CN115419511A - 一种船用天然气发动机燃烧闭环控制方法及系统 - Google Patents

一种船用天然气发动机燃烧闭环控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种船用天然气发动机燃烧闭环控制方法及系统。首先利用缸压传感器采集天然气发动机工作过程中缸内的压力信号，并提取燃烧特征参数；然后通过燃烧特征参数与控制信号建立紧格式动态线性化数据模型，进而设计燃烧闭环控制方案；最后根据当前天然气发动机运行工况下燃烧特征参数的期望值，通过调整天然气发动机的控制信号，使燃烧特征参数达到期望值，从而实现燃烧闭环控制。本发明适应于航行环境复杂多变的船用天然气发动机燃烧过程控制，具有良好的燃烧控制效果。

Description

一种船用天然气发动机燃烧闭环控制方法及系统
技术领域
本发明属于船舶和燃烧发动机控制的技术领域，特别是一种船用天然气发动机燃烧闭环控制方法及系统。
背景技术
由于船用天然气发动机相比柴油机具有污染少的优势，是比较理想的清洁燃料，因此将天然气作为燃料的天然气发动机成为研究的热点。
由于天然气自燃点温度高，无法像柴油机采用压燃式的着火方式，大多采用火花塞点燃式的着火方式。
为改善天然气发动机的经济性与排放，近几年诸多学者展开了对天然气发动机的稀薄燃烧技术。
相比柴油机而言，天然气发动机燃烧不稳定，尤其是天然气发动机点的点火正时、喷射正时、稀薄燃烧程度都会对燃烧质量产生很大的影响，失火及爆震出现的概率增加，缸内压力循环变动严重。
因此，实现对天然气发动机燃烧闭环控制具有重要意义。
采用基于接口数据的方式，对天然气发动机燃烧过程实现闭环控制。
基于接口数据的驱动方法充分考虑了天然气发动机燃烧过程的不稳定性，以及燃烧过程建模困难、建模不准确等问题，采用基于模型的控制方式无法设计更好的控制器。
通过数据驱动的方式对天然气发动机的燃烧特征信号与控制输入信号进行辨识，将天然气发动机非线性燃烧过程抽象后得到线性化模型，在此基础上完成控制器设计。
整个控制器的设计过程中不依赖任何船用天然气发动机模型，为天然气发动机的燃烧闭环控制提供参考方向。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
（1）天然气发动机燃烧过程缸内压力循环变动；
（2）通过提高天然气发动机热功转换效率，进而提高经济性；
（3）稀薄燃烧技术导致天然气发动机运行过程中失火与爆震的概率增大。
由于天然气发动机燃烧过程建模难，且运行过程中受到诸多扰动，建模不准确，因此基于模型的控制器难以设计。
发明内容
根据上述提出的问题，本发明提出了一种船用天然气发动机燃烧闭环控制方法及系统。
本发明的技术方案是： 一种船用天然气发动机燃烧闭环控制方法，包括以下步骤：
步骤S101：利用缸压传感器采集天然气发动机工作过程中产生的缸内压力信号，并将采集的缸压信号经过处理，得到所需的燃烧特征信号；
步骤S102：采集当前工况下喷射正时、点火正时和目标过量空气系数的控制信号，建立关于控制信号与燃烧特征信号的紧格式动态线性化数据模型；
步骤S103：计算紧格式动态线性化数据模型中的矩阵雅可比PJM参数，设计相应的参数估计算法；
步骤S104：根据紧格式动态线性化数据模型，设计喷射正时、点火正时和目标过量空气系数的控制信号控制算法。
优选的，所述步骤S101中的燃烧特征信号通过缸压信号结合曲轴凸轮轴信号，由热力学公式进行提取。
进一步优选的，所述燃烧特征信号包括：燃烧中点CA50、燃烧结束CA90和最大放热率。
进一步优选的，所述步骤S102中的控制信号点火正时、目标过量空气系数、喷射正 时分别定义为
Figure 984742DEST_PATH_IMAGE001
，所述燃烧中点CA50、燃烧结束CA90和最大放热率的燃烧反馈参数分 别定义为
Figure 874201DEST_PATH_IMAGE002
，紧格式动态线性化数据模型如下：
Figure 644973DEST_PATH_IMAGE003
其中，
Figure 351898DEST_PATH_IMAGE004
是三个燃烧特征信号参数的下一时刻，相比当前时刻的变化量组 成的向量；
Figure 542708DEST_PATH_IMAGE005
是三个控制信号当前时刻的变化量；
Figure 235857DEST_PATH_IMAGE006
是比重所组成的参数矩阵，且 不唯一。
进一步优选的，所述步骤S103中的矩阵雅可比PJM参数的估计算法步骤包括：
步骤S301：定义
Figure 625250DEST_PATH_IMAGE007
