本發(fā)明屬于柴油機(jī)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，世界范圍內(nèi)汽車數(shù)量也在急劇增加，2015年全球汽車保有量將超過11億輛，而2050年將預(yù)計增長到35億輛。如此龐大數(shù)量的汽車每年將消耗10億多噸燃油，已超過世界石油年產(chǎn)量的1/3。以目前的開采速度計算，全球石油資源將會在50年后枯竭，并且美國能源部研究預(yù)測，2020年以后全球石油需求與常規(guī)石油供給之間將出現(xiàn)凈缺口?？梢娔茉次C(jī)迫在眉睫。伴隨燃油的使用，汽車排放的尾氣造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染，并且危害著人類的健康。我國大部分地區(qū)出現(xiàn)的霧霾問題已引起了人們的高度重視^[2]。能源短缺、環(huán)境污染和氣候變暖是當(dāng)前汽車和能源產(chǎn)業(yè)共同面臨的巨大挑戰(zhàn)。針對汽車的生產(chǎn)和銷售，我國出臺了最新的國ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)，將對汽車的排放進(jìn)行了更為嚴(yán)格的限制。對柴油機(jī)進(jìn)行優(yōu)化燃燒控制，能有效的減低柴油機(jī)的排放，同時能夠有效提高柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性能與動力性能，這對于緩解我國的環(huán)境污染問題及資源枯竭問題具有重要的意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的通過對柴油機(jī)的噴油量、噴油時刻、egr閥的開度及vgt截面積進(jìn)行控制，從而使得柴油機(jī)的nox排放滿足國iv排放標(biāo)準(zhǔn)，同時使其具有良好的動力性及燃油經(jīng)濟(jì)性能的柴油機(jī)優(yōu)化燃燒控制器。

本發(fā)明步驟是：

①激勵數(shù)據(jù)的選?。涸诓裼蜋C(jī)燃燒模型中，將設(shè)計的噴油量、噴油時刻、egr閥的開度、vgt的齒條位置給柴油機(jī)，開環(huán)運行模型，得到實際的nox的排放量，發(fā)動機(jī)曲軸輸出的扭矩，燃油消耗率；根據(jù)這些數(shù)據(jù)得到系統(tǒng)的輸入hankel矩陣、，輸出hankel矩陣、、：

（1）

（2）

（3）

（4）

（5）

公式（1）中的表示系統(tǒng)在2…..n-2m+2時刻系統(tǒng)的輸出；公式（3）中的表示系統(tǒng)在2+m…..n-m+2時刻系統(tǒng)的輸出；其中第i時刻的系統(tǒng)輸出為，其中、、分別表示第i時刻燃油消耗率、nox排放量以及柴油機(jī)輸出的曲軸扭矩；

公式（2）中表示系統(tǒng)在2……n-m+2時刻系統(tǒng)輸出的增量，其中第i時刻系統(tǒng)輸出的增量為，即第i時刻系統(tǒng)的輸出減去第i時刻的輸出，其中、、分別表示第i時刻燃油消耗率、nox排放量以及柴油機(jī)輸出的曲軸扭矩；

公式（4）中的表示系統(tǒng)在2…….n-m+2時刻系統(tǒng)輸入的增量；（5）中的表示系統(tǒng)在2+m…..n+2時刻系統(tǒng)輸入的增量，其中第i時刻系統(tǒng)輸入的增量為，即第i時刻系統(tǒng)的輸出減去第i時刻的輸出，其中、、、分別表示第i時刻的噴油量、egr閥的開度、vgt截面積及噴油時刻；

②通過輸入輸出hankel矩陣構(gòu)造系統(tǒng)增量形式的預(yù)測輸出方程為：

（6）

其中，為系統(tǒng)的輸入hankel矩陣；即為通過增量型子空間辨識方法得到的系統(tǒng)未來的輸出值，通過求解最小二乘問題，獲得預(yù)測方程中的兩個預(yù)測矩陣和：

