本发明涉及发动机控制领域，具体是一种发动机先进空气管理系统的鲁棒非线性控制方法。
背景技术：
随着发动机理论和技术的不断发展，废气再循环(egr)系统已经成为现代发动机中的重要组成部分。在现代发动机排出的废气中，通常含有大量的氮氧化合物(nox)，它是造成大气污染的一个主要来源。利用egr系统，现代发动机产生的一部分废气被送回气缸。由于再循环废气具有惰性，因此它将会延缓燃烧过程，使燃烧速度有所减慢，进而导致燃烧室中的温度降低，从而有效地减少氮氧化合物。另外，提高废气再循环率会使总的空气流量降低，因此废气排放中总的污染物输出量将得以减少。
在配备有egr系统的现代发动机中，瞬态过程中的废气再循环egr率与进入发动机的新鲜空气的匹配关系，是现代发动机空气系统的瞬态过程排放的关键。为此，很多现代发动机采用涡轮增压系统来加快瞬态过程中空气系统的响应。此外，涡轮增压系统还可以提高现代发动机的动力性能、改善燃烧，它是现代发动机中的重要组成部分之一。例如，可变截面涡轮增压器(vgt)是一种常见的涡轮增压系统。涡轮增压系统本质上是一种空气压缩系统，通过压缩空气来增加发动机气缸的进气量。它由发动机排出的废气的冲力来驱动，通过增压器转轴等装置将压力传递至空气压缩机，从而使新进入的空气在进入气缸前被有效地增压。
可变截面涡轮增压能有效解决普通涡轮增压器与柴油机匹配中存在的低速扭矩不足、部分负荷经济性差、瞬态响应迟缓等问题。配有可变截面涡轮vgt的egr系统，除了vgt所具有的性能优势外，还能有效解决高负荷工况进排气压力逆差问题。利用vgt可以改变涡轮喷嘴有效流通截面，通过调节涡轮流通截面的开度能够使压气机出口端的空气流量得到控制。通过调节在空气进气中冷器与气缸进气端口之间的节气门开度可以减少节气门出口端的空气进气压力，增大egr阀前后端压差，增大egr可调节范围，达到增加egr流量，降低nox排放的目的。同时调节节气门开度可以改变节气门前后的压差和进气空气流量，并且基本保正发动机良好的动力性与经济性。
egr的废气来自增压器涡轮入口端的排气，egr系统的废气出口为节气门的出气管，因此，除egr阀自身的开度变化外，vgt带来的进气管增压压力和排气背压的变化也会对egr流量和egr率产生影响。反之，egr阀的开度变化也会对流过vgt的排气流量产生影响，所以egr和vgt是两个相互影响的系统。同样节气门开度的变化对egr流量及气缸进气空气流量也有影响。因此，egr、vgt及节气门是相互影响的耦合系统。特别地，在现代发动机的空气系统控制中，瞬态过程中的egr率与新鲜空气之间的匹配，是瞬态排放过程的关键。
在同时配备有egr和涡轮增压系统的现代发动机中，这二者之间的耦合特性给空气系统的控制提出了挑战。在配备有废气再循环系统egr和涡轮增压系统的现代发动机中，对于egr系统而言，精确控制egr率和进气温度是改善nox排放、以及降低其对颗粒物及动力和经济性影响的关键。在这种发动机中，egr冷却器的输入废气的流量由egr阀控制，egr阀的入口端与涡轮增压器的涡轮入口端二者都接收从排气管道排出的发动机废气。可以理解，除egr阀自身的开度变化外，增压系统所导致的增压压力和排气背压的变化也会对egr流量率产生影响。另一方面，egr阀的开度变化也会对输入增压器的入口流量产生影响。也就是说，废气再循环系统和增压系统是两个相互依赖、相互影响的系统，即，具有耦合特性。
egr、vg与节气门系统所具有的耦合特性一直是空气系统控制的难点，同时控制三者的多变量控制策略也一直是空气系统控制策略的研究热点。尤其是随着柴油机排放法规越来越严格，在柴油机上安装节气门是必然的选择。因为通过调节节气门的开度可以极大增加egr率，达到在瞬态工况下快速、精确控制egr率；同时通过调剂节气门的开度可以在柴油机的某些工况下提高尾气温度，这对现代柴油机排放后处理系统的热管理是必须的。截至目前为止，绝大多数研究主要集中在egr与vgt两者的多变量控制策略的研究，没有考虑安装节气门的系统。应用egr与vgt系统的柴油机所采用的主要的控制策略有：
1)egr和vgt的独立pi控制策略：即进气增压压力为控制目标，通过pid控制加瞬态前馈控制策略驱动vgt阀使实际进气增压压力达到目标值；以空气流量为控制目标，通过pid控制加瞬态前馈的控制策略驱动egr阀使实际空气流量达到目标值。也可以采用egr率与空气流量作为控制目标。