为权重因子，用于惩罚PJM参数估计值的过大变化，参数估计 准则函数如下：
Figure 378442DEST_PATH_IMAGE008
步骤S302：极小化参数估计准则函数，可得
Figure 384445DEST_PATH_IMAGE006
的估计值
Figure 881285DEST_PATH_IMAGE009
得到包含矩阵 求逆运算的PJM参数估计算法如下：
Figure 157808DEST_PATH_IMAGE010
进一步优选的，对步骤S302中的PJM参数估计算法进一步改进，定义
Figure 613060DEST_PATH_IMAGE011
为步 长因子，得到不含矩阵求逆运算的改进PJM参数估计算法如下：
Figure 981724DEST_PATH_IMAGE012
进一步优选的，在不含矩阵求逆运算的改进PJM参数估计算法的基础上进一步改 进，对PJM估计值的每个分量参数
Figure 141310DEST_PATH_IMAGE013
引入算法重置机制如下：
Figure 911820DEST_PATH_IMAGE014
，如果
Figure 865870DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure 721830DEST_PATH_IMAGE016
是一个小正数，或
Figure 419528DEST_PATH_IMAGE017
，
Figure 778965DEST_PATH_IMAGE018
。
进一步优选的，所述步骤S104中控制信号的控制算法设计步骤如下：
步骤S401：定义
Figure 670960DEST_PATH_IMAGE019
为权重因子，用于惩罚控制信号输入量过大的变化，给出控 制输入准则函数如下：
Figure 748637DEST_PATH_IMAGE020
其中，
Figure 515605DEST_PATH_IMAGE021
为期望的输出信号。
步骤S402：将紧格式动态线性化数据模型代入步骤S401中得到的控制输入准则函 数，对
Figure 995128DEST_PATH_IMAGE022
求导，并令其等于0，得到包含矩阵求逆运算的控制律：
Figure 228663DEST_PATH_IMAGE023
进一步优选的，对步骤S402的控制律进一步改进，定义步长因子
Figure 918270DEST_PATH_IMAGE024
，得到最 终控制输入算法如下：
Figure 98716DEST_PATH_IMAGE025
。
本发明还提供了一种船用天然气发动机燃烧闭环控制系统，应用船用天然气发动机燃烧闭环控制方法，所述控制系统包括天然气发动机、缸压传感器、角标仪和控制器；所述缸压传感器用于采集天然气发动机缸内压力信号；所述角标仪用于与缸压传感器结合计算燃烧反馈参数；所述控制器用于燃烧闭环控制。
本发明的有益效果是：所采用的数据驱动的控制方式仅需要系统输入输出数据，不依赖于模型，可解决燃烧过程复杂多变、难以建立准确的数学模型，以及燃烧过程伴随着不确定扰动因素的难题。此控制器在运行过程中，根据输入输出数据自动调整雅可比PJM参数，更新动态线性化数据模型，进而不断调整天然气发动机的控制信号，使燃烧特征参数达到期望值，从而实现燃烧闭环控制，具有自适应的控制效果。
附图说明
以下将结合附图和实施例来对本发明的技术方案作进一步的详细描述，但是应当知道，这些附图仅是为解释目的而设计的，因此不作为本发明范围的限定。
此外，除非特别指出，这些附图仅意在概念性地说明此处描述的结构构造，而不必要依比例进行绘制。
图1是船用天然气发动机燃烧闭环控制整体架构图；
图2是动态线性化数据模型结构图；
图3是燃烧闭环控制流程图；
图4是燃烧特征信号采集流程图；
图5是天然气发动机试验平台连接结构示意图；
图6是天然气发动机整体控制流程图；
图7是1000r/min25%负荷工况下单缸燃烧中点CA50的控制效果图；
图8是1000r/min25%负荷工况下单缸燃烧结束CA90的控制效果图；
图9是1000r/min25%负荷工况下单缸最大放热率的控制效果图；
图10是缸压信号采集燃烧中点CA50的信号图；
图11是缸压信号采集燃烧结束CA90的信号图；
图12是缸压信号采集最大放热率的信号图；
图13是紧格式动态线性化数据模型的参数矩阵
Figure 557379DEST_PATH_IMAGE006
中参数PPD11变化图；
图14是紧格式动态线性化数据模型的参数矩阵
Figure 899499DEST_PATH_IMAGE006
中参数PPD12变化图；
图15是紧格式动态线性化数据模型的参数矩阵
