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原文传递汽车发动机电控系统建模、先进控制方法研究

论文题名：	汽车发动机电控系统建模、先进控制方法研究
关键词：	汽车发动机;汽车电子系统;油量执行器;干扰观测器;卡尔曼滤波
摘要：	自21世纪以来随着汽车数量的极大增长，能源短缺和环境污染问题愈加严峻。为了应对全球化石能源短缺以及环境问题的日益加剧，汽车工业持续不断地进行着能源领域的技术革新。汽车电子系统的性能直接影响汽车行驶过程中的动力性能、舒适性和安全性，汽车电子系统性能的改善和各种新的控制功能的引入也能在不改变现有发动机主体机械部件的情况下，改善汽车的燃油经济性和尾气排放。因此，汽车电子系统的作用至关重要。为了实现汽车电子系统的精确控制，就需要针对性地对汽车电子系统设计相应的控制算法来满足车辆运行过程中对各个执行部件工作的需求。汽车电子系统中目前大多采用机电和电液执行部件，从模型的角度来分析，汽车电子系统中通常存在着摩擦、电磁转矩非线性、弹簧转矩非线性和液压非线性等，这些非线性的存在使得汽车电子系统的控制设计成为了富有挑战性的难题。除此之外，在实际中，汽车电子系统的运行工况复杂，环境恶劣，使得系统中存在参数不确定性，外部干扰等影响因素，这往往会对系统的性能产生不利的影响。由于传统的线性控制方法己经无法满足越来越高的性能要求，研究更为先进的汽车电子系统控制算法己经成为提升系统性能的关键，具有重要的理论和实际意义。　　本文针对典型的汽车电子系统(柴油燃油喷射泵中的油量执行器系统、进气系统中的电子节气门系统、无凸轮发动机气门驱动系统和轨迹可控的快速压缩膨胀装置中的电液系统)，考虑了汽车电子系统非线性分析与建模、时变干扰影响下的输出位置控制问题、带测量噪声情况下的抗干扰控制问题以及带有不确定性的电液系统快速运动跟踪控制问题，设计了基于反步控制、滑模控制和主动抗干扰控制相结合、卡尔曼滤波和干扰估计前馈补偿相结合、内模原理与滑模控制相结合等先进的复合控制策略，并进行仿真和实验验证。研究结果表明所设计的控制方案能有效提升系统的动态响应、稳态精度、抗干扰能力以及同时带测量噪声和干扰情况下的系统性能。论文的主要工作概述如下：　　一、针对油量执行器系统的位置跟踪控制问题。首先对系统中旋转电磁铁和复位弹簧的非线性特性建模，得到了油量执行器系统的数学模型。进而，在基于模型对系统非线性进行抵消之后引入扩张状态观测器对油量执行器角速度和系统集总干扰进行估计，设计了基于干扰估计补偿的反步控制律。　　二、针对时变干扰下的油量执行器系统，提出了基于广义比例积分观测器的复合反步控制方法。为了进一步改进控制性能，提升存在时变干扰情况下的系统控制性能，引入了广义比例积分观测器来估计油量执行器中的时变干扰，然后结合反步法设计反馈控制器，形成了基于反步法和广义比例积分观测器的油量执行器系统复合控制方案。　　三、针对时变干扰下的油量执行器系统，为了进一步提升系统的鲁棒性并减少广义比例积分观测器实现时的计算量，提出了一种基于降阶广义比例积分观测器的油量执行器输出反馈滑模控制方法。最后，通过仿真和实验测试，验证了所提的油量执行器控制方法的可行性和有效性，所提出的控制方案在瞬态响应和抗时变干扰方面都表现出令人满意的性能。　　四、针对一类同时存在干扰和测量噪声影响的系统，给出了基于扩张状态观测器和卡尔曼滤波的复合控制方法。通常，扩张状态观测器需要使用高增益以实现估计值快速收敛，这使得观测器对测量噪声非常敏感。为了解决这一问题，本文提出了一种结合卡尔曼滤波和扩张状态观测器的互连结构。前者对噪声进行预过滤，后者负责在线重构系统状态和集总扰动值。在尽可能保证扩张状态观测器快速收敛的情况下减小噪声对观测器估计值的影响。最后，所得的状态和干扰估计用于构造基于干扰估计补偿的复合控制器。为了验证所提方法，在汽车电子节气门硬件平台上进行了实验测试。通过与传统基于扩张状态观测器的控制方法比较，展示了该方法在噪声衰减和抗干扰控制性能方面的优势。　　五、针对电液系统快速运动跟踪控制问题，提出了基于有限时间微分器的高阶滑模控制设计方法。电液系统中存在的非线性和参数变化会降低线性控制器的性能。本文提出了一种基于输出反馈的电液系统高阶滑模控制设计方法。在仅有活塞位置可测的情况下，通过使用有限时间精确微分器可以获得跟踪误差的导数，并用于构造高阶滑模控制器。与传统滑模控制相比，高阶滑模可以实现系统跟踪误差有限时间收敛到零，提高了控制精度。为了验证所提方法的跟踪性能，针对无凸轮发动机气门驱动系统进行了仿真测试。　　六、针对电液系统的周期性运动跟踪问题，提出了基于内模原理的滑模控制设计方法。所提方法将内模原理引入滑模面设计，有效地消除跟踪误差中与参考频率相关的主要误差分量，使得控制器可以获得更好的性能。为了验证所提方法的控制性能，考虑轨迹可控的快速压缩膨胀装置中的电液系统20Hz正弦参考信号跟踪问题，进行了一组仿真试验。结果验证了所提出的控制策略十分有效，为系统提供了优异的稳态跟踪性能。
作者：	孙昊
专业：	控制科学与工程;控制理论与控制工程
导师：	李世华;孙宗璇
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2022