汽车怠速和巡航控制系统的鲁棒控制器设计与仿真
在汽车工业中，发动机控制系统是其中一个最关键的部分，直接决定着汽车的整车性能。在过去的二十多年中，动力控制系统的性能发生了显著的变化，这些变化大都由政府法规和消费者的需求所推动。具体要求包括严格的政府排放法规、燃油经济性要求以及驾驶性能和安全性能，以及机器老化、环境、不同的燃油属性的相对独立性要求，这些都使得汽车制造商不断改进技术来满足各方面的要求。 发动机系统由于运行工况变化范围大，热动力学模型复杂，物理和几何约束的存在，使得它的物理模型是一个本质非线性系统，这些问题不可避免地带来控制器设计的难度。现在已有的发动机控制系统许多还都是基于查询表方式的开环控制，导致控制性能比较差，无法根据发动机的工作性能变化调整控制器。而且，这种控制方式相对简单，但是对发动机参数变化敏感，并且控制器不能根据发动机的工作性能进行快速调整，在发动机老化和磨损等情况下，某些部分的控制性能变差。 基于模型的控制则能够比较好的解决上面所描述的问题，自动控制发动机变量允许最优的工况独立性，能够克服发动机老化带来的控制精度降低的问题，从而减少环境的污染，增加方便性和安全性级别，进一步提高发动机效率和驱动性能。因此，近些年来，很多我们熟悉的鲁棒控制理论，非线性控制理论，时滞系统的处理方法等被大量应用到发动机控制中，引入控制系统理论来对发动机进行研究，设计控制器，进一步提高发动机的性能，满足各种苛刻的法规和消费者要求，已经成了发动机系统开发的必然趋势和共识。 本文在综述前人研究的基础上，对发动机动力和传动系统的建模、发动机怠速和车辆速度巡航控制理论与应用以及发动机控制系统开发仿真技术方面作了进一步研究和探索。本文的研究工作主要集中在以下五个方面： 模型是进行控制系统设计和分析的基础，为了提供一个能够反映发动机动力和传动系统的暂态和稳态模型，基于物理原理和测试数据，对一个四缸，多点燃油喷射，火花点火汽油发动机系统，建立了发动机动力和传动系统的模型，充分考虑了整个过程的力矩产生和传递过程，为发动机控制算法开发提供了一个完整的模型，为发动机控制算法的开发提供了模型基础。 发动机怠速控制是发动机控制的一个重要组成部分，为了充分考虑力矩产生延迟以及外加的负载干扰对怠速转速的影响，同时保证发动机工作在要求转速，因此基于发动机物理模型和实际数据建立了带有参数不确定性和状态时滞的发动机怠速控制线性化模型，设计了一个时滞依赖的鲁棒H。。控制器，使得要求的性能输出与干扰之间的H。。范数7最小。 提出了一个时滞依赖的保成本发动机怠速控制方法，在存在力矩产生时滞和干扰的性况下，尽可能的消除发动机怠速控制过程的稳态误差，同时对系统的性能指标进行优化，保证一定的燃油经济性，提高系统的干扰抑制能力，在H。。控制的基础上，首先对发动机怠速模型进行增广，增加了积分环节，目的是应用积分控制来消除发动机怠速控制的稳态误差。为了实现性能的折中，提出了一个时滞依赖的多目标优化保成本控制器设计框架，通过极点约束和H。。范数来保证系统的动态响应要求和干扰抑制能力，并应用到发动机怠速控制器设计。 车辆的巡航控制需要保证速度的稳定跟踪，燃油经济性能也是运行中的主要性能要求，由于发动机模型很复杂，非线性系统的优化控制理论不太完善，所以本文基于发动机的物理原理和运行数据，对发动机不同转速条件进行划分，建立了发动机的分段线性化速度模型。在模型的基础上，提出了一种新的滚动优化的思想设计控制器，构建了系统的鲁棒干扰不变集，在保证发动机速度跟踪的同时，同时兼顾了燃油经济性和干扰抑制能力。 有效的仿真在汽车控制算法的开发和新的硬件系统的校验中具有很重要的位置。因为仿真能够在硬件和软件进行开发和测试中节省开发时间，减小开发成本。为了满足发动机控制系统开发的需要，这里提出了整个仿真系统的构建方案和要求。具体内容包括enDYNA实时发动机模型的配置，基于dSPACE1401的快速控制原形仿真系统和基于dSPACE1005系统的硬件在回路仿真系统的构建和一些具体要求。能够最大程度的降低发动机开发的成本，节省开发时间。
汽车怠速;巡航控制系统;鲁棒控制器设计;性能指标
哈尔滨工业大学
博士
控制科学与工程
裴润
2009
中文
TP273;U462.2
141
2013-03-05（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）