Figure 843446DEST_PATH_IMAGE006
中参数PPD13变化图；
图16是紧格式动态线性化数据模型的参数矩阵
Figure 562004DEST_PATH_IMAGE006
中参数PPD21变化图；
图17是紧格式动态线性化数据模型的参数矩阵
Figure 140752DEST_PATH_IMAGE006
中参数PPD22变化图；
图18是紧格式动态线性化数据模型的参数矩阵
Figure 919353DEST_PATH_IMAGE006
中参数PPD23变化图；
图19是紧格式动态线性化数据模型的参数矩阵
Figure 317973DEST_PATH_IMAGE006
中参数PPD31变化图；
图20是紧格式动态线性化数据模型的参数矩阵
Figure 840221DEST_PATH_IMAGE006
中参数PPD32变化图；
图21是紧格式动态线性化数据模型的参数矩阵
Figure 273477DEST_PATH_IMAGE006
中参数PPD33变化图。
具体实施方式
首先，需要说明的是，以下将以示例方式来具体说明本发明的具体结构、特点和优点等，然而所有的描述仅是用来进行说明的，而不应将其理解为对本发明形成任何限制。
此外，在本文所提及各实施例中予以描述或隐含的任意单个技术特征，或者被显示或隐含在各附图中的任意单个技术特征，仍然可在这些技术特征( 或其等同物) 之间继续进行任意组合或删减，从而获得可能未在本文中直接提及的本发明的更多其他实施例。
另外，为了简化图面起见，相同或相类似的技术特征在同一附图中可能仅在一处进行标示。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图1-21具体说明本发明。
实施例1：
一种船用天然气发动机燃烧闭环控制方法，包括以下步骤：
步骤S101：利用缸压传感器采集天然气发动机工作过程中产生的缸内压力信号，并将采集的缸压信号经过处理，得到所需的燃烧特征信号；
步骤S102：采集当前工况下喷射正时、点火正时和目标过量空气系数的控制信号，建立关于控制信号与燃烧特征信号的紧格式动态线性化数据模型；
步骤S103：计算紧格式动态线性化数据模型中的矩阵雅可比PJM参数，设计相应的参数估计算法；
步骤S104：根据紧格式动态线性化数据模型，设计喷射正时、点火正时和目标过量空气系数的控制信号控制算法。
进一步的，还可以在实施例中考虑，所述步骤S101中的燃烧特征信号通过缸压信号结合曲轴凸轮轴信号，由热力学公式进行提取。
更进一步的，还可以在实施例中考虑，所述燃烧特征信号包括：燃烧中点CA50、燃烧结束CA90和最大放热率。
如图1-2所示，利用缸压传感器采集天然气发动机工作过程中缸内压力信号，并将采集的缸压信号经过处理提取所需的燃烧特征信号。
图10-12是根据缸压信号采集到的对应的CA50、CA90及最大放热率信号图。
提取燃烧特征信号的流程如图4所示，天然气发动机试验平台结构如图5所示，其工作原理是燃气喷射阀用于控制从天然气瓶经燃气滤清器等处理后的天然气量，电子节气门用于控制源于大气经滤清器等处理后的空气量，天然气和空气经混合后进入燃烧室，火花塞用于点燃混合气，使用缸压传感器采集燃烧过程的缸压信号，具体步骤如下：
第一步：利用缸压传感器采集天然气发动机缸内压力信号；
第二步：将采集到的缸压信号结合曲轴信号、凸轮轴信号通过双Weibe燃烧函数计 算得到燃烧放热率
Figure 222978DEST_PATH_IMAGE026
，只要满足当前放热率大于上一状态点放热率，同时小于下一状 态点放热率，则当前放热率为最大放热率。
计算方式如下：
Figure 875938DEST_PATH_IMAGE027
其中，
Figure 936298DEST_PATH_IMAGE028
为快速燃烧阶段（第一Weibe函数）所占的比例，
Figure 489639DEST_PATH_IMAGE029
为当前曲轴转角，
Figure 610042DEST_PATH_IMAGE030
为 燃烧始点对应的曲轴转角，
Figure 983255DEST_PATH_IMAGE031
为燃烧持续角，
Figure 847306DEST_PATH_IMAGE032
是效率因子，
Figure 989574DEST_PATH_IMAGE033
是燃料燃烧品质指数，
Figure 546457DEST_PATH_IMAGE034
分别是快速和慢速燃烧阶段。
第三步：通过双Weibe函数计算燃烧质量分数
Figure 908431DEST_PATH_IMAGE035
，燃烧质量分数为50%的点所对应 的曲轴转角为CA50，燃烧质量分数为90%的点所对应的曲轴转角为CA90。
