二级可调增压柴油机变海拔增压压力自适应调节控制方法与流程

本发明涉及发动机控制领域，特别是涉及一种二级可调增压柴油机变海拔增压压力自适应调节控制方法。

背景技术：

我国是一个高原大国，拥有世界上面积最大的高原地域。青藏高原是世界上最具代表性的高原，平均海拔超过4000m，总面积达240万km2，约占国土面积的1/4。车辆在高原公路(如青藏线、川藏线和滇藏线等)行驶时，柴油机进气质量减少导致柴油机燃烧恶化，功率、燃油消耗率、热负荷等各项技术性能劣化明显。据统计，海拔每升高1000m柴油机动力性下降4.0％～13.0％、经济性下降2.7％～12.9％，涡前排温和缸盖温度升高7％～10％。目前柴油机增压系统存在无法根据海拔变化自动调节增压压力的缺陷。

技术实现要素：

针对现有柴油机增压系统存在无法根据海拔变化自动调节增压压力的缺陷，本发明提供一种二级可调增压柴油机变海拔增压压力自适应调节控制方法，利用该方法能够实现二级可调增压柴油机增压压力变海拔自适应，提升了柴动机高海拔瞬态响性特性和加速特性，有效缓解了海拔上升给柴油机带来的动力性和经济性影响。

如上构思，本发明的技术方案是：一种二级可调增压柴油机变海拔增压压力自适应调节控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

①在柴油机ecu中存储气压与海拔关系表、变海拔柴油机扭矩map、扭矩与进气流量关系曲线、高压级增压器压气特性map图、低压级增压器压气特性map图；

②柴油机ecu实时获取油门踏板位置变化信号；

③当检测到油门踏板位置变化时，柴油机ecu获取当前大气压力和柴油机转速，查询气压与海拔关系表，将当前大气压力转换成海拔，基于油门踏板位置、海拔和转速查询变海拔柴油机扭矩map，得到当前工况的期望扭矩；

④柴油机ecu基于期望扭矩查询扭矩与进气流量关系曲线，得到二级增压系统期望进气量；

⑤柴油机ecu根据二级增压系统期望进气量查询高压级增压器压气特性map图和低压级增压器压气特性map图，得到高、低压级增压器二级增压系统期望增压压力；

⑥nmpc增压压力控制器获取当前高、低压级增压器实际压力，基于当前高、低压级增压器增压压力和高、低压级增压器期望增压压力计算出高、低压级旁通阀开度调节量，并将高、低压级旁通阀开度调节量发送给柴油机ecu；

⑦柴油机ecu控制高、低压级旁通阀开度使实际增压压力与期望增压压力相等。

进一步，所述油门踏板位置变化可以是油门开度变化或者踏板倾斜度变化。

进一步，所述气压与海拔关系表参见国标gb/t20969.1-2007。

进一步，所述变海拔柴油机扭矩map是基于柴油机高海拔性能试验台进行柴油机变海拔性能试验，得到柴油机不同工况海拔、扭矩和油门踏板的三维map。

进一步，所述扭矩与进气流量关系曲线是基于柴油机高海拔性能试验台进行柴油机变海拔性能试验得到的。

进一步，所述nmpc增压压力控制器是采用非线性模型预测控制方法的增压压力控制器。

进一步，所述nmpc增压压力控制器采用标准粒子群算法求解最优性能函数获得k时刻旁通阀的最优控制序列：

minj＝ρpσ[ps(k+j)-p(k+j)]²+ρuσ[u(k+j-1)-u(k+j-2)]²

subjectto

uhmin(k+j)<uh(k+j)<uhmax(k+j),j＝0,1,2,…nu-1

ulmin(k+j)<ul(k+j)<ulmax(k+j),j＝0,1,2,…nu-1

δumin≤u(k+j-1)-u(k+j-2)≤δumax

其中，ρp为压力误差权值，ρu为控制增量权值，k为当前时刻，nu为控制时域长度，u为高、低压级旁通阀开度控制量，ps为期望增压压力，p为柴油机增压系统预测模型增压压力预测值；

uhmax为高压级旁通阀最大开度，uhmin为高压级旁通阀最小开度，ulmax为低压级旁通阀最大开度，ulmin为低压级旁通阀最小开度，δumax为单次调节量上限，δumin为单次调节量下限。

进一步，所述柴油机增压系统预测模型采用bp神经网络建立，其输入包括油门开度、海拔、高压级旁通阀开度、低压级旁通阀开度，输出包括增压压力。

由于油门踏板位置变化暗示着油门开度的变化，影响到最终柴油机的喷油量，且油门踏板位置变化代表驾驶者的驾驶意图，因此通过判断驾驶者的驾驶意图来调节增压系统，有助于建立驾驶者和柴油机的快速及时的动态响应关系，改善高海拔条件下柴油机瞬态响应特性。因此，本发明通过柴油机ecu实时获取海拔和柴油机油门踏板位置，计算出期望增压压力，通过协同控制高、低压级旁通阀开度，使得柴油机实际增压压力等于期望增压压力，以满足柴油机不同海拔的进气需求，最大程度缓解海拔上升给柴油机带来的动力性和经济性影响。

附图说明

图1为本发明提供的二级可调增压柴油机示意图；

图2为本发明的控制流程图；

图3为nmpc增压压力控制器的控制原理图；

图4为柴油机二级增压系统神经网络预测模型拓扑图；

图5为nmpc增压压力控制器的控制流程图。

图中：1-柴油机；2-转速传感器；3、7-中冷器；4-高压级增压器出口压力传感器；5-高压级增压器进口压力传感器；6、10-压气机；8-低压级增压器出口压力传感器；9-大气压力传感器；11、14-涡轮旁通阀开度传感器；12、15-涡轮旁通阀；13、16-涡轮机。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细的说明。

