带可变几何涡轮增压器柴油机的双回路废气再循环多变量控制



带可变几何涡轮增压器柴油机的双回路废气再循环多变量控制

【美】N.KhaledM.CunninghamJ.PekarA.FuxmanO.Santin

摘要：研究双回路废气再循环(EGR)柴油机采用多变量控制器的设计问题。发动机需控制2个EGR阀(高压阀和低压阀)、1个排气节流阀和1个可变几何涡轮增压器。提出了一种利用模型预测控制(MPC)方法，对柴油机进行适用于生产的空气管理控制。此外，概述了所提出设计的调整过程。在1台2.8L轻型柴油机上获得了设计的性能试验结果。控制器闭环性能的LA-4循环瞬态数据验证了设计过程的有效性。在整个瞬态行驶循环控制器的标定过程中，MPC从数据采集开始到建立发动机标定模型仅用10天时间。

关键词：双回路废气再循环模型预测控制多变量控制器

0前言

美国环境保护署(EPA)第二阶段(Tier 2)标准和加州空气资源委员会(CARB)低污染排放法规第三阶段(LEVⅢ)中的轻型车辆排放标准越来越严格。采用双回路废气再循环(EGR)系统能够改善涡轮增压器的运行效率，降低增压空气温度，改善稳态工况下的燃油消耗率，在对性能影响尽可能小的条件下，提高驱动EGR率的能力[1,2]。因此，双回路EGR系统对降低排放和燃油消耗具有显著优势，可满足严格的排放要求。

Cummins公司ATLAS项目由美国能源部资助，主要目的是验证皮卡用小排量发动机(2.8L)可在高燃油经济性下显著降低排放。空气管理系统相当复杂，由1个可变几何截面涡轮增压器(VGT)、1个低压EGR阀、1个高压EGR阀，以及1个排气节流阀(ET)组成，由于ATLAS发动机比较复杂，4个执行器之间的相互协调为发动机瞬态性能的评估带来了控制和标定方面的困难。

传统控制设计技术通常基于标准比例积分微分(PID)控制器、查找表、逻辑开关等，相关技术已经发展几十年，工程技术人员都已经熟知。这些技术相对易于使用，是无交互作用和较简单动力学回路控制的理想选择。然而，随着发动机复杂性的提高，以及传感器和执行器数量的增加，在合理时间内采用传统解耦回路设计反馈控制器成为一项艰巨任务。采用多变量控制技术的系统方法可在减少开发时间的同时，满足性能要求和排放法规限值要求。

论文[3,4,5]分析了不同的EGR策略。论文[6]提出了基于前馈控制模型的级联自适应比例积分(PI)策略。将增压压力的级联控制结构作为EGR率和增压压力的解耦工具。论文提出，通过运动规划，分别调节高压EGR和低压EGR的策略来控制增压压力和EGR率。论文介绍了双回路EGR系统的协同控制策略。依据低压EGR回路比高压EGR回路容积大，响应较慢这一事实将原系统分解为2个不同时间尺度的独立子系统。对每个子系统设计了基于Lyapunov函数的控制器来共同控制进气歧管压力、温度和氧浓度。论文介绍了一种包含双EGR、VGT和进气节流阀的协同策略，利用高低压EGR分离策略动态反馈总EGR质量流率和增压压力，以降低泵气损失，提高增压器效率。

Haber等人在论文中设计了1台多变量H∞控制器控制进气歧管压力、温度和氧浓度。控制器控制VGT位置主要是为控制进气歧管压力。此外，控制器驱动高低压EGR阀以控制进气歧管温度和氧浓度。近来，有研究人员开发了1款空气管理系统平均值模型和空气成分估量器。

采用上述的任一多变量控制方法(如H∞、线性二次型高斯控制器(LQG)等)可用来开发1个系统化程序，便于为空气管理系统设计灵活、结构化的控制器。MPC的主要优势在于具有处理各种边界条件的能力。MPC方法可以系统化处理变边界条件的LQG的拓展。另一方面，由于需要在每个采样周期内在线运行优化求解器，MPC控制器的执行相对于简单的控制算法要复杂。如果控制问题足够小(指得出的优化问题的总约束个数)，MPC控制问题可显式求解，得出的在线求解器比较简单。这基于一组静态查找表。如果得出的问题由于约束太多(内存无法存储全部查找表)不能显式求解，但仍能通过装配合理中央处理器的电子控制单元(ECU)来执行有效求解器。