2)模型预测控制(mpc)方法：以进气空气流量和进气增压压力为控制目标，采用模型预测控制方法，即在控制器中集成被控对象的数学模型，通过模型对未来系统输出进行预测，根据预测值与目标值的偏差构造目标函数，通过迭代求解当前控制量的最优值使目标函数最小化。
3)人工智能控制：以进气空气流量和进气增压压力为控制目标，基于非解析模型的控制器设计方法：如模糊逻辑控制方法，基于神经网络的控制方法等。
4)空气系统降秩pi解耦控制：以空燃比和进气管内废气质量分数为控制目标，采用空气系统降秩解耦控制策略，即空气系统的传递函数矩阵在某些情况下是降秩的，因此，两个控制目标具有一定的关联性，可以将原有的二维控制策略转化为较简单的一维控制策略。
5)空气系统解耦控制：以进气空气流量和进气增压压力为控制目标，在稳态工况下得到解耦传递函数，以达到通过调节egr阀开度独立控制进气空气流量，通过调节vgt开度独立控制进气增压压力的目标。也可以采用egr率与空气流量作为控制目标。
6)h无穷控制/h2控制：以排气压力和进气增压压力为控制目标，基于对非线性空气系统平均值模型进行局部线性化，根据线性模型设计最优或鲁棒控制器，再进一步扩展到整个工况范围：如h无穷控制，最小二次型最优状态反馈控制律等。
7)非线性控制：以排气压力和进气增压压力为控制目标，基于对非线性空气系统平均值模型设计基于物理模型的非线性控制器：如基于lyapunov稳定性理论的控制器设计方法，基于滑模控制等。
上述基于空气流量和增压压力的独立pid控制策略的最大优点是结构简单并能实现良好的稳态控制效果，且用于参数标定的试验工作量小。独立闭环pid控制的缺点是由于系统本身的耦合特性使得其动态过程的控制效果不理想，在加速的过程中容易出现冒烟现象。独立工作的闭环控制的另一个缺点是egr工作范围有限，原因在于egr阀只能在涡前压力高于增压压力时，因此只能用于中低负荷和中低转速工况。nissan，toyota，cummins等公司在实际使用中并未采用空气流量和增压压力作为目标值，而采用了以egr率代替进气增压压力作为目标值的控制策略。这种方法一个共性的问题是对egr流量估计。由于egr流量传感器无论从精度还是可靠性上都远不能满足实际使用需要，使得egr流量主要通过估计得到。而影响egr流量的排气管温度和压力，egr管道节流系数，冷却效率等都需要大量的试验才能得到满意的估计效果，因此使得基于此方法的控制系统试验量非常巨大。以上控制策略虽然都能在稳态控制中取得较好的效果，但是由于egr和vgt同时作用于进气管，存在耦合特性，而控制策略中并没有针对这种耦合特性设计瞬态控制策略，所以，瞬态控制效果往往并不理想。基于空气流量和进气增压压力的独立闭环控制策略以及它的变形都无法满足瞬态性能要求。
以进气空气流量和进气增压压力为控制目标的控制策略存在空气系统控制策略的精确性要求和简洁性要求构成一个明显的矛盾。该矛盾直接来源于egr和vgt的强烈耦合和非线性。控制策略需要非常强大的柴油机控制单元来完成大量的实时计算，这对现有的控制单元是做不到的。正式由于控制策略的复杂性，对控制硬件有很高的要求，以及参数标定的困难等多方面的因素，故不适应实际控制系统的设计。
以采用空燃比和进气管内废气质量分数作为控制目标的控制策略在实际使用过程中，缺乏直接测量空燃比与进气管内废气质量分数的成熟商用传感器，所以不能实现直接以该参数为控制目标的反馈控制。而空气流量与进气增压压力都非常容易由现有传感器测量，因此可以建立基于空气流量与增压压力的反馈控制策略，空燃比与进气管内废气质量分数作为中间变量通过观测器得到。
以进气空气流量和进气增压压力为控制目标的控制策略具有在稳态工况下解耦的功能，具有简洁、较少的标定工作量及鲁棒性。在大多数柴油机工况下控制效果较好，但因为没有考虑瞬态工况下的耦合作用，因而在某些瞬态工况下控制精度不高。
以进气空气流量和进气增压压力为控制目标的控制策略在低负荷工况下，能明显提高空气流量响应速度，从而提高了瞬态响应性能。明显优于独立pi控制策略。
以排气压力和进气增压压力为控制目标的控制策略是基于柴油机空气系统物理模型设计的控制策略，因而物理模型本身的精度与实时性就显得很重要，同时对控制目标的选择也很重要。排气压力作为控制目标不是最优的选择，因为排气压力是震荡的压力，控制目标只能选择平均值。这对控制目标的跟踪往往较困难。但控制策略由于考虑了egr与vgt的瞬态相互作用，控制策略的标定工作量较少，而且现有的柴油机控制单元的计算能力足够承担实时计算能力，因而是比较有效的控制策略。