其计算方式如下：
Figure 372910DEST_PATH_IMAGE036
。
更进一步的，还可以在实施例中考虑，所述步骤S102中的控制信号点火正时、目标 过量空气系数、喷射正时分别定义为
Figure 572947DEST_PATH_IMAGE001
，所述燃烧中点CA50、燃烧结束CA90和最大放 热率的燃烧反馈参数分别定义为
Figure 97469DEST_PATH_IMAGE002
，紧格式动态线性化数据模型如下：
Figure 320640DEST_PATH_IMAGE003
其中，
Figure 651128DEST_PATH_IMAGE004
是三个燃烧特征信号参数的下一时刻，相比当前时刻的变化量组 成的向量；
Figure 929838DEST_PATH_IMAGE005
是三个控制信号当前时刻的变化量；
Figure 454623DEST_PATH_IMAGE006
是比重所组成的参数矩阵，且 不唯一。
紧格式动态线性化数据模型如下所示：
Figure 899510DEST_PATH_IMAGE037
Figure 33689DEST_PATH_IMAGE038
Figure 146001DEST_PATH_IMAGE039
Figure 74643DEST_PATH_IMAGE040
Figure 272406DEST_PATH_IMAGE004
是三个燃烧特征参数下一时刻，相比当前时刻的变化量组成的向量，是 由
Figure 210275DEST_PATH_IMAGE005
的三个分量，即三个控制信号当前时刻的变化量所占的比重决定，由比重所组成 的参数矩阵
Figure 177094DEST_PATH_IMAGE006
不唯一。
图13-21是数据模型的参数矩阵
Figure 778102DEST_PATH_IMAGE006
中各参数的变化图，从这9幅图中可以看出 相关变化。
更进一步的，还可以在实施例中考虑，所述步骤S103中的矩阵雅可比PJM参数的估计算法步骤包括：
步骤S301：定义
Figure 463161DEST_PATH_IMAGE007
为权重因子，用于惩罚PJM参数估计值的过大变化，参数估计 准则函数如下：
Figure 939142DEST_PATH_IMAGE041
步骤S302：极小化参数估计准则函数，可得
Figure 760467DEST_PATH_IMAGE006
的估计值
Figure 296491DEST_PATH_IMAGE009
，得到包含矩阵 求逆运算的PJM参数估计算法如下：
Figure 531163DEST_PATH_IMAGE010
这种PJM参数估计算法中包含矩阵求逆运算，求逆运算非常耗时，不利于天然气发动机燃烧过程控制，因此考虑进一步优化。
更进一步的，还可以在实施例中考虑，对步骤S302中的PJM参数估计算法进一步改 进，定义
Figure 420622DEST_PATH_IMAGE011
为步长因子，得到不含矩阵求逆运算的改进PJM参数估计算法如下：
Figure 988131DEST_PATH_IMAGE012
Figure 304843DEST_PATH_IMAGE042
的引入不仅解决了矩阵求逆的问题，而且使估计算法具有更强的灵活性和一般 性。
更进一步的，还可以在实施例中考虑，在不含矩阵求逆运算的改进PJM参数估计算 法的基础上进一步改进，对PJM估计值的每个分量参数
Figure 89129DEST_PATH_IMAGE013
引入算法重置机制如下：
Figure 782278DEST_PATH_IMAGE014
，如果
Figure 702830DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure 190443DEST_PATH_IMAGE016
是一个小正数，或
Figure 196445DEST_PATH_IMAGE017
，
Figure 427706DEST_PATH_IMAGE018
。
更进一步的，还可以在实施例中考虑，所述步骤S104中控制信号的控制算法设计步骤如下：
步骤S401：定义
Figure 704229DEST_PATH_IMAGE019
为权重因子，用于惩罚控制信号输入量过大的变化，给出控 制输入准则函数如下：
Figure 628322DEST_PATH_IMAGE020
其中，
Figure 793725DEST_PATH_IMAGE021
为期望的输出信号。
步骤S402：将紧格式动态线性化数据模型代入步骤S401中得到的控制输入准则函 数，对