（7）

其中，兩個預(yù)測矩陣系數(shù)和的解由下式求得：

（8）

式中和分別為和的轉(zhuǎn)置；

③在得到增量型的預(yù)測矩陣和后，利用增量型子空間預(yù)測方程（6），即得到系統(tǒng)未來輸出值；

④數(shù)據(jù)驅(qū)動預(yù)測控制器設(shè)計：對目標(biāo)函數(shù)對應(yīng)的二次規(guī)劃問題求解得到優(yōu)化后的噴油量、噴油時刻、vgt的齒條位置、egr閥的開度，目標(biāo)函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式如式（9）所示：

（9）

其中k1、k2、k3、k4為目標(biāo)函數(shù)的加權(quán)系數(shù)，k、p分別為當(dāng)前時刻、預(yù)測時域，rt為期望的柴油機(jī)輸出曲軸扭矩，rnox由式（10）計算得到

(10)

其中，為前時刻總的nox的排放量；

⑤將式（6）進(jìn)行等量代換得式（11）

（11）

其中f項為系統(tǒng)自由相應(yīng)部分，項被稱為系統(tǒng)的控制相應(yīng)；

⑥通過式（11），得到如下所示的目標(biāo)函數(shù)：

（12）

其中

，

、

為加權(quán)系數(shù)，系統(tǒng)的輸入約束由式（13）、（14）進(jìn)行描述：

（13）

（14）

式（13）描述的是對控制量的變化率的約束，其中、分別為控制量變化率的最大值與最小值，式（14）描述的是對控制量的約束，、分別為控制量的最大值與最小值，通過求解帶約束（13）、（14）的優(yōu)化問題（12），就可以得到最優(yōu)的控制率。

本發(fā)明能很好地解決現(xiàn)有技術(shù)的三點問題，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動預(yù)測控制算法能有效表面復(fù)雜的系統(tǒng)機(jī)理建模，

1、使用系統(tǒng)的輸入輸出數(shù)據(jù)離線辨識得到系統(tǒng)面向控制的模型，這大大地減少了傳統(tǒng)的機(jī)理建模的時間；同時由于辨識得到的面向控制的模型具有線性的結(jié)構(gòu)，這有利于mpc控制器的設(shè)計及其優(yōu)化問題的在線求解。

2、數(shù)據(jù)驅(qū)動mpc控制器能夠?qū)ο到y(tǒng)未來的動態(tài)進(jìn)行預(yù)測，然后根據(jù)其預(yù)測的系統(tǒng)的動態(tài)做出相應(yīng)的控制，所以使用mpc控制器能夠很好克服慣性對柴油機(jī)輸出的影響，從而對柴油機(jī)的燃燒過程實現(xiàn)優(yōu)化。

3、柴油機(jī)的優(yōu)化燃燒過程是一個多輸入、多輸出，帶耦合的多目標(biāo)優(yōu)化問題。數(shù)據(jù)驅(qū)動mpc控制器具有處理帶耦合的多目標(biāo)優(yōu)化問題的能力。所以使用數(shù)據(jù)驅(qū)動mpc能夠同時對柴油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性、動力性及排放性能進(jìn)行優(yōu)化。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所述的基于數(shù)據(jù)驅(qū)動mpc的柴油機(jī)優(yōu)化燃燒控制框圖；其中控制量是噴油量、噴油時刻、egr閥的開度、vgt截面積；

圖2是本發(fā)明所述的集中式帶egr+vgt的柴油機(jī)gt模型的示意圖，該模型由環(huán)境設(shè)置模塊、圓管模塊、vgt模塊、中冷器模塊、三通管模塊、egr模塊、四缸2升排量的柴油機(jī)模塊及尾氣后處理模塊構(gòu)成；

圖3是本發(fā)明在simulink中搭建的柴油機(jī)優(yōu)化燃燒數(shù)據(jù)驅(qū)動mpc控制器(1)，主要是通過matlab中的m文件編譯程序來實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動mpc控制算法；