综上所述，现有技术中针对现代发动机空气系统的控制策略无法很好地同时满足现代发动机实际运行稳态和瞬态工况性能，以及排放和现代发动机控制单元(ecu)标定的要求。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是提供了一种发动机先进空气管理系统的鲁棒非线性控制方法，此方法是能够满足现代发动机的实际运行工况、相对简单且易于实现和标定的空气系统控制方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种发动机先进空气管理系统的鲁棒非线性控制方法，包括以下步骤：
步骤1：建立面向空气系统控制的非线性平均值物理模型；
各字符和字符串的含义为：
uvgt：vgt阀开度、uegr：egr阀开度、uthr：节气门阀开度、wc：通过压气机的空气质量流量、wt：通过增压器透平的排气质量流量、wthr：通过节气门的空气质量流量、wegr：通过egr阀的排气质量流量、wexh：气缸排气质量流量，wexh＝wint+wf；
wvgt：通过vgt阀的排气质量流量、wint：进入气缸总的质量流量、wf：气缸燃油喷射质量流量、pc：压气机出口压力、pamb：大气环境压力、pint：气缸进气压力、pexh：气缸排气压力、pt：增压器透平出口排气压力、tamb：大气环境温度、tc：压气机空气出口温度、tt：增压器透平入口端排气温度、tint：气缸进气温度、texh：气缸排气温度、tegr：egr阀出口排气温度、tthr：节气门出口空气温度、vc：压气机出口与节气门之间进气歧管容积、vext：排气歧管容积；
ωt增压器转速、jt：增压器轴转动惯量、pt：增压器透平功率、pc：增压器压气机功率、ηm：增压器效率、ηc：压气机效率、ηt：透平效率、cp：增压器压力比热容、cp：增压器容积比热容、r：气体常数、γ：比热容比值、vint：进气歧管容积、ηthr,c：进气中冷器效率、ηegr,c：egr冷却器效率、ηe：气缸进气流量系数、vd：发动机气缸排量、
现代发动机空气系统状态方程为：
1)气缸进气管进气压力：
2)压气机出口压力：
3)气缸排气管压力：
4)增压器转子动力学：
其中，涡轮机流量：
涡轮机功率：
压气机流量：
压气机功率：
通过egr阀的流量：
通过节气门的流量：
且有：
这里：cd(uegr)：egr阀等效流通面积、cd(uthr)：节气阀门等效流通面积、ra：进气混合器气体常数、ηe：发动机进气效率、vd：发动机排量，将pamb、tamb当作常值，则根据涡轮增压器准稳态特性曲线知：流经压缩机的空气流量wc是压气机出口压力pc与涡轮转速ωt的函数，即wc＝wc(ωt,pc)；
由此得到：
其中：
δc表示发动机空气系统的动态干扰源，即未被建模的动态特性，具体是：
将增压器转子动力学与压气机出口压力关系代入到
其中：
整理气缸排气管压力关系式得到：
其中：
整理气缸进气管进气压力关系式得到：
其中：
步骤2：设计鲁棒非线性控制方法，提高空气系统控制精度、改善瞬态响应特性及鲁棒性；
构造李亚普诺夫函数：
其中：
α、β是常数，α＞0,β＞0；
则设计的鲁棒非线性控制律为：
其中：
sgn表示符号函数，即sgn(y)＝1，y＞0、sgn(y)＝-1，y＜0；
给定气缸排气压力和流经空气压缩机的空气流量的实际测量值wc、pext和pint，以及目标值
与现有技术相比，本发明的有益效果是：能够在抵抗外界干扰源和未建模的动态特性的同时，兼顾egr系统、涡轮增压系统和进气节气系统之间的耦合性。而且本发明方法简单，易于实现，可以显著地改善现代发动机空气系统的控制。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
空气系统包括废气再循环egr系统和变截面涡轮增压系统，其中egr系统包括egr阀，涡轮增压系统包括空气压缩机和增压阀，并且进气系统包括进气节气门阀和进气中冷器。根据流经egr阀的目标废气流量确定egr阀的目标开度；根据流经变截面涡轮增压阀的目标废气流量确定截面涡轮增压vgt阀的目标开度；根据流经进气节气门阀的目标废气流量确定进气节气门阀的目标开度。