1控制问题的技术规格

1.1　发动机结构

本研究所用发动机的技术规格见表1。研究对象为1款满足欧6排放标准的ATLAS直列4缸2.8L ISF发动机。ATLAS发动机的排气后处理系统包括1个柴油机氧化催化器(DOC)、氨定量供给器、涂有选择性催化还原(SCR)催化剂的颗粒滤清器(SCRF)，以及车体下的2个SCR催化器。

表1　发动机技术规格

1.2　空气管理系统结构

①为了符合原著本意，本文仍沿用原著中的非法定单位——编注。

空气管理系统结构如图1所示。采用双回路结构优化排放与燃油经济性的折中设计。低压废气再循环(LP EGR)回路将过滤后的废气从涡轮增压器和DOC/SCRF下游引出，经过1个冷却器和EGR阀与压气机上游的新鲜空气混合。高压废气再循环(HP EGR)回路将废气从涡轮增压器上游引出，将其与压气机和中冷器下游的新鲜空气/LP EGR气体混合。除了LP/HP EGR阀，系统中还包括1个位于VGT与SCRF下游的排气节流阀(用来产生背压驱动LP EGR流)。如何有效使用4个执行器满足空气管理的需求是解决控制问题的关键。

1.3　扭矩曲线和负荷循环

LA-4循环的扭矩曲线和运行点集如图2所示。车载发动机匹配8速变速器，发动机转速的运行范围较窄。空气管理系统最初开发的关注点为在这一特定负荷循环内运行，因而制定1个性能良好的瞬态路径跟踪控制器。

2控制设计

采用一种已建立的控制技术，用于处理多变量交互作用及边界条件，同时便于直观设计和调节的是MPC方法。对MPC控制方法的研究已经持续几十年，目前已在多个行业广泛应用。下面介绍开发ATLAS发动机瞬态控制过程中使用的方法。建模和控制技术是霍尼韦尔公司OnRAMP设计套件的一部分。

开发MPC控制器的过程需10天时间。4天生成发动机数据以标定控制导向模型，3天设计并离线测试控制器，另外3天将控制器集成到快速原型系统，同时评估1个行驶循环内的瞬态控制性能。

2.1　控制导向模型

本文提到的MPC控制器是霍尼韦尔公司开发的基于模块化、灰盒子式、控制导向的平均值模型(COM)。通过组合1个包括图1所示的ATLAS发动机的涡轮增压器、气门、热交换器、喷油器等物理库中的物理部件建立模型。

为了保持标定控制导向模型跟实机相一致，在发动机上进行试验设计(DOE)，在不同的转速-燃油耗点改变每个执行器。对于ATLAS发动机，DOE需4天的试验台测量时间。

将DOE获得的数据用于模型自动识别过程。模型标定过程由以下3步组成:(1)单个部件的识别: 每个部件(如气门、热交换器、涡轮增压器等)对应各自的输入-输出数据，将识别的参数作为第2步的起点；(2)稳态系统级识别: 此步用于将所有标定部件组装为一体，改进模型精确度；这一步将确保系统级模型输入-输出变量和对控制设计至关重要的试验数据间具有良好的匹配性，ATLAS发动机控制导向模型的稳态精确度见图3。(3)瞬态系统级识别: 控制设计也需系统级动态表示；这一步标定模型的动态行为与测出的发动机数据相匹配。标好的控制导向模型用于下文即将介绍的控制器的设计。

2.2　控制器结构

本文所用的多变量控制器由前馈和反馈2个主要部分组成(图4)。

前馈控制的作用是为强瞬态运行的控制器提供快速、近似的执行器位置。控制前馈部分是借助于一组静态查找表(在发动机的控制导向模型上通过基于优化的路径等确定)和所需的控制设定实现的。查找表输出由一阶过滤器过滤，过滤器时间常数可看成附加的调整参数。计算前馈查找表的算法基于以运行点的特定网格形式表示的控制导向模型的数值进行反演。查找表通过选定的一组重要的外部变量(这里是发动机转速和喷油量)参数化。

