CN105221275B - 基于模型辨识的涡轮增压汽油机控制系统 - Google Patents

Abstract

一种基于模型辨识的涡轮增压汽油机控制系统，属于控制技术领域。本发明的目的是根据涡轮增压发动机进气系统的时滞特点，设计基于模型辨识的PID控制器，使发动机输出扭矩不受时滞的影响，从而能够快速的满足驾驶员扭矩需求的基于模型辨识的涡轮增压汽油机控制系统。本发明的步骤是：针对系统的动态特性设计激励数据、模型辨识、将输出方程转化为增量型输出方程，完成模型辨识、设计基于辨识模型的PID控制系统。本发明设计的控制系统不依赖涡轮增压进气系统的状态方程，并且能够改善时滞对系统输出的影响，控制算法简单，易于实现。

Description

基于模型辨识的涡轮增压汽油机控制系统

技术领域

本发明属于控制技术领域。

背景技术

涡轮增压是一种利用汽车排出的尾气来对进气空气进行压缩的技术，该技术能够明显提高发动机的动力性，且对改善燃油经济性和降低排放都有深远意义，现今已逐步成为汽车发动机领域重要的发展方向。由于涡轮增压汽油机进气系统具有时变时滞特性，导致涡轮增压汽油机进气系统存在以下问题：

1.涡轮增压汽油机进气系统由于本身的机械结构特性，导致输出扭矩对废弃旁通阀的响应存在时滞，这使得发动机输出扭矩存在延时现象，不能立刻满足驾驶员的需求，降低了汽车的舒适性。

2.目前市面上大多对涡轮增压汽油机进气系统的控制方法是策略控制,这类控制方法不能根据工况实时做出反映，而且也没有考虑时滞特性对输出扭矩的影响,进而导致增压器不能完全的发挥作用,使得涡轮增压发动机的动力性和经济性下降。

发明内容

本发明的目的是根据涡轮增压发动机进气系统的时滞特点，设计基于模型辨识的PID控制器，使发动机输出扭矩不受时滞的影响，从而能够快速的满足驾驶员扭矩需求的基于模型辨识的涡轮增压汽油机控制系统。

本发明的步骤是：

①针对涡轮增压汽油机进气系统的动态特性设计激励数据：

激励数据的设计和输出数据的获取：

选取的激励数据为发动机转速、节气门角度和废气阀角度，选取的激励数据中，转速的范围是：1500rpm～5000rpm，节气门角度范围：15°～60°，废气阀角度范围：0°～60°；

②将激励所获得的输入输出数据构造出涡轮增压进气系统的增量型输出方程：

将激励所获得的输入输出数据构造出系统的输出方程

通过离线的输入输出数据得到具有时变时滞特性的涡轮增压发动机进气系统的输入输出Hankel矩阵：现时时刻输入矩阵Up; 未来时刻输入矩阵Uf 和现时时刻输出矩阵Yp; 未来时刻输出矩阵Yf：

通过求解最小二乘，得出输出方程中的两个矩阵Lw和Lu，

激励数据构造出系统的输出方程为：

；

即为通过子空间辨识方法估计的系统未来输出值，得到输出方程；

最后，为了引入积分抑制作用，将输出方程转化为增量型输出方程，完成对具有时变时滞特性模型的辨识；

③设计基于模型辨识的PID控制系统：

通过模型辨识方法获取涡轮增压进气系统的时滞特征，采用两个PID分别控制节气门开度和涡轮排气阀开度，控制器的输入是由期望扭矩Tqr、辨识模型输出扭矩Tqb、实际输出扭矩Tq共同决定

e=（Tqr-Tqb）+（Tqr-Tq），这样设计的基于模型辨识的PID控制系统能够对涡轮增压进气系统的时变时滞特性进行补偿控制。

本发明将输出方程转化为增量型输出方程的过程是：

其中

，为现时时刻输出矩阵中当前时刻与上一时刻的差值，为现时时刻输入矩阵中当前时刻与前一时刻的差值；为当前时刻输出值，

为涡轮增压发动机进气系统的输入状态未来时刻矩阵中的当前时刻与前一时刻的差值。

本发明设计的控制系统不依赖涡轮增压进气系统的状态方程，并且能够改善时滞对系统输出的影响，控制算法简单，易于实现。本发明的有益效果是：

1.本发明采用子空间辨识的方法对涡轮增压汽油机进气系统的特性进行精确辨识，这样得到的辨识模型可以准确的反映出系统的时变时滞特性，从而为解决涡轮增压汽油机存在的扭矩输出延时问题提供条件。

