组合发动机的控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及发动机控制领域，尤其涉及一种组合发动机的控制方法。
【背景技术】
[0002] 动力系统是特种车辆的核心，高热效率和高功率密度是特种车用发动机的重要追 求。特种车辆在不同工作状态下对功率有差别很大的要求。燃气轮机和柴油机是目前特种 车辆的两种发动机。二者比较，燃气轮机具有以下优点:第一，压气机和涡轮转速高，具有功 率大、体积小和重量轻的优点；第二，具有良好的扭矩特性、高的扭矩储备能力和优异的起 动性能;第三，运转平稳、工作可靠;第四，没有滑动摩擦，仅为滚动摩擦，且燃烧产物不与润 滑油接触，因而机油消耗量少;第五，工质在燃烧室内连续燃烧，且过量空气系数较大，因而 燃烧更完全，排出气体温度较低;第六，由于摩擦较少，且排出气体温度较低，因而冷却系统 相对简单;第七，与柴油机相比，燃气轮机的零件，易损件少，故障率低，具有更好的可靠性 和耐久性。但是，燃油消耗量大是燃气轮机的最大缺点。
[0003] 燃气轮机和柴油机联合工作可以在特定条件实现互补。当前，二者单独控制已经 有成熟的策略和方法。但是，燃气轮机和柴油机联合工作是一个新的技术方案，由于它本身 是一个强耦合系统，没有现成的控制方案。同时，由于二者效率的差别，对其进行功率分配 对于降低能耗具有重要的意义。
[0004] 由于燃烧过程和通过气体传送动力都是非常复杂的过程，燃气轮机和柴油机的转 速、负载、喷油量、引气量以及压气机的压比等变量之间的关系非常复杂，难以机理建模，即 便可以机理建模，其复杂程度也不太可能在线优化求解。
[0005] 作为一个强耦合系统，如果针对燃气轮机柴油机联合工作直接设计控制器，其结 构必然非常复杂，而且稳定性难以保障。。
【发明内容】
[0006] 鉴于【背景技术】中存在的问题，本发明的目的在于提供一种组合发动机的控制方 法，其能利用实验数据建立分片线性代理模型，在能耗优化的基础上实现组合发动机系统 的静态解耦控制以及节能运行，并简化组合发动机控制系统的结构，并保障控制系统的稳 定性。
[0007] 为了实现上述目的，本发明提供了一种组合发动机的控制方法，用于控制燃气轮 机和柴油机联合工作，其包括下述的步骤。
[0008] 根据燃气轮机参数说明书，给出燃气轮机的喷油量F%、燃气轮机的引气量Fgg和燃 气轮机的负载Lg的上下边界，在可行域中均匀采样，记录稳态条件下相应的燃气轮机的转 速n g〇
[0009] 利用上述实验数据建立燃气轮机的转速ng、燃气轮机的喷油量F〇g、燃气轮机的引 气量F gg以及燃气轮机的负载1^之间的第一分片线性代理模型PWLg，得到第一公Sng = PWLg (F〇g，Fgg，Lg) 〇
[0010] 根据柴油机参数说明书，给出柴油机的转速nd、柴油机的喷油量Fck!、柴油机的引气 量Fgd和柴油机的负载Ld的上下边界，在可行域中均匀采样，记录稳态条件下相应的柴油机 的转速nd。
[0011] 利用上述实验数据建立柴油机的转速nd、柴油机的喷油量Fod、柴油机的引气量Fgd 以及柴油机的负载Ld之间的第二分片线性代理模型PWLd，得到第二公式ndiPWLKFc^Fgd， Ld) 〇
[0012] 对燃气轮机的转速ng、柴油机的转速!^和阀门开度α进行均匀采样，分别记录燃气 轮机的引气量Fgg、柴油机的引气量Fgd。
[0013] 利用实验数据建立燃气轮机的引气量Fgg、柴油机的引气量Fgd与燃气轮机的转速 ng、柴油机的转速nd和阀门开度α之间的第三分片线性代理模型PWL。、得到第三公式F gg+Fgd = PffLc(ng,nd,a)；
[0014] 上述的第一分片线性代理模型PWLg、第二分片线性代理模型PWLd以及第三分片线 性代理模型PWU均采用如下形式：
[0015]
[0016]其中，X是各个分片线性代理模型的对应的自变量向量，0〇和~是各个分片线性代 理模型的对应的参数向量，Μ是各个分片线性代理模型的对应的片数。
[0017] 各个分片线性代理模型的对应的参数向量θ〇和~通过求解如下对应的优化问题获 得：
[0018] min{ Iiei[PWL(Xi)-Yi]2}
[0019] 其中，Xi为各个分片线性代理模型的对应的自变量数据点，Yi是各个分片线性代理 模型的对应的因变量数据点，I为各个分片线性代理模型的对应的数据点索引集。
[0020] 优化器基于minicgFog+cdFod}对组合发动机进行能耗优化并依据第一分片线性代 理模型PWLg、第二分片线性代理模型PWLd以及第三分片线性代理模型PWU得到柴油机的引 气量值、柴油机的转速值以及燃气轮机的转速值，并分别作为柴油机的设定引气量F gds、柴 油机的设定转速nds以及燃气轮机的设定转速ngs，其中c g和cd分别为燃气轮机用油和柴油机 用油的油耗系数。