圖4是本發(fā)明在simulink中搭建的柴油機(jī)優(yōu)化燃燒數(shù)據(jù)驅(qū)動mpc控制器(2)，主要是通過matlab中的m文件編譯程序來實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動mpc控制算法；

圖5是本發(fā)明對柴油機(jī)進(jìn)行激勵時噴油量的輸入，單位為mg指的是每循環(huán)的噴油量，橫坐標(biāo)為時間，單位為s；

圖6是本發(fā)明對柴油機(jī)進(jìn)行激勵時egr閥的開度的輸入，橫坐標(biāo)是時間，單位為s；

圖7是本發(fā)明對柴油機(jī)進(jìn)行激勵時噴油滯后角的輸入，單位為度（°），橫坐標(biāo)為時間，單位為s；

圖8是本發(fā)明對柴油機(jī)進(jìn)行激勵時vgt齒條位置的輸入，橫坐標(biāo)為時間，單位為s；

圖9是本發(fā)明對柴油機(jī)進(jìn)行激勵時燃油消耗率的輸出，其單位為g/kwh，橫坐標(biāo)為時間，單位為s；

圖10是本發(fā)明對柴油機(jī)進(jìn)行激勵時nox排放的輸出，其單位為g/kwh，橫坐標(biāo)為時間，單位為s；

圖11是本發(fā)明對柴油機(jī)進(jìn)行激勵時曲軸扭矩的輸出，其單位為n.m，橫坐標(biāo)為時間，單位為s；

圖12是本發(fā)明對辨識模型進(jìn)行驗證時噴油量的輸入，單位為mg指的是每循環(huán)的噴油量，橫坐標(biāo)為時間，單位為s；

圖13是本發(fā)明對辨識模型進(jìn)行驗證時egr閥的開度的輸入，橫坐標(biāo)是時間，單位為s；

圖14是本發(fā)明對辨識模型進(jìn)行驗證時噴油滯后角的輸入，單位為度（°），橫坐標(biāo)為時間，單位為s；

圖15是本發(fā)明對辨識模型進(jìn)行驗證時vgt齒條位置的輸入，橫坐標(biāo)為時間，單位為s；

圖16是本發(fā)明對辨識模型進(jìn)行驗證時燃油消耗率的輸出，其單位為g/kwh，橫坐標(biāo)為時間，單位為s，其中實線代表gt模型的輸出，虛線代表辨識模型的輸出；

圖17是本發(fā)明對辨識模型進(jìn)行驗證時nox排放的輸出，其單位為g/kwh，橫坐標(biāo)為時間，單位為s，其中實線代表gt模型的輸出，虛線代表辨識模型的輸出；

圖18是本發(fā)明對辨識模型進(jìn)行驗證時曲軸扭矩的輸出，其單位為n.m，橫坐標(biāo)為時間，單位為s，其中實線代表gt模型的輸出，虛線代表辨識模型的輸出；

圖19是本發(fā)明在driving模式下對柴油機(jī)進(jìn)行控制時噴油量的輸入，單位為mg指的是每循環(huán)的噴油量，橫坐標(biāo)為時間，單位為s；

圖20是本發(fā)明在driving模式下對柴油機(jī)進(jìn)行控制時egr閥的開度的輸入，橫坐標(biāo)是時間，單位為s；

圖21是本發(fā)明在driving模式下對柴油機(jī)進(jìn)行控制時噴油滯后角的輸入，單位為度（°），橫坐標(biāo)為時間，單位為s；

圖22是本發(fā)明在driving模式下對柴油機(jī)進(jìn)行控制時vgt齒條位置的輸入，橫坐標(biāo)為時間，單位為s；

圖23是本發(fā)明在driving模式下對柴油機(jī)進(jìn)行控制時燃油消耗率的輸出，其單位為g/kwh，橫坐標(biāo)為時間，單位為s；

圖24是本發(fā)明在driving模式下對柴油機(jī)進(jìn)行控制時nox排放的輸出，其單位為g/kwh，橫坐標(biāo)為時間，單位為s；

圖25是本發(fā)明在driving模式下對柴油機(jī)進(jìn)行控制時曲軸扭矩的輸出，其單位為n.m，橫坐標(biāo)為時間，單位為s，其中實線代表gt模型的輸出，虛線代表辨識模型的輸出；