2. 本发明利用辨识模型的偏差和实际输出偏差作和，采用PID方法设计进气控制系统。 这样可以很好的改善被控对象的时滞特性，减小涡轮增压汽油机的扭矩输出延时，使得输出扭矩能够很快的跟踪上期望扭矩，且由于PID结构简单，实时性好，便于控制系统的工程化实现。

附图说明

图1是涡轮增压汽油机气路系统控制框图；

图2是系统激励数据图；

图3是系统输出数据；

图4是辨识模型验证1（激励）；

图5是辨识模型验证1（输出扭矩）；

图6是辨识模型验证2（激励）；

图7是辨识模型验证2（输出扭矩）；

图8是涡轮增压汽油机控制系统仿真模型；

图9是本发明搭建的控制器；

图10是普通PID控制器；

图11是期望扭矩；

图12是对比发明控制器（阶跃输入和实际输出）；

图13是对比发明控制器（控制器输出）；

图14是对比普通PID（阶跃输入和实际输出）；

图15是对比普通PID（控制器输出）。

具体实施方式

本发明的步骤是：

①针对涡轮增压汽油机进气系统的动态特性设计激励数据：

激励数据的设计和输出数据的获取：

选取的激励数据为发动机转速、节气门角度和废气阀角度，选取的激励数据中，转速的范围是：1500rpm～5000rpm，节气门角度范围：15°～60°，废气阀角度范围：0°～60°；

此激励数据的设计包含系统的各个工况，且废气阀的每个动作都有对应的输出扭矩，因此能够辨识出涡轮增压进气系统由于增压器而引起的时变时滞特性；将激励数据输入到具有时变时滞特性的涡轮增压发动机进气系统的Simulink模型中得到系统的输出扭矩，通过子空间辨识的方法将激励数据和输出扭矩进行处理得到辨识模型；

②将激励所获得的输入输出数据构造出涡轮增压进气系统的增量型输出方程：

将激励所获得的输入输出数据构造出系统的输出方程

通过离线的输入输出数据可以得到具有时变时滞特性的涡轮增压发动机进气系统的输入输出Hankel矩阵Up; Uf 和Yp; Yf：

通过求解最小二乘，得出输出方程中的两个矩阵Lw和Lu，

激励数据构造出系统的输出方程为：

；

即为通过子空间辨识方法估计的系统未来输出值，得到输出方程；

最后，为了引入积分抑制作用，将输出方程转化为增量型输出方程，完成对具有时变时滞特性模型的辨识；

③设计基于模型辨识的PID控制系统：

通过模型辨识方法获取涡轮增压进气系统的时滞特征，采用两个PID分别控制节气门开度和涡轮排气阀开度，控制器的输入是由期望扭矩Tqr、辨识模型输出扭矩Tqb、实际输出扭矩Tq共同决定

e=（Tqr-Tqb）+（Tqr-Tq），这样设计的基于模型辨识的PID控制系统能够对涡轮增压进气系统的时变时滞特性进行补偿控制。

本发明将输出方程转化为增量型输出方程的过程是：

其中

，为现时时刻输出矩阵中当前时刻与上一时刻的差值，为现时时刻输入矩阵中当前时刻与前一时刻的差值；为当前时刻输出值，

为涡轮增压发动机进气系统的输入状态未来时刻矩阵中的当前时刻与前一时刻的差值。

以下结合附图对本发明做进一步详细的描述：

本发明所述的涡轮增压汽油机进气系统的控制是通过软件系统的仿真实现。采用的软件是Matlab/Simulink。在Simulink软件中进行对涡轮增压进气系统的输入输出数据采集、控制器的搭建和系统的仿真。用M文件实现输入输出数据的处理。