用于控制现代发动机的空气系统的方法：获取柴油发动机的气缸排气压力的测量值以及流经空气压缩机的空气流量的测量值；根据获取的测量值，以及根据柴油发动机的气缸排气压力的目标值和流经空气压缩机的空气流量的目标值，使用表征空气系统的非线性平均值物理模型来确定流经egr阀的目标废气流量和流经增压阀的目标废气流量；根据流经egr阀的目标废气流量和流经增压阀的目标废气流量；根据流经进气节气门阀的目标废气流量确定进气节气门阀的目标开度。
利用配备有egr系统和涡轮增压系统的现代发动机的准稳态特性关系曲线，建立表征空气系统的物理模型，其可被用于有效地在各种工况条件下(包括瞬态和稳态)控制egr系统、涡轮增压系统和进气节气系统，从而使经过空气压缩机的空气流量和气缸排气管压力尽可能接近于期望的目标值。
现代发动机包括：气缸、进气管道、排气管道、燃油喷射系统、空气系统以及控制单元，用于实现对现代发动机的控制；进气节气系统耦合至所述进气管道和所述egr阀出口管道，进气节气系统配置用于将来自所述进气管道的部分空气通过所述进气管道输送回所述气缸，并且将改变流经egr阀的废气流量。
废气再循环系统和涡轮增压系统都接收来自排气管道的废气，其进气流量分别由egr阀和增压阀来控制。在操作中，现代发动机电子控制单元根据发动机的工况产生相应的egr阀驱动信号和增压阀驱动信号，分别用于控制egr阀和增压阀的开度。如上所述，废气再循环系统和涡轮增压系统的性能彼此影响，因此需要对废气再循环阀和增压阀的开度进行有效的控制。
本发明的关键在于如何准确、灵活、有效地表征柴油发动机的空气系统，特别是如何表征气缸排气压力、流经空气压缩机的空气流量、流经egr阀的废气流量以及流经增压阀的废气流量这四个关键特性之间的相互影响和作用，有效地对上述四个特性进行表征和建模，能够实现现有技术中所无法实现的对空气系统的有效控制。为此，本发明建立表征空气系统的上述四个关键系统特性的非线性平均值物理模型，并使用它来控制现代发动机的空气系统。
根据现代发动机的气缸排气压力的目标值
使用表征空气系统的(多输入/多输出的)非线性平均值物理模型，以pint、pext和wc为输入，确定为了满足
本发明中非线性物理模型可以与柴油发动机的一个或多个方面相关。包括：进气压力、排气压力、空气流量、进入气缸的气体流量、气缸排气阀出口流量、进气阀流量系数、转速、气缸位移、进气热常数、进气温度、进气管等效容积、排气热常数、排气温度、排气管等效容积、增压器机械效率、增压器涡轮效率、增压器涡轮热容量、大气环境温度、大气环境压力、进气空气热容量比、排气热容量比、压缩机效率、增压器转轴转动惯量、增压器转速、增压器涡轮排气能量、增压器压缩空气能量、压缩空气热容量、以及燃油喷射流量。
建立面向空气系统控制的非线性平均值物理模型。
发动机空气系统状态方程为：
1)气缸进气管进气压力：
2)压气机出口压力：
3)气缸排气管压力：
4)增压器转子动力学：
其中：
涡轮机流量：
涡轮机功率：
压气机流量：
压气机功率：
通过egr阀的流量：
通过节气门的流量：
其它物理关系有：
tthr＝(1-ηthr,c)tc+ηthr,ctcool
tegr＝(1-ηegr,c)texh+ηegr,ctcool
从压气机流量的特性关系中可以看出，如果将pamb、tamb当作常值，根据涡轮增压器准稳态特性曲线可知：流经压缩机的空气流量wc是压气机出口压力pc与涡轮转速ωt的函数，即：
wc＝wc(ωt,pc)
由此，可以得到：
其中：δc表示发动机空气系统的动态干扰源，即未被建模的动态特性。本发明中δc表示为：
非线性平均值物理模型不但考虑了发动机的各种内在特性，而且兼顾到外部动态干扰源的影响，故需要对空气系统进行鲁棒控制设计。
将增压器转子动力学与压气机出口压力关系代入到
其中：
重新整理气缸排气管压力关系式，得到：
其中：
重新整理气缸进气管进气压力关系式，得到：
其中：
状态量wc、pexh、pc、pint、ωt等要么通过发动机上安装的物理传感器直接测量，要么通过设计状态观测器进行在线实时测量。现代发动机的空气系统是非线性很强的系统，同时在模型中又考虑到不确定干扰项的影响，因此，应该在设计控制策略时考虑鲁棒非线性控制方法，以提高空气系统控制精度、改善瞬态响应特性及鲁棒性。
构造李亚普诺夫(lyapunov)函数如下：
其中：
α、β是常数，α＞0,β＞0。
设计的鲁棒非线性控制律为：
其中：sgn表示符号函数，即sgn(y)＝1，y＞0、sgn(y)＝-1，y＜0。
基于上述物理模型，给定气缸排气压力和流经空气压缩机的空气流量的实际测量值wc、pext和pint以及目标值