CN114320626A - 一种天燃气发动机用混合器控制方法及系统 - Google Patents

一种天燃气发动机用混合器控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

一种天燃气发动机用混合器控制方法及系统，包括如下步骤：获取天然气和空气的基础参数，通过基础参数得到天然气和空气的体积动态模型；通过体积动态模型得到调节误差；通过调节误差得到自适应律；将进入混合器的天然气压力作为控制要素，并通过调节误差以及自适应律得到其控制策略。本申请既解决了天然气供给系统存在压力波动、空气与天然气混合处压力值存在量测误差的问题，又将天然气供给系统存在压力波动对空燃比控制精度的影响抑制在水平γ之下。

Description

一种天燃气发动机用混合器控制方法及系统
技术领域
本申请涉及一种天燃气发动机用混合器控制方法及系统。
背景技术
对于以天然气等气体燃料为基础的内燃机，提高其与空气准确以及实时的空燃比至关重要。但是其受到了影响因素非常之多，这对于空燃比的精确控制带来了诸多的不利条件。例如，天然气供给系统存在压力波动，使进入混合器的天然气存在不确定性，影响空燃比的控制精度；用压力传感器测量的空气与天然气混合处压力值存在量测误差，同样影响空燃比的控制精度。此外，空气与天然气混合物的压力一般情况下也有较大的波动，这显然对于空燃比的控制精度存在不利影响。
发明内容
为了解决上述问题，本申请公开了一种天燃气发动机用混合器控制方法，包括如下步骤：
获取天然气和空气的基础参数，通过基础参数得到天然气和空气的体积动态模型：
通过体积动态模型得到调节误差；
通过调节误差得到自适应律；
将进入混合器的天然气压力作为控制要素，并通过调节误差以及自适应律得到其控制策略。
优选的，所述空气的动态模型体积为
Figure BDA0003466298020000011
所述天然气的动态模型体积为
Figure BDA0003466298020000012
Figure BDA0003466298020000021
其中，t是时刻，Va(t)是进入混合器的空气体积，Vg(t)是进入混合器的天然气体积，Ca是空气流量系数，Cg是天然气流量系数，Aa是空气流通面积，Ag是天然气流通面积，Pa(t)是进入混合器的空气压力，Pg(t)是进入混合器的天然气压力，ΔPg(t)是天然气供给系统压力波动量，Pd(t)是空气与天然气混合处的压力，ρa是空气密度，ρg是天然气密度。
优选的，所述调节误差为y(t)，
Figure BDA0003466298020000022
优选的，取自适应律
Figure BDA0003466298020000023
为
Figure BDA0003466298020000024
其中，
Figure BDA0003466298020000025
是Pd(t)的在线估计值，
Figure BDA0003466298020000026
是
Figure BDA0003466298020000027
的导数，即对
Figure BDA0003466298020000028
积分得
Figure BDA0003466298020000029
取
Figure BDA00034662980200000210
其中，
Figure BDA00034662980200000211
表示Pd(t)与其在线估计值
Figure BDA00034662980200000212
的误差。
优选的，天然气压力控制器Pg(t)为：
Figure BDA00034662980200000213
其中，λd为空燃比的理想值，γ为噪声抑制水平。
优选的，还包括一验证的过程：
对y(t)取微分
Figure BDA00034662980200000214
Figure BDA00034662980200000215
优选的，选取李雅普诺夫函数
Figure BDA00034662980200000216
对V(t)取微分：
Figure BDA0003466298020000031
优选的，将天然气压力控制器Pg(t)以及自适应律
Figure BDA0003466298020000032
带入到
Figure BDA0003466298020000033
当中，得到：
Figure BDA0003466298020000034
对该式两侧进行[0，∞]积分，
Figure BDA0003466298020000035
优选的，
Figure BDA0003466298020000036
另一方面，还公开了一种天燃气发动机用混合器控制方法，还包括如下模块：
参数获取模块，用于获取天然气和空气的基础参数，通过基础参数得到天然气和空气的体积动态模型；
数据处理模块，用于通过体积动态模型得到调节误差、通过调节误差得到自适应律；
控制模块，将进入混合器的天然气压力作为控制要素，并通过调节误差以及自适应律得到控制策略用于天然气内燃机的控制。
本申请能够带来如下有益效果：本申请既解决了天然气供给系统存在压力波动、空气与天然气混合处压力值存在量测误差的问题，又将天然气供给系统存在压力波动对空燃比控制精度的影响抑制在水平γ之下。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本申请的控制方式的示意图；
图2为空燃比调节误差的变化示意图；
图3为自适应律的变化示意图。
具体实施方式
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本申请进行详细阐述。
一种天燃气发动机用混合器控制方法，包括如下步骤：
获取天然气和空气的基础参数，通过基础参数得到天然气和空气的体积动态模型；
通过体积动态模型得到调节误差；
通过调节误差得到自适应律；
将进入混合器的天然气压力作为控制要素，并通过调节误差以及自适应律得到其控制策略。
本申请实质公开了一种电控燃气混合器鲁棒自适应控制策略，包括计及天燃气供给系统压力波动、空气与天然气混合处压力未知的进入混合器的空气体积、天然气体积动态模型、进入混合器的天燃气压力控制器，如图1所示。
建立基于天燃气供给系统压力波动、空气与天然气混合处压力未知的进入混合器的空气体积、天然气体积动态模型：
Figure BDA0003466298020000051
其中，t是时刻，Va(t)是进入混合器的空气体积(m3)，Vg(t)是进入混合器的天然气体积(m3)，Ca是空气流量系数，Cg是天然气流量系数，Aa是空气流通面积(m2)，Ag是天然气流通面积(m2)，Pa(t)是进入混合器的空气压力(kPa)，Pg(t)是进入混合器的天然气压力(kPa)，ΔPg(t)是天燃气供给系统压力波动量，Pd(t)是空气与天然气混合处的压力(kPa)，ρa是空气密度(kg/m3)，ρg是天然气密度(kg/m3)。