从功能上说本发明包括以下几部分：带有时变延时的涡轮增压汽油机进气系统Simulink仿真模型、涡轮增压汽油机进气系统时滞辨识模型及PID控制器模块。下面详细说明各部分的作用：

涡轮增压汽油机进气系统Simulink仿真模型模拟真实的被控对象，主要作用是能够准确的模拟实际汽油机进气系统的功能及时滞特征，为模型辨识提供准确的输入输出数据；

涡轮增压汽油机进气系统辨识模型的主要过程是通过设计的激励对被控对象进行充分激励，得到输入输出数据，采用子空间辨识方法，对系统的时滞特性进行有效辨识，获得精确的辨识模型。

PID控制器模块是利用辨识模型输出与期望值之间的偏差，实际输出与期望值之间的偏差，两个偏差之和计算出控制信号，对进气系统进行精确控制。

本发明的控制系统控制框图如图1所示，图中输入是期望扭矩，两个PID是在Simulink中搭建的，分别控制节气门角度和废气阀角度，输入均为辨识模型的偏差与实际输出偏差之和；辨识模型是通过子空间辨识方法得到的带有时变时滞特性的涡轮增压汽油机进气系统模型；汽油机Simulink模型是用Simulink搭建的涡轮增压汽油机进气系统模型。

本发明的控制目标是，控制系统根据实时反馈信号，控制发动机的运行，使实际扭矩跟踪上期望扭矩且控制器的输出平顺。

本发明提供了一套基于以上运行原理和运行过程的装置。搭建以及运行过程如下：

1．软件选择

该系统模型是通过软件Matlab进行搭建，软件版本分别为Matlab R2013a，求解器选择为ode3。仿真步长为定步长，步长选择为0.002s。被控对象和控制器仿真模型通过软件Matlab/Simulink进行搭建。

2.时变时滞信号的设计

本发明的被控对象为Simulink模型，需在被控对象中加入时变时滞信号。因此，本发明在涡轮增压汽油机进气系统的涡轮与机械连杆、排气歧管与废气阀两部分中加入时变时滞信号，时变时滞信号范围为0.2s～0.6s。

时变时滞：时滞是时间滞后的简称，是指某一行为从启动到产生结果的时间段，时变时滞是指时滞的大小随时间变化。

3.控制系统设计

本发明的被控对象是带有时变时滞的涡轮增压汽油机进气系统，控制目标是改善时变时滞现象对输出扭矩的影响，使节气门开度和废气阀开度变化平滑，无尖峰脉冲。本发明的控制算法是由子空间辨识和PID控制相结合构成的。这种方法的特点是不需要用被控对象的传递函数或状态方程来设计控制器，而是通过用子空间辨识方法辨识带有变时滞的涡轮增压汽油机进气系统，得到辨识模型，进而设计基于PID的控制系统。

1）.激励数据的设计和输出数据的获取

首先需要针对系统的动态特性设计适当的激励数据。本发明选取的激励数据为发动机转速、节气门角度和废气阀角度，选取的激励数据中，转速的范围是：1500rpm～5000rpm，节气门角度范围：15°～60°，废气阀角度范围：0°～60°。将激励数据输入到涡轮增压发动机进气系统的Simulink模型中得到系统的输出扭矩，通过子空间辨识的方法将激励数据和输出扭矩进行处理得到辨识模型。为了确保激励模型的精确性，对激励数据进行了归一化，发动机转速的归一化系数为1/5000，节气门角度归一化系数为1/60，废气阀角度归一化系数为1/60。

激励数据选取如图2所示，对Simulink模型激励后，获得输出扭矩如图3所示。

2）.模型辨识

通过离线的输入输出数据可以得到系统的输入输出Hankel矩阵Up; Uf 和Yp;Yf：

通过求解最小二乘，得出输出方程中的两个矩阵Lw和Lu，

激励数据构造出系统的输出方程为：

；

即为通过子空间辨识方法估计的系统未来输出值，得到输出方程；

最后，为了引入积分抑制作用，将输出方程转化为增量型输出方程，完成对具有时变时滞特性模型的辨识；

将输出方程转化为增量型输出方程可以采用常规的转化方法，本发明采用以下进行验证

其中

，为现时时刻输出矩阵中当前时刻与上一时刻的差值，为现时时刻输入矩阵中当前时刻与前一时刻的差值；为当前时刻输出值，

为涡轮增压发动机进气系统的输入状态未来时刻矩阵中的当前时刻与前一时刻的差值。

③设计基于模型辨识的PID控制系统：

通过模型辨识方法获取涡轮增压进气系统的时滞特征，采用两个PID分别控制节气门开度和涡轮排气阀开度，控制器的输入是由期望扭矩Tqr、辨识模型输出扭矩Tqb、实际输出扭矩Tq共同决定