圖26是本發(fā)明在load模式下對柴油機(jī)進(jìn)行控制時噴油量的輸入，單位為mg指的是每循環(huán)的噴油量，橫坐標(biāo)為時間，單位為s；

圖27是本發(fā)明在load模式下對柴油機(jī)進(jìn)行控制時egr閥的開度的輸入，橫坐標(biāo)是時間，單位為s；

圖28是本發(fā)明在load模式下對柴油機(jī)進(jìn)行控制時噴油滯后角的輸入，單位為度（°），橫坐標(biāo)為時間，單位為s；

圖29是本發(fā)明在load模式下對柴油機(jī)進(jìn)行控制時vgt齒條位置的輸入，橫坐標(biāo)為時間，單位為s；

圖30是本發(fā)明在load模式下對柴油機(jī)進(jìn)行控制時燃油消耗率的輸出，其單位為g/kwh，橫坐標(biāo)為時間，單位為s；

圖31是本發(fā)明在load模式下對柴油機(jī)進(jìn)行控制時nox排放的輸出，其單位為g/kwh，橫坐標(biāo)為時間，單位為s；

圖32是本發(fā)明在load模式下對柴油機(jī)進(jìn)行控制時柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的輸出，其單位為rpm，橫坐標(biāo)為時間，單位為s，其中實線代表gt模型的輸出，虛線代表辨識模型的輸出。

具體實施方式

本發(fā)明首先針對柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性能、動力性能及燃油經(jīng)濟(jì)性，提出了相應(yīng)的控制指標(biāo)，并選擇了相應(yīng)的控制輸入；其次，根據(jù)系統(tǒng)的特性設(shè)計了適當(dāng)?shù)募顢?shù)據(jù)，以保證對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)、動態(tài)特性的充分激勵；接著，根據(jù)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)特性，選擇合適大小的輸入輸出矩陣對系統(tǒng)進(jìn)行辨識；然后，考慮執(zhí)行器的約束，利用模型預(yù)測控制算法構(gòu)造相應(yīng)的代價函數(shù)；最后，通過求解目標(biāo)函數(shù)對應(yīng)的最優(yōu)問題，獲得控制輸入并將其作用于系統(tǒng)，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。

本發(fā)明所述的基于數(shù)據(jù)驅(qū)動mpc控制器的柴油機(jī)優(yōu)化燃燒是通過gt-power與simulink的聯(lián)合仿真實現(xiàn)。其中g(shù)t-power是一個商用的復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真平臺，本發(fā)明利用其搭建一個高保真的柴油機(jī)燃燒模型，在仿真實驗中用以代替一款真實的柴油機(jī)；matlab/simulink則是用于控制器的仿真模型搭建，即通過simulink編程來完成基于數(shù)據(jù)驅(qū)動mpc的柴油機(jī)優(yōu)化燃燒控制器的搭建。

從功能上說本發(fā)明可以包括以下幾部分：控制器仿真模塊和帶egr-vgt的柴油機(jī)燃燒模型。下面詳細(xì)說明各部分的作用：

帶egr-vgt的柴油機(jī)燃燒模型主要用于離線仿真得到能夠體現(xiàn)系統(tǒng)特性的輸入輸出激勵數(shù)據(jù)，從而通過子空間辨識的方法得到面向控制的模型。

控制模塊的主要作用是對柴油機(jī)燃燒模型的輸入、輸出量進(jìn)行采集，然后通過求解相應(yīng)的二次規(guī)劃問題得到系統(tǒng)最優(yōu)的控制信號（噴油量、噴油時刻、egr閥的開度、vgt的齒條位置）；