Figure 953310DEST_PATH_IMAGE005
求导，并令其等于0，得到包含矩阵求逆运算的控制律：
Figure 458241DEST_PATH_IMAGE023
。
该控制输入算法中包含矩阵求逆运算，求逆运算非常耗时，不利于天然气发动机燃烧过程控制，考虑进一步优化。
更进一步的，还可以在实施例中考虑，对步骤S402的控制律进一步改进，定义步长 因子
Figure 881132DEST_PATH_IMAGE024
，得到最终控制输入算法如下：
Figure 861727DEST_PATH_IMAGE025
步骤S102、S103、S104共同组成的燃烧闭环控制器设计流程如图3所示。
根据控制输入算法判断控制输入是否在范围内，如果是，控制器输出值，得到最终控制输入量；如果否，控制输入边界值，得到最终控制输入量。
将燃烧闭环控制加入天然气发动机整机控制如图6所示，根据图5中的缸压传感器测得燃烧室内的压力变化，与角标仪结合，得出当前CA50、CA90以及最大放热率，通过控制点火正时、喷射正时、燃气喷射脉宽以及电子节气门开度，从而使CA50、CA90以及最大放热率达到目标值。
1000r/min25%负荷工况下单缸燃烧闭环控制效果如图7-9所示，可以看到实际值和目标值很接近，实现了燃烧特征参数达到期望值的技术效果。
实施例2：
一种船用天然气发动机燃烧闭环控制系统，应用船用天然气发动机燃烧闭环控制方法，所述控制系统包括天然气发动机、缸压传感器、角标仪和控制器，将缸压传感器安装在天然气发动机的燃烧室用于测量缸内压力，与角标仪结合计算燃烧反馈参数，控制器通过改变控制输入变量，使燃烧反馈参数达到目标值；
所述缸压传感器用于采集天然气发动机缸内压力信号；
所述角标仪用于与缸压传感器结合计算燃烧反馈参数；
所述控制器用于燃烧闭环控制。
综上所述，本发明提供了一种船用天然气发动机燃烧闭环控制方法及系统。
以上实施例对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。
凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种船用天然气发动机燃烧闭环控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S101：利用缸压传感器采集天然气发动机工作过程中产生的缸内压力信号，并将采集的缸压信号经过处理，得到所需的燃烧特征信号；
步骤S102：采集当前工况下喷射正时、点火正时和目标过量空气系数的控制信号，建立关于控制信号与燃烧特征信号的紧格式动态线性化数据模型；
步骤S103：计算紧格式动态线性化数据模型中的矩阵雅可比PJM参数，设计相应的参数估计算法；
步骤S104：根据紧格式动态线性化数据模型，设计喷射正时、点火正时和目标过量空气系数的控制信号控制算法。
2.根据权利要求1所述的一种船用天然气发动机燃烧闭环控制方法，其特征在于，所述步骤S101中的燃烧特征信号通过缸压信号结合曲轴凸轮轴信号，由热力学公式进行提取。
3.根据权利要求2所述的一种船用天然气发动机燃烧闭环控制方法，其特征在于，所述燃烧特征信号包括：燃烧中点CA50、燃烧结束CA90和最大放热率。
4.根据权利要求3所述的一种船用天然气发动机燃烧闭环控制方法，其特征在于，所述 步骤S102中的控制信号点火正时、目标过量空气系数、喷射正时分别定义为
Figure 868069DEST_PATH_IMAGE001
，所述 燃烧中点CA50、燃烧结束CA90和最大放热率的燃烧反馈参数分别定义为
Figure 254051DEST_PATH_IMAGE002
，紧格式动 态线性化数据模型如下：
Figure 627263DEST_PATH_IMAGE003
其中，
Figure 225735DEST_PATH_IMAGE004
是三个燃烧特征信号参数的下一时刻，相比当前时刻的变化量组成的向 量；
Figure 899162DEST_PATH_IMAGE005
是三个控制信号当前时刻的变化量；
Figure 924887DEST_PATH_IMAGE006
是比重所组成的参数矩阵，且不唯 一。
5.根据权利要求4所述的一种船用天然气发动机燃烧闭环控制方法，其特征在于，所述步骤S103中的矩阵雅可比PJM参数的估计算法步骤包括：
步骤S301：定义
Figure 286860DEST_PATH_IMAGE007
为权重因子，用于惩罚PJM参数估计值的过大变化，参数估计准则 函数如下：
Figure 954602DEST_PATH_IMAGE008
步骤S302：极小化参数估计准则函数，可得