反馈部分关注扰动抑制、发动机与模型不匹配(生产的分散度或老化)、无偏稳态跟踪和约束处理。反馈包括1个MPC控制器，它仅在执行器上使用时变限制。

所有计算必须在一个发动机控制模块(ECM)中完成。快速可靠的求解器将成为发动机控制中成功实现MPC的关键。目前，有多种求解器能够满足这些严格的要求。本文采用的求解器为霍尼韦尔OnRAMP软件包的显式求解器，其软件包能够满足计算速度和ECM轨迹要求。

3控制器试验

MPC控制器被设计用来控制增压压力和总EGR质量流率。选取这些变量是由于它们与系统性能紧密相关。

增压压力采用布置在进气歧管中的歧管压力-温度复合传感器直接测量。HP EGR通过速度-密度法算出充量流量，与用空气室中空气质量流量传感器测得的新鲜空气流量相减估算。LP EGR流率用通过流量孔板前后的压差计算。将HP EGR和LP EGR流率相加得到总EGR流率。

MPC控制器设计有4个执行器: 高压EGR阀、低压EGR阀、VGT和ET。由于仅有2个变量需要跟踪，控制器的附加自由度可以用于修正执行器相对前馈基准值的运动。

被控制的系统为非线性的，因此有必要执行一些合适的策略。本文的MPC控制器被构建成一组局部线性MPC控制器，由发动机转速和喷油量调度(转换)控制。注意MPC控制器采用的局部线性模型是由非线性COM模型派生来的，因此，因为与各气缸距离不同而产生传输差异，它们自然也能局部地覆盖HP EGR和LP EGR回路。选择一组运行点作为覆盖预期发动机运行区域的常规网格，共计36个运行点，覆盖范围为发动机转速800～2600r/min，喷油量每循环0～60mg。需要注意的是，系统的每一个被控制的输入和输出都采用分段仿射函数使非线性获得附加补偿。各函数已经通过列出公式，并使局部线性灵敏度在整个发动机运行空间相等，解决目标优化问题。通过调整MPC成本函数测试3个案例，MPC控制器通过OnRAMP软件自动调整。调整策略由稳定性和性能2个重要参数驱动。每个局部线性MPC控制器的稳定性是利用应用于用户指定的模型不确定性等级的小增益定理来保证。基于系统线性化动态响应的稳定时间自动计算预测时域。预测时域范围为1～5s，具体取决于运行点。每个执行器的控制器带宽通过调整MPC成本函数中的相应权重参数独立设定。单个变量跟踪精度的重要性也可应用权重调整。

3.1　发动机试验室试验

开发的控制器被嵌入dSpace®MicroAutoBox®1401。MicroAutoBox与发动机ECM的通信依靠CAN总线连接(图5)。MicroAutoBox通过ECM接收输出反馈(在ECM中测量增压压力，同时估算EGR质量流率)和执行器位置(包括VGT位置，LP EGR阀、HP EGR阀和ET位置)。在MicroAu-toBox中，MPC计算跟踪错误，评估并优化成本函数，确定指令执行器的最终位置，并通过CAN总线传输到ECM。ECM然后向驱动执行器下达指令位置，控制器的步长为0.1s。

4试验结果

在发动机试验室的试验控制器前，需要建立1个图形用户界面显示所控参数和各自所希望的基准值，用以检查系统的跟踪性能。此外，为了在视觉上检查指令位置，执行器的位置也需要显示。在“在线标定”模式下运行ControlDesk®4.0，建立图形用户界面。

为了测试轻型车辆用MPC控制器的瞬态性能，通常采用EPA城市测功机负荷规程(UDDS)，通常被称为“LA-4城市工况测试”，代表城市行驶条件。在用完全瞬态循环测试控制器前，最好先在控制器运行模式附近进行测试。图6为控制器在发动机转速1800r/min、每循环喷油量52.5mg、阶跃改变增压压力和总EGR质量流率设定值时的跟踪性能。图7中的虚线为各个不同执行器的实测位置。实线代表执行器的上、下容许极限，设置MPC边界条件。这些限值作为最后的安全措施以限制初始测试过程中执行器的反馈权限，并在初始调整显示令人满意的结果后加以固定。