本發(fā)明中基于數(shù)據(jù)驅(qū)動mpc控制器的柴油機(jī)優(yōu)化燃燒控制的控制框圖，如圖1所示。圖中的控制器是在simulink中搭建的，控制器的輸入是噴油量、噴油時刻、egr閥的開度及vgt齒條的位置，而實際的燃油消耗率、nox的排放及發(fā)動機(jī)曲軸輸出的扭矩是實時反饋回控制器的?？紤]到實際存在的約束，噴油量的取值范圍為0mg~40mg，噴油時刻-10~10，egr閥開度對應(yīng)的值范圍0~0.3，vgt截面積對應(yīng)的齒條位置范圍0~1。

本發(fā)明的控制目標(biāo)是，柴油機(jī)輸出的曲軸扭矩跟蹤上期望值，同時優(yōu)化燃油消耗率以及使得柴油機(jī)排放的nox滿足國五排放標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)上述步驟可以得到基于pc機(jī)的離線柴油機(jī)優(yōu)化燃燒設(shè)計試驗平臺。該平臺的搭建及運行過程如下所示：

一、仿真平臺搭建

柴油機(jī)優(yōu)化燃燒控制系統(tǒng)的被控對象和控制器分別通過matlab/simulink和gt-power進(jìn)行搭建，求解器選擇分別為ode3和explicit-runge-kutta。仿真步長為定步長，本發(fā)明中選為0.04s。

二、聯(lián)合仿真設(shè)置

matlab/simulink與gt-power的聯(lián)合仿真有兩種方式，一種是在gt-power中調(diào)用matlab/simulink中的模型；另一種是在matlab/simulink中調(diào)用gt-power的模型。本發(fā)明中，為了便于控制器的調(diào)試使用的是第二聯(lián)合仿真的方式。要實現(xiàn)matlab/simulink與gt-power的聯(lián)合仿真，首先要將gt-power的安裝路徑添到matlab中。然后分別在gt-power界面及matlab/simulink界面添加相應(yīng)的通信接口模塊，將matlab/simulink和gt-power間需要通信的變量連接到這個模塊。最后就是在matlab/simulink中設(shè)置仿真步長，在進(jìn)行聯(lián)合仿真的過程仿真步長一定要設(shè)置為定步長。

三、集中式柴油機(jī)燃燒過程仿真模型搭建：采用模塊化方法，在gt-power中搭建了帶egr-vgt的柴油機(jī)模型，其示意圖如圖2所示。該模型由環(huán)境設(shè)置模塊、圓管模塊、vgt模塊、中冷器模塊、三通管模塊、egr模塊、四缸2升排量的柴油機(jī)模塊及尾氣后處理模塊構(gòu)成。首先在gt中新建一個文件，然后將環(huán)境設(shè)置模塊1（endenvironment）拉入該文件中，通過該模塊對環(huán)境溫度及壓力進(jìn)行設(shè)置，具體的參數(shù)如表一所示，其中composition屬性及humidityspecies屬性分別使用gt自帶的air對象及h2o-vap對象；然后通過圓管模塊1將環(huán)境設(shè)置模塊與環(huán)境設(shè)置模塊與壓縮機(jī)模塊相連接，其中圓管模塊1的參數(shù)如表一所示；接著將壓縮與中冷器連接在一起，其中中冷器的參數(shù)直接使用demo中的參數(shù)；接著通過三通管1將中冷器、四缸2l排放的柴油機(jī)模塊的入口及egr模塊的出口連接在一起，其中四缸2l排放的柴油機(jī)模塊的參數(shù)如表一所示，其他的參數(shù)直接使用demo自帶的參數(shù)，三通管1的參數(shù)如表一所示；接著通過三通管模塊2將四缸2l排放的柴油機(jī)模塊的出口、渦輪機(jī)及egr模塊的入口連接在一起，三通管模塊2的參數(shù)如表一所示；然后將渦輪機(jī)通過圓管模塊2與尾氣后處理系統(tǒng)相連接，尾氣后處理系統(tǒng)的參數(shù)直接使用demo的參數(shù)，圓管模塊2的參數(shù)如表1所示，最后通過圓管模3塊將尾氣后處理模塊與環(huán)境設(shè)置模塊2連接在一起，其中圓管模塊3的參數(shù)如表一所示，環(huán)境設(shè)施模塊2的參數(shù)與環(huán)境設(shè)置模塊1的參數(shù)是一致的。

