基于LQG基准的发动机怠速控制性能评价研究

论文摘要

发动机怠速控制代表着最基本的车辆控制问题有着重大的研究意义。同时，近二十多年来控制系统性能评价作为一个相对较新的研究分支，吸引了学术界和工程界的广泛关注。本文的中心内容以发动机怠速控制系统为研究对象，对设计的4组PID控制器，综合应用抑制负载干扰的性能分析以及LQG基准评价算法对其进行性能评价。首先说明本文的研究背景，阐述了研究控制性能评价以及怠速控制的重要意义，详细介绍控制性能评价的理论研究和应用发展路线，从Harris指标到一些更为高级的性能基准。对怠速系统的控制策略和控制算法也做了介绍。然后是研究LQG基准的性能评价算法。该基准以输入和输出方差表示线性控制器的性能下界，并且给出了性能限制曲线，提供了对应于不同权值的输出变量方差的可实现的最小输入方差和输入变量方差的可实现的最小输出方差，相对于最小方差基准更为鲁棒、合理。然后详细研究了计算该基准的三种算法：基于状态空间模型的、基于多项式的和基于闭环子空间的。并采用一个仿真实例来说明这三种算法的使用和区别，总结出来这三种算法的优缺点和使用条件。但是这几种方法只能对不含可测干扰的情况有效。在含有可测干扰的情况下，将闭环子空间的方法扩展到能够处理此情况的形式。再者就是基于平均值建模的理论和热力学基础知识，建立发动机怠速系统的数学模型：包括节气门模型，进气歧管模型，气缸空气质量流量模型，转矩生成模型和惯性模型。从仿真软件enDYNA中获得发动机的基本参数和工作数据，对模型参数进行了拟合。利用Matlab/Simulink建立非线性发动机怠速模型，对相同输入下的模型进行基本校验，证明了模型的有效性和精确性。最后对已建立的非线性发动机均值模型在参考工作点线性离散化，以节气门开度为控制输入，负载转矩为干扰输入，发动机转速为控制输出，进气歧管压力和转速为系统状态变量建立状态空间方程。然后应用PID控制原理对怠速系统进行控制设计。最后从抑制负载干扰和基于LQG基准的性能评价方法对已设计的4组PID控制器进行了综合性能分析。抑制负载干扰的性能分析可以评价发动机怠速控制系统在负载转矩突然发生阶跃时的抑制负载干扰的能力，而基于LQG基准的性能评价可以评价发动机在存在输入输出噪声以及负载转矩干扰噪声的情况下，通过对闭环运行的输入输出数据计算控制回路的性能。综合这两种评价分析，可以帮助工程师或驾驶员在设计阶段以及故障未发生之前提早采取补救措施。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 研究意义
• 1.2.1 控制性能评价的研究意义
• 1.2.2 怠速控制的研究意义
• 1.3 研究现状
• 1.3.1 控制性能评价的研究现状
• 1.3.2 怠速控制的研究现状
• 1.4 本文主要内容
• 第2章 LQG 基准的控制性能评价
• 2.1 引言
• 2.2 LQG 性能限制曲线及性能指标
• 2.3 LQG 基准的评价算法
• 2.3.1 基于状态空间模型的算法
• 2.3.2 基于多项式的算法
• 2.3.3 基于闭环子空间的算法
• 2.3.4 以上三种算法优缺点及对比
• 2.3.5 仿真实例
• 2.4 含有可测干扰的 LQG 基准的性能评价
• 2.4.1 含有可测干扰的性能评价
• 2.4.2 仿真实例
• 2.5 本章小结
• 第3章 汽油发动机建模
• 3.1 引言
• 3.2 怠速控制系统的建模
• 3.2.1 节气门模型
• 3.2.2 进气歧管模型
• 3.2.3 气缸空气质量流量模型
• 3.2.4 转矩生成模型
• 3.2.5 惯性模型
• 3.3 发动机模型参数辨识
• 3.3.1 发动机软件 enDYNA 介绍
• 3.3.2 从 enDYNA 中获取参数
• 3.4 发动机模型验证
• 3.5 本章小结
• 第4章 怠速 PID 控制的 LQG 基准性能评价
• 4.1 引言
• 4.2 PID 控制算法
• 4.2.1 模拟 PID 控制原理
• 4.2.2 数字 PID 控制原理
• 4.3 发动机怠速控制
• 4.3.1 发动机模型线性化
• 4.3.2 PID 控制器设计
• 4.4 怠速控制系统的性能评价
• 4.4.1 怠速控制的抑制负载干扰性能分析
• 4.4.2 怠速控制的 LQG 基准的性能评价
• 4.5 本章小结
• 第5章 总结
• 5.1 本文总结
• 5.2 研究工作展望
• 参考文献
• 作者简介及科研成果
• 致谢