在每个模态点附近检查MPC控制器性能后，进行了LA-4循环性能测试。为了验证所设计的MPC控制器的调整灵活性，在同1台MPC控制器实现了3种功能:(1)EGR质量流率的跟踪；(2)平衡调整；(3)偏向增压压力的跟踪。

这3种功能通过改变所设计MPC控制器的成本函数的权重产生。图8表示不同调整下控制变量的均方根误差(RMSE)。由图8可知通过简单改变控制器的权重因子，可改善特定变量相对其他变量的跟踪性能。图9表示MPC控制器2个调整状态下时域跟踪性能的差别。图9(a)和图9(b)表示专门为偏向跟踪增压压力的MPC调整的性能，而图9(c)和图9(d)表示专门为偏向跟踪总EGR质量流率的调整的性能。总EGR质量流率跟踪图表明专门调整成偏向跟踪EGR质量流率的MPC控制器具有较好的跟踪性能。特别是对比图9时间间隔(265s～290s)中的下部曲线图，可以注意到2种MPC控制器功能间在EGR质量流率跟踪过程中的跟踪差异。同样地，对比图9中的上部曲线图，很显然MPC控制器偏向调整到跟踪增压压力明显优于设计，用来偏向跟踪EGR质量流率。特别是对比图9时间间隔(300s～320s)的上部曲线图，可以注意到在增压压力跟踪过程中，2种MPC控制器功能间的跟踪差异性。

图10表示在MPC控制器调整到更偏向跟踪EGR质量流率时，以碳氢化合物增加为代价，NOx排放降低。因为控制器调整参数和排放直接相关，调整团队可通过控制MPC成本函数的权重实现期望的排放限值。这种能力在空气管理控制器的生产指向设计过程中得到提高，这时控制器性能的评估主要基于排放而不是跟踪性能。系统集成者在有了控制折中的能力后，在评估为满足排放所必需排气后处理类型时具有一定程度的灵活性，例如确定DOC和SCR催化器的尺寸。图11表示3种控制器调整在全行驶循环中的累积NOx排放。

5稳定性分析

为了评估所提出的控制器相对于建模不确定性的稳定性，将调整到偏向跟踪EGR质量流率的综合MPC控制器与开发和标定的灰盒子模型相结合。采用产品控制器模型进行蒙特卡罗仿真。采用随机变化的6个参数仿真产品不确定性进行2000个LA-4仿真。变化的参数为VGT、HP EGR阀、LP EGR阀，以及ET前馈值。为改变前馈值，在每个LA-4循环中增加1个恒定偏移量补偿在MPC设计中的前馈值不足。此外，为仿真系统中的背压变化，随机改变柴油机颗粒过滤器(DPF)的有效面积。最后，每个LA-4循环随机改变中冷器的效率以仿真系统老化。表2列出了产生随机不确定性的值。使用Matlab®借助正态分布产生不确定性，然后限制不确定性到表2所示的范围。

表2　蒙特卡罗仿真使用的参数

图12表示MPC和开环控制受到相同水平不确定性影响时的跟踪性能。开环控制采用综合MPC的前馈查找表，但没有任何修正反馈动作。图12示出总EGR质量流率的RMSE与2000次仿真增压压力的关系。MPC成功地降低了总EGR质量流率RMSE的标准偏差73.7%，增压压力RMSE的标准偏差下降66.7%。此外，由图12可知相比于开环控制，闭环控制MPC的跟踪能力明显增强。

6结语

本文讨论了双回路EGR空气管理系统生成MIMO控制器的过程。特别是采用模型预测控制MPC，解决了空气管理系统不同执行器间协调的复杂性。在轻型柴油机上进行试验，验证了MPC控制器的生成过程。控制器的跟踪性能通过MPC调整参数与排放措施相联系。通过蒙特卡罗仿真验证了综合MPC的稳定性。

MPC控制器开发和试验的持续时间大约为10天。鉴于结构的复杂性和设计MPC和测试系统闭环性能的持续时间，这种控制技术可提供快速评估所提出的不同发动机结构性能的能力。

参考文献

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王晓滕李研芳译自SAE Paper 2014-01-1357

刘巽俊校

虞展编辑

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收稿日期:( 2014-10-10)