定义空燃比调节误差y(t)：
Figure BDA0003466298020000052
则
Figure BDA0003466298020000053
Figure BDA0003466298020000054
选取李雅普诺夫函数
Figure BDA0003466298020000055
其中
Figure BDA0003466298020000056
Figure BDA0003466298020000057
为自适应律。
对V(t)取微分：
Figure BDA0003466298020000058
Figure BDA0003466298020000059
Figure BDA0003466298020000061
取进入混合器的天燃气压力控制器Pg(t)为：
Figure BDA0003466298020000062
Figure BDA0003466298020000063
取自适应律
Figure BDA0003466298020000064
为
Figure BDA0003466298020000065
将(5)、(6)代入(4)，可得
Figure BDA0003466298020000066
将(7)两边在[0，∞]积分，可得
Figure BDA0003466298020000067
移项
Figure BDA0003466298020000068
由(8)知，利用上述方法，既解决了天然气供给系统存在压力波动、空气与天然气混合处压力值存在量测误差的问题，又将天然气供给系统存在压力波动对空燃比控制精度的影响抑制在水平γ之下。
Figure BDA0003466298020000069
Figure BDA00034662980200000610
对于控制器(5)的有效性，可以利用公式(1)、(2)、(5)、(6)，在MATLAB/Simulink里搭建数值仿真模型验证，验证效果见图2、图3。
由图2、图3可看出，空燃比调节误差y(t)稳定在零点的邻域内，且自适应律在线估计出了空气与天然气混合处压力值，即所设计的控制器(5)能够有效抑制天然气供给系统存在压力波动、在线估计空气与天然气混合处压力值，提高了空燃比的控制精度。
以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种天燃气发动机用混合器控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
获取天然气和空气的基础参数，通过基础参数得到天然气和空气的体积动态模型；
通过体积动态模型得到调节误差；
通过调节误差得到自适应律；
将进入混合器的天然气压力作为控制要素，并通过调节误差以及自适应律得到其控制策略。
2.根据权利要求1所述的一种天燃气发动机用混合器控制方法，其特征在于：
所述空气的动态模型体积为
Figure FDA0003466298010000011
所述天然气的动态模型体积为
Figure FDA0003466298010000012
Figure FDA0003466298010000013
其中，t是时刻，Va(t)是进入混合器的空气体积，Vg(t)是进入混合器的天然气体积，Ca是空气流量系数，Cg是天然气流量系数，Aa是空气流通面积，Ag是天然气流通面积，Pa(t)是进入混合器的空气压力，Pg(t)是进入混合器的天然气压力，ΔPg(t)是天然气供给系统压力波动量，Pd(t)是空气与天然气混合处的压力，ρa是空气密度，ρg是天然气密度。
3.根据权利要求2所述的一种天燃气发动机用混合器控制方法，其特征在于：所述调节误差为y(t)，
Figure FDA0003466298010000014
4.根据权利要求3所述的一种天燃气发动机用混合器控制方法，其特征在于：取自适应律
Figure FDA0003466298010000015
为
Figure FDA0003466298010000016
其中，
Figure FDA0003466298010000017
是Pd(t)的在线估计值，
Figure FDA0003466298010000018
是
Figure FDA0003466298010000019
的导数，即对
Figure FDA00034662980100000110
积分得
Figure FDA00034662980100000111
取
Figure FDA0003466298010000021
其中，
Figure FDA0003466298010000022
表示Pd(t)与其在线估计值
Figure FDA0003466298010000023
的误差。
5.根据权利要求4所述的一种天燃气发动机用混合器控制方法，其特征在于：天然气压力控制器Pg(t)为：
Figure FDA0003466298010000024
其中，λd为空燃比的理想值，γ为噪声抑制水平。
6.根据权利要求5所述的一种天燃气发动机用混合器控制方法，其特征在于：还包括一验证的过程：
对y(t)取微分
Figure FDA0003466298010000025
Figure FDA0003466298010000026
7.根据权利要求6所述的一种天燃气发动机用混合器控制方法，其特征在于：选取李雅普诺夫函数
Figure FDA0003466298010000027
对V(t)取微分：
Figure FDA0003466298010000028
Figure FDA0003466298010000031
8.根据权利要求7所述的一种天燃气发动机用混合器控制方法，其特征在于：将天然气压力控制器Pg(t)以及自适应律
Figure FDA0003466298010000032
带入到
Figure FDA0003466298010000033
当中，得到：
Figure FDA0003466298010000034
对该式两侧进行[0，∞]积分，
Figure FDA0003466298010000035
9.根据权利要求8所述的一种天燃气发动机用混合器控制方法，其特征在于：
Figure FDA0003466298010000036
10.一种天燃气发动机用混合器控制方法，其特征在于：还包括如下模块：
参数获取模块，用于获取天然气和空气的基础参数，通过基础参数得到天然气和空气的体积动态模型；
数据处理模块，用于通过体积动态模型得到调节误差、通过调节误差得到自适应律；
控制模块，将进入混合器的天然气压力作为控制要素，并通过调节误差以及自适应律得到控制策略用于天然气内燃机的控制。
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