Figure 216956DEST_PATH_IMAGE006
的估计值
Figure 679161DEST_PATH_IMAGE009
得到包含矩阵求逆运 算的PJM参数估计算法如下：
Figure 26966DEST_PATH_IMAGE010
。
6.根据权利要求5所述的一种船用天然气发动机燃烧闭环控制方法，其特征在于，对步 骤S302中的PJM参数估计算法进一步改进，定义
Figure 232819DEST_PATH_IMAGE011
为步长因子，得到不含矩阵求逆运 算的改进PJM参数估计算法如下：
Figure 349680DEST_PATH_IMAGE012
。
7.根据权利要求6所述的一种船用天然气发动机燃烧闭环控制方法，其特征在于，在不 含矩阵求逆运算的改进PJM参数估计算法的基础上进一步改进，对PJM估计值的每个分量参 数
Figure 248366DEST_PATH_IMAGE013
引入算法重置机制如下：
Figure 584931DEST_PATH_IMAGE014
，如果
Figure 328897DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure 565843DEST_PATH_IMAGE016
是一个小正数，或
Figure 369851DEST_PATH_IMAGE017
，
Figure 692248DEST_PATH_IMAGE018
。
8.根据权利要求7所述的一种船用天然气发动机燃烧闭环控制方法，其特征在于，所述步骤S104中控制信号的控制算法设计步骤如下：
步骤S401：定义
Figure 239904DEST_PATH_IMAGE019
为权重因子，用于惩罚控制信号输入量过大的变化，给出控制输入 准则函数如下：
Figure 331356DEST_PATH_IMAGE008
其中，
Figure 571845DEST_PATH_IMAGE020
为期望的输出信号；
步骤S402：将紧格式动态线性化数据模型代入步骤S401中得到的控制输入准则函数， 对
Figure 617424DEST_PATH_IMAGE021
求导，并令其等于0，得到包含矩阵求逆运算的控制律：
Figure 968771DEST_PATH_IMAGE022
。
9.根据权利要求8所述的一种船用天然气发动机燃烧闭环控制方法，其特征在于，对步 骤S402的控制律进一步改进，定义步长因子
Figure 914730DEST_PATH_IMAGE023
，得到最终控制输入算法如下：
Figure 326120DEST_PATH_IMAGE024
。
10.一种船用天然气发动机燃烧闭环控制系统，其特征在于，应用如权利要求1-9任意一项所述的船用天然气发动机燃烧闭环控制方法，所述控制系统包括天然气发动机、缸压传感器、角标仪和控制器；所述缸压传感器用于采集天然气发动机缸内压力信号；所述角标仪用于与缸压传感器结合计算燃烧反馈参数；所述控制器用于燃烧闭环控制。
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Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040094124A1 (en) * 2002-11-15 2004-05-20 Woodward Governor Company Method and apparatus for controlling combustion quality in lean burn reciprocating engines
US6947830B1 (en) * 2004-08-31 2005-09-20 Walt Froloff Adaptive variable fuel internal combustion engine
WO2008031727A1 (en) * 2006-09-12 2008-03-20 Continental Automotive Gmbh Method for reducing pollutant emissions and consumption of an engine
US20100268442A1 (en) * 2009-04-21 2010-10-21 Honda Motor Co., Ltd. Control device for internal combustion engine