表一帶egr+vgt的柴油機(jī)參數(shù)列表

四、柴油機(jī)優(yōu)化燃燒控制方案

首先是控制目標(biāo)的確定：使nox的排放的均值小于2g/kwh，以滿足國五排放標(biāo)準(zhǔn)對nox排放的要求；同時使得柴油機(jī)輸出的曲軸扭矩跟蹤上期望值，以滿足對柴油機(jī)動力性的要求；最后，在滿足排放性能及動力性能的前提下，盡量降低燃油消耗。

控制量的確定：對于柴油機(jī)而言，其輸出的扭矩主要由噴油量決定；為了提高柴油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性及動力性，需要優(yōu)化柴油機(jī)的噴油時刻及vgt的截面；另一方面，為了減低柴油機(jī)nox的排放，需要對egr閥的開度進(jìn)行控制，所以為了滿足上述控制目標(biāo)，本發(fā)明選擇噴油量、噴油時刻、egr率及vgt的截面積作為控制量。

控制器的選擇：因為柴油機(jī)的燃燒過程復(fù)雜且存在較強(qiáng)的非線性，本發(fā)明使用增量型子空辨識的方法建模建立面向控制的模型；另一方面，考慮到mpc控制器能夠很好的解決帶約束、多目標(biāo)優(yōu)化問題，所以本發(fā)明使用基于增量型數(shù)據(jù)驅(qū)動mpc控制器。

確定控制目標(biāo)、控制量及控制器之后就能得到本發(fā)明的柴油機(jī)優(yōu)化燃燒控制方案，具體的控制框圖如圖1所示。

五、柴油機(jī)優(yōu)化燃燒數(shù)據(jù)驅(qū)動預(yù)測控制器

①激勵數(shù)據(jù)的選?。哼x取柴油機(jī)的噴油量、噴油時刻、egr閥的開度、vgt的齒條位置（在gt模型中，vgt的截面積是由齒條位置決定的，齒條的位置在0~1的范圍內(nèi)變化）作為激勵輸入信號，在gt-power的柴油機(jī)燃燒模型中，將設(shè)計的噴油量、噴油時刻、egr閥的開度、vgt的齒條位置給柴油機(jī)，開環(huán)運行模型，得到實際的nox的排放量，發(fā)動機(jī)曲軸輸出的扭矩，燃油消耗率；根據(jù)這些數(shù)據(jù)得到系統(tǒng)的輸入hankel矩陣、，輸出hankel矩陣、、：

（1）

（2）

（3）

（4）

（5）

公式（1）中的表示系統(tǒng)在2…..n-2m+2時刻系統(tǒng)的輸出；公式（3）中的表示系統(tǒng)在2+m…..n-m+2時刻系統(tǒng)的輸出；因為公式（3）中的輸出是系統(tǒng)未來m時刻的值，所以公式（3）中的輸出超前公式（1）中對應(yīng)的輸出m時刻。其中第i時刻的系統(tǒng)輸出為，其中、、分別表示第i時刻燃油消耗率、nox排放量以及柴油機(jī)輸出的曲軸扭矩。

公式（2）中表示系統(tǒng)在2……n-m+2時刻系統(tǒng)輸出的增量，其中第i時刻系統(tǒng)輸出的增量為，即第i時刻系統(tǒng)的輸出減去第i時刻的輸出，其中、、分別表示第i時刻燃油消耗率、nox排放量以及柴油機(jī)輸出的曲軸扭矩；

