132] 其中，γ＝1.4为空气比热容比；
[0133] τ为由辨识得到的时间常数τ＝0.15。
[0134] 综上，增压柴油机气路动力学模型中各参数取值为k1＝391.36、k2＝994.46、kt＝588.3、ke＝0.018、kc＝0.0018、ηm＝0.95、μ＝0.285、τ＝0.15。
[0135] 步骤二、根据步骤一中的增压柴油机气路动力学模型设计干扰观测器，用于估计进排气歧管温度变化引入的干扰：
[0136] 柴油机工作过程中，期望的进排气歧管压力分别用pd1、pd2表示，相应的定义压力跟踪误差s1＝p1-pd1、s2＝p2-pd2。为方便控制器设计，记s＝[s1s2]T、p＝[p1p2]T、pd＝[p1d p2d]T。
[0137] 采用公式(4)的干扰观测器，估计增压柴油机气路中进排气歧管温度变化引起的干扰d：
[0138]
[0139] 其中，可调参数κ0、κ1的取值分别为κ0＝20、κ1＝1。
[0140] 公式(5)输出的干扰观测值 能够收敛于d的真实值，在控制器中可以采用 对进排气歧管温度变化所引起的扰动进行补偿。
[0141] 步骤三、采用自适应技术与积分滑模方法设计增压柴油机气路容错控制器，并利用步骤二观测器所获得的干扰估计值补偿系统扰动，实现系统的抗干扰和容错能力：
[0142] 增压柴油机气路抗干扰容错控制器为：
[0143] uFTC＝uh+uf (6)
[0144]
[0145] uf＝-ζg*(x)-1sgn(σ(t)) (8)
[0146] 其中，uh与uf分别表示标称控制量与容错控制量。时变控制增益ζ定义为由自适应参数更新律在线计算， ε＞0。 表示根据故障失效因子所引入辅助变量φ＝1/1-η的估计值，并定义||E*||min＝1/η。通过自适应方法在线估计φ，所设计自适应参数更新律为 β＞0为可调参数。容错控
制量uf中，σ(t)表示积分滑模变量 t0为系统
起始时间。
[0147] 仿真中，采用传统滑模变结构控制器(记为SMC)与本专利所提出的抗干扰容错控制器(记为FTC)进行对比。系统初始状态设定为：p1＝1.32bar，p2＝1.35bar，Pc＝5.605W。由进排气歧管温度变化导致的干扰为d＝[0.0002sin(0.05t) 0.0003cos(0.04t)]T。在25秒时，对EGR阀和VGT叶片引入失效因子为Ei(t)＝0.8+0.05sin(0.2πt)的部分失效故障，恒偏差故障F(t)＝[0.0003sin(0.05t) 0.0005cos(0.03t)]T。
[0148] 根据柴油机的实际运行工况，得到压气机流量Wc、排气歧管压力p2及燃油
质量流量Wf设定的参考值，如表1所示：
[0149] 表1.增压柴油机工作状态参考值
[0150]
[0151] 控制器(6)-(8)中，参数取值分别取为 η＝0.3、β＝1。
[0152] 仿真验证结果表明：本发明所设计的一种基于观测器的增压柴油机气路抗干扰容错控制方法，利用观测器输出补偿进排气歧管温度变化对系统的干扰作用，并通过容错控制器克服了EGR阀与VGT导向叶片可能出现的部分失效故障与恒偏差故障，保证了系统在故障情况下的稳定运行，提高了增压柴油机气路控制鲁棒性和可靠性。