WO2012103368A1 (en) * 2011-01-28 2012-08-02 Wayne State University Autonomous operation of electronically controlled internal combustion engines on a variety of fuels and/or other variabilities using ion current and/or other combustion sensors
JP2017141685A (ja) * 2016-02-08 2017-08-17 トヨタ自動車株式会社 内燃機関の制御装置
CN109814386A (zh) * 2019-01-24 2019-05-28 天津大学 基于无模型外环补偿的机器人轨迹跟踪自抗扰控制方法
US10465618B1 (en) * 2018-10-24 2019-11-05 Southwest Research Institute Microwave enhanced combustion with dynamic frequency, power, and timing control and with power sensor for power feedback
KR20210060338A (ko) * 2019-11-15 2021-05-26 만 에너지 솔루션즈, 필리알 아프 만 에너지 솔루션즈 에스이, 티스크란드 크로스 헤드 및 이러한 엔진의 작동 방법이 포함된 대형 저속 2행정 단류 소기식 터보차징 내연기관

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040094124A1 (en) * 2002-11-15 2004-05-20 Woodward Governor Company Method and apparatus for controlling combustion quality in lean burn reciprocating engines
US6947830B1 (en) * 2004-08-31 2005-09-20 Walt Froloff Adaptive variable fuel internal combustion engine
WO2008031727A1 (en) * 2006-09-12 2008-03-20 Continental Automotive Gmbh Method for reducing pollutant emissions and consumption of an engine
US20100268442A1 (en) * 2009-04-21 2010-10-21 Honda Motor Co., Ltd. Control device for internal combustion engine
WO2012103368A1 (en) * 2011-01-28 2012-08-02 Wayne State University Autonomous operation of electronically controlled internal combustion engines on a variety of fuels and/or other variabilities using ion current and/or other combustion sensors
JP2017141685A (ja) * 2016-02-08 2017-08-17 トヨタ自動車株式会社 内燃機関の制御装置
US10465618B1 (en) * 2018-10-24 2019-11-05 Southwest Research Institute Microwave enhanced combustion with dynamic frequency, power, and timing control and with power sensor for power feedback
CN109814386A (zh) * 2019-01-24 2019-05-28 天津大学 基于无模型外环补偿的机器人轨迹跟踪自抗扰控制方法
KR20210060338A (ko) * 2019-11-15 2021-05-26 만 에너지 솔루션즈, 필리알 아프 만 에너지 솔루션즈 에스이, 티스크란드 크로스 헤드 및 이러한 엔진의 작동 방법이 포함된 대형 저속 2행정 단류 소기식 터보차징 내연기관

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