[0021] 柴油机的设定引气量Fgds经由第一控制器进入引气阀门，且柴油机的设定引气量 Fgds经由引气阀门反馈到第一控制器并调整后得到柴油机的实际引气量Fgd;柴油机的设定 转速n ds进入第二控制器并依据第二线性代理模型PWLd控制柴油机喷油嘴得到柴油机的实 际喷油量Fod;在柴油机的实际引气量F gd和实际喷油量Fod进入柴油机反应室反应并带动柴 油机转动，得到柴油机的实际转速nd;柴油机输出的实际转速n d经由第二控制器进行反馈控 制并调整柴油机喷油嘴的喷油量，进而调节柴油机输出的实际转速nd。
[0022] 燃气轮机压气机根据柴油机的实际引气量Fgd、燃气轮机的设定转速ngs、柴油机的 转速nds以及阀门开度a依照第三线性代理模型PWL C得到燃气轮机的实际引气量Fgg，其中，阀 门开度a由柴油机的实际引气量Fgd确定;燃气轮机的设定转速n gs进入第三控制器并依据第 一线性代理模型PWLg控制燃气轮机喷油嘴得到燃气轮机的实际喷油量F〇 g;在燃气轮机的实 际引气量Fgg和实际喷油量F〇g进入燃气轮机反应室并带动燃气轮机转动，得到燃气轮机的 实际转速~;燃气轮机输出的实际转速n g经由第三控制器进行反馈控制并调整燃气轮机喷 油嘴的喷油量，进而调节燃气轮机输出的实际转速ng。
[0023]本发明的有益效果如下：
[0024] 在根据本发明的组合发动机的控制方法中，根据实验数据分别建立第一分片线性 代理模型PWLg、第二分片线性代理模型PWLd以及第三分片线性代理模型PWL。，并对组合发动 机系统进行能耗优化，然后基于优化器给出柴油机的设定引气量F gds、柴油机的设定转速nds 以及燃气轮机的设定转速ngs分别控制柴油机和燃气轮机的转速，进而实现组合发动机系统 的静态解耦控制以及节能运行，简化组合发动机的控制系统结构，并保障控制系统的稳定 性。
【附图说明】
[0025] 图1为根据本发明组合发动机的控制方法的示意图。
[0026] 其中，附图标记说明如下：
[0027] 1优化器 5柴油机喷油嘴
[0028] 2第一控制器 6柴油机反应室
[0029] 21第一减法器 7燃气轮机压气机
[0030] 22第一 PID控制器 8第三控制器
[0031] 3引气阀门 81第三减法器
[0032] 4第二控制器 82第三PID控制器
[0033] 41第二减法器 9燃气轮机喷油嘴
[0034] 42第二PID控制器 10燃气轮机反应室
【具体实施方式】
[0035]下面参照附图来详细说明本发明的组合发动机的控制方法。参照图1，根据本发明 的组合发动机的控制方法用于控制燃气轮机和柴油机联合工作，包括下述的步骤。
[0036]根据燃气轮机参数说明书，给出燃气轮机的喷油量&、燃气轮机的引气量Fgg和燃 气轮机的负载Lg的上下边界，在可行域中均匀采样，记录稳态条件下相应的燃气轮机的转 速 Ilg 〇
[0037] 利用上述实验数据建立燃气轮机的转速ng、燃气轮机的喷油量F〇g、燃气轮机的引 气量F gg以及燃气轮机的负载Lg2间的第一分片线性代理模型PWLg，得到第一公Sn g = PWLg (F〇g，Fgg，Lg) 〇
[0038] 根据柴油机参数说明书，给出柴油机的转速nd、柴油机的喷油量Fod、柴油机的引气 量Fgd和柴油机的负载Ld的上下边界，在可行域中均匀采样，记录稳态条件下相应的柴油机 的转速nd。
[0039] 利用上述实验数据建立柴油机的转速nd、柴油机的喷油量Fod、柴油机的引气量Fgd 以及柴油机的负载Ld之间的第二分片线性代理模型PWLd，得到第二公式ndiPWLKFc^Fgd， Ld) 〇
[0040] 对燃气轮机的转速ng、柴油机的转速nd和阀门开度α进行均匀采样，分别记录燃气 轮机的引气量Fgg、柴油机的引气量Fgd。
[0041] 利用实验数据建立燃气轮机的引气量Fgg、柴油机的引气量Fgd与燃气轮机的转速 ng、柴油机的转速nd和阀门开度α之间的第三分片线性代理模型PWLC、得到第三公式F gg+Fgd = PffLc(ng,nd,a)；
[0042] 上述的第一分片线性代理模型PWLg、第二分片线性代理模型PWLd以及第三分片线 性代理槌型PWT m询#用加下形忒，
[0043]
[0044] 其中，X是各个分片线性代理模型的对应的自变量向量，Θ#ΡΘ」是各个分片线性代 理模型的对应的参数向量，Μ是各个分片线性代理模型的对应的片数。
[0045] 各个分片线性代理模型的对应的参数向量θ〇和~通过求解如下对应的优化问题获 得：
[0046] min{ Iiei[PWL(Xi)-Yi]2}
[0047] 其中，Xi为各个分片线性代理模型的对应的自变量数据点是各个分片线性代理 模型的对应的因变量数据点，I为各个分片线性代理模型的对应的数据点索引集。
[0048]优化器1基于minicgFog+cdFod}对组合发动机进行能耗优化并依据第一分片线性代 理模型PWLg、第二分片线性代理模型PWLd以及第三分片线性代理模型PWU得到柴油机的引 气量值、柴油