如图1所示，本发明提供了一种二级可调增压柴油机变海拔增压压力自适应系统调节控制方法，所述自适应系统包括柴油机控制器ecu、转速传感器、油门踏板传感器、高压级vgt增压器、低压级vgt增压器、高压级增压器出口压力传感器、高压级增压器进口压力传感器、低压级增压器出口压力传感器、大气压力传感器和nmpc增压压力控制器。

如图2所示，增压压力自适应系统控制流程，包括步骤s1、s2、s3、s4、s5、s6，下面对各步骤作具体介绍。

在步骤s1中，柴油机控制器ecu实时监控油门踏板位置变化。油门踏板位置变化可以是油门开度变化或者踏板倾斜度变化。

在步骤s2中，当检测到油门踏板位置变化时，ecu获取当前大气压力和柴油机转速，查询气压与海拔关系表，将当前大气压力转换成海拔，基于油门踏板位置、海拔和转速查询柴油机变海拔扭矩map，得到当前工况的期望扭矩。所述气压与海拔关系表参见国标gb/t20969.1-2007，所述变海拔柴油机扭矩map是基于柴油机高海拔性能试验台，进行柴油机变海拔性能试验，得到柴油机不同工况海拔、扭矩和油门踏板的三维map。

在步骤s3中，柴油机控制器ecu基于查询扭矩与进气流量关系曲线，得到二级增压系统期望进气量。其中扭矩与进气流量关系曲线是基于柴油机高海拔性能试验台，进行柴油机变海拔性能试验得到的。

在步骤s4中，柴油机控制器ecu基于二级增压系统进气流量查询高、低压级增压器压气特性map，高、低压级增压器压比根据实际需要按6：4、5:5、4:6选取，得到高、低压级增压器期望增压压力。其中高、低压级增压器压气特性map由增压器厂家提供。

在步骤s5中，nmpc增压压力控制器获取当前高、低压级增压压力，基于当前高、低压级增压器增压压力和期望高、低压级增压器增压压力计算出高、低压级旁通阀开度调节量，将高、低压级旁通阀开度调节量发送给ecu。其中，nmpc增压压力控制器是采用非线性模型预测控制方法的增压压力控制器，具体通过滚动求解增压系统最优性能函数实现控制。

在步骤s6中，ecu将高、低压级旁通阀开度调节量作用于高、低压级涡轮旁通阀，nmpc增压压力控制器获取作用之后的高、低压级增压压力，结合期望增压压力滚动优化循环求解下一时域的控制量。

在步骤s1中，当油门踏板传感器未检测到油门踏板位置变化时，则nmpc增压压力控制器和柴油机控制器ecu控制高、低压级旁通阀开度保持不变。

如图3所示，所述nmpc增压压力控制器采用标准粒子群算法求解最优性能函数获得k时刻旁通阀的最优控制序列：

minj＝ρpσ[ps(k+j)-p(k+j)]²+ρuσ[u(k+j-1)-u(k+j-2)]²

j＝0,1,2,…nu-1

其中，ρp为压力误差权值，ρu为控制增量权值，k为当前时刻，nu为控制时域长度，u为高、低压级旁通阀开度控制量，ps为期望增压压力，p为柴油机增压系统神经预测模型增压压力预测值。

在实际控制中考虑系统稳定性和执行动态响应，防止调节量过大和阀门开度超过实际限值，优化求解过程应满足以下限制条件：

uhmin(k+j)<uh(k+j)<uhmax(k+j),j＝0,1,2,…nu-1

ulmin(k+j)<ul(k+j)<ulmax(k+j),j＝0,1,2,…nu-1

δumin≤u(k+j-1)-u(k+j-2)≤δumax

其中uhmax为高压级旁通阀最大开度，uhmin为高压级旁通阀最小开度，ulmax为低压级旁通阀最大开度，ulmin为低压级旁通阀最小开度，δumax为单次调节量上限，δumin为单次调节量下限。

最优性能函数的优化求解是基于柴油机增压系统模型得到的，柴油机二级增压系统具有非线性、强耦合的特点，传统的平均值模拟难以准确模拟增压系统的动态特性，因此采用bp神经网络建立柴油机二级增压系统性能预测模型，可描述为:

y＝fbp(u)

其中y为神经网络响应输出，u为模拟控制量。

图4为柴油机二级增压系统神经网络预测模型拓扑图，输入包括油门开度、海拔、高压级旁通阀开度、低压级旁通阀开度；输出包括增压压力。

图5为非线性模型预测控制的nmpc增压压力控制器采用标准粒子群算法求解最优性能函数的控制流程图。在粒子群算法求解出k时刻的旁通阀最佳控制序列后，nmpc增压压力控制器将控制序列的第一个值作用发送给ecu，ecu将控制量作用于旁通阀，至此，柴油机nmpc增压压力控制器完成k时刻的控制。在k+1时刻，控制器获取k时刻作用于调节量后的高、低压级增压压力，结合k+1时刻获取的期望增压压力进行k+1时刻的增压压力控制。

本发明可以实现柴油机变海拔增压压力自适应变化，满足柴油机不同工况不同海拔的进气需求，维持空燃比处于正常范围，最大程度缓解海拔上升给柴油机带来的动力性和经济性影响。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。