e=（Tqr-Tqb）+（Tqr-Tq），这样设计的基于模型辨识的PID控制系统能够对涡轮增压进气系统的时变时滞特性进行补偿控制。

本发明针对涡轮增压汽油机进气系统存在的时变时滞问题，利用子空间辨识模型来设计控制系统，补偿进气系统的时滞影响，解决涡轮增压汽油机存在的输出延时问题。由于涡轮增压进气系统状态方程难以推导，并且参数时变，这使得难以设计有效的控制系统。

本发明所述的涡轮增压汽油机进气系统的控制是通过软件系统的仿真实现。采用的软件是Matlab/Simulink。在Simulink软件中进行对涡轮增压进气系统的输入输出数据采集、控制器的搭建和系统的仿真。用M文件实现输入输出数据的处理。

从功能上说本发明包括以下几部分：带有时变延时的涡轮增压汽油机进气系统Simulink仿真模型、涡轮增压汽油机进气系统时滞辨识模型及PID控制器模块。下面详细说明各部分的作用：

涡轮增压汽油机进气系统Simulink仿真模型模拟真实的被控对象，主要作用是能够准确的模拟实际汽油机进气系统的功能及时滞特征，为模型辨识提供准确的输入输出数据；

涡轮增压汽油机进气系统辨识模型的主要过程是通过设计的激励对被控对象进行充分激励，得到输入输出数据，采用子空间辨识方法，对系统的时滞特性进行有效辨识，获得精确的辨识模型。

PID控制器模块是利用辨识模型输出与期望值之间的偏差，实际输出与期望值之间的偏差，两个偏差之和计算出控制信号，对进气系统进行精确控制。

3）.辨识模型验证

根据激励数据得到系统的辨识模型，对于控制来说，辨识模型能否精确地预测系统的未来输出，决定着控制性能的优劣。下面，本发明通过几组仿真实验对得到的输出方程进行验证。

（1）.Lw和Lu矩阵

Lw为30*120矩阵，Lu为30*90矩阵。

选取的激励数据中，转速的范围是：1500rpm～5000rpm，节气门角度范围：15°～60°，废气阀角度范围：0°～60°，具体数值如图一。将激励数据输入到涡轮增压发动机进气系统的Simulink模型中得到系统的输出扭矩，具体数值如图2所示。仿真的步长为0.002s，仿真从3.002s开始，163s结束，总仿真时间160s，每个工况总的点个数80000个。

所采用的数据为以上得到的数据每隔5个点取一个点，每个工况总的点个数为16000个。

通过离线的输入输出数据可以得到系统的输入输出Hankel矩阵Up; Uf 和Yp;Yf：

Y _p 为取点后的输出扭矩的第1～15970个数构成的30*15940矩阵。

Y _f 为取点后的输出扭矩的第30～16000个数构成的30*15940矩阵。

U _p 为取点后的激励数据（废气阀角度、节气门角度、转速）的第1～15970个数构成的90*15940矩阵。

U _f 为取点后的激励数据（废气阀角度、节气门角度、转速）的第30～16000个数构成的90*15940矩阵。

其中废气阀角度U1、节气门角度U2、转速U3中每个对应的数构成一个列向量，即

u_i =[U1;U2;U3]

由此16000个3*1矩阵构成U _p、 U _f 矩阵。

将构成的输入输出Hankel矩阵Up; Uf 和Yp; Yf代入方程

得出Lw、Lu矩阵。

验证一

图4是从激励数据中任意抽取的一段激励数据，第一组为发动的转速，第二组为节气门角度，第三组为废气阀角度。根据方程

，

得出辨识模型输出，图5是验证结果，实线为辨识模型的输出，虚线为Simulink模型的输出，从图形可以看出辨识得到的系统输出与实际系统输出非常接近。

验证二

重新设计的一组激励数据如图6所示，第一组为发动的转速，第二组为节气门角度，第三组为废气阀角度。根据方程

，

得出辨识模型输出，图7是验证结果，实线为辨识模型的输出，虚线为Simulink模型的输出，从图形可以看出辨识得到的系统输出能跟踪上实际系统输出，这说明设计的预测模型精度是符合要求的。

对比验证

本发明的涡轮增压汽油机控制系统仿真模型如图8所示，控制器如图9所示。普通PID控制器如图10所示。为了验证控制器的控制性能，本发明设计了一组期望扭矩，通过期望扭矩与实际输出扭矩的对比，可以验证出控制系统的性能；并与普通PID控制效果进行对比。

系统的前3s为不可控状态。

期望扭矩为连续阶跃信号，如图11所示。在3.5s时，期望扭矩由170Nm变到190Nm；在10s时，期望扭矩由190Nm变到220Nm；在16s时，期望扭矩由220Nm变到205Nm。转速为3000rpm。

对本发明控制系统进行仿真后，得到输出扭矩结果如图12所示，控制器输出结果如图13所示。由图12可知，本发明有着很好的跟踪效果，由图13可知，本发明的控制输出平滑且满足执行器约束，符合实际需求。

对普通PID控制系统进行仿真后，输出扭矩如图14所示，控制器输出如图15所示。由图12与图14对比可知，在阶跃输入下，虽然本发明的跟踪效果与普通PID控制效果无明显差别。但由图13和图15对比可知，普通PID控制输出存在明显的尖峰现象。这种控制信号是不合理的，因为在实际情况中，执行器无法瞬时改变动作，所以尖峰信号是无法执行的。，由此可见，本发明的控制系统能够很好的解决涡轮增压发动机进气系统存在的动力输出延时问题，使得控制输出很快的跟踪上期望值，并且控制系统输出符合实际情况。

Claims (2)

1.一种基于模型辨识的涡轮增压汽油机控制系统，其特征在于：

①针对涡轮增压汽油机进气系统的动态特性设计激励数据：

激励数据的设计和输出数据的获取：

选取的激励数据为发动机转速、节气门角度和废气阀角度，选取的激励数据中，转速的范围是：1500rpm～5000rpm，节气门角度范围：15°～60°，废气阀角度范围：0°～60°；

②将激励所获得的输入输出数据构造出涡轮增压进气系统的增量型输出方程：

将激励所获得的输入输出数据构造出系统的输出方程

通过离线的输入输出数据得到具有时变时滞特性的涡轮增压发动机进气系统的输入输出Hankel矩阵：现时时刻输入矩阵Up; 未来时刻输入矩阵Uf 和现时时刻输出矩阵Yp;未来时刻输出矩阵Yf：

通过求解最小二乘，得出输出方程中的两个矩阵Lw和Lu，

激励数据构造出系统的输出方程为：

；

即为通过子空间辨识方法估计的系统未来输出值，得到输出方程；

最后，为了引入积分抑制作用，将输出方程转化为增量型输出方程，完成对具有时变时滞特性模型的辨识；

③设计基于模型辨识的PID控制系统：

通过模型辨识方法获取涡轮增压进气系统的时滞特征，采用两个PID分别控制节气门开度和涡轮废气阀开度，控制器的输入是由期望扭矩Tqr、辨识模型输出扭矩Tqb、实际输出扭矩Tq共同决定

e=（Tqr-Tqb）+（Tqr-Tq），这样设计的基于模型辨识的PID控制系统能够对涡轮增压进气系统的时变时滞特性进行补偿控制。

2.根据权利要求1所述的基于模型辨识的涡轮增压汽油机控制系统，其特征在于：将输出方程转化为增量型输出方程的过程是：

其中

，为现时时刻输出矩阵中当前时刻与上一时刻的差值，为现时时刻输入矩阵中当前时刻与前一时刻的差值；为当前时刻输出值，

为涡轮增压发动机进气系统的输入状态未来时刻矩阵中的当前时刻与前一时刻的差值。