公式（4）中的表示系統(tǒng)在2…….n-m+2時刻系統(tǒng)輸入的增量；（5）中的表示系統(tǒng)在2+m…..n+2時刻系統(tǒng)輸入的增量，其中第i時刻系統(tǒng)輸入的增量為，即第i時刻系統(tǒng)的輸出減去第i時刻的輸出，其中、、、分別表示第i時刻的噴油量、egr閥的開度、vgt截面積及噴油時刻；

②通過輸入輸出hankel矩陣構(gòu)造系統(tǒng)增量形式的預(yù)測輸出方程為：

（6）

其中，為系統(tǒng)的輸入hankel矩陣；即為通過增量型子空間辨識方法得到的系統(tǒng)未來的輸出值，通過求解最小二乘問題，獲得預(yù)測方程中的兩個預(yù)測矩陣和：

（7）

其中，兩個預(yù)測矩陣系數(shù)和的解由下式求得：

（8）

式中和分別為和的轉(zhuǎn)置。

③在得到增量型的預(yù)測矩陣和后，利用增量型子空間預(yù)測方程（6），即得到系統(tǒng)未來輸出值；在得到如（6）所示的預(yù)測方程之后，本發(fā)明使用圖5所示的激勵輸入對辨識模型的精度進(jìn)行了驗證，驗證結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，預(yù)測得到的系統(tǒng)的輸出與實際值吻合得很好。

④數(shù)據(jù)驅(qū)動預(yù)測控制器設(shè)計：對目標(biāo)函數(shù)對應(yīng)的二次規(guī)劃問題求解得到優(yōu)化后的噴油量、噴油時刻、vgt的齒條位置、egr閥的開度，目標(biāo)函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式如式（9）所示：

（9）

其中k1、k2、k3、k4為目標(biāo)函數(shù)的加權(quán)系數(shù)，k、p分別為當(dāng)前時刻、預(yù)測時域，rt為期望的柴油機(jī)輸出曲軸扭矩，rnox由式（10）計算得到，由式（9）可得，目標(biāo)函數(shù)中包括了：對柴油機(jī)輸出曲軸扭矩的跟蹤、對燃油消耗的優(yōu)化以及對排放的跟蹤優(yōu)化。

(10)

其中，為前時刻總的nox的排放量；式10的物理意義，在可預(yù)見的未來的100個時刻之內(nèi)，使得nox的排放量的平均值等于（1.95g/kwh）。

⑤為了便于控制器的推導(dǎo)，將式（6）進(jìn)行等量代換得式（11）

（11）

其中f項為系統(tǒng)自由相應(yīng)部分，項被稱為系統(tǒng)的控制相應(yīng)。

⑥通過式（11），得到如下所示的目標(biāo)函數(shù)：

（12）

其中

，

、

為加權(quán)系數(shù)，系統(tǒng)的輸入約束由式（13）、（14）進(jìn)行描述：

（13）

（14）

式（13）描述的是對控制量的變化率的約束，其中、分別為控制量變化率的最大值與最小值，的值分別為40、0.3、10、1、-40、-0.3、-10、-1。式（14）描述的是對控制量的約束，、分別為控制量的最大值與最小值，的值分別為40、0.3、10、1、0、0、-10、0。通過求解帶約束（13）、（14）的優(yōu)化問題（12），就可以得到最優(yōu)的控制率。如圖3所示。

實驗驗證

模型預(yù)測控制的控制性能取決于預(yù)測模型的精度。為了驗證模型的精度，本發(fā)明重新設(shè)計了一組激勵輸入，如圖11、12、13、14所示，實驗結(jié)果如圖15、16、17所示。由圖15、16、17可知，預(yù)測模型的nox、燃油消耗率、曲軸扭矩輸出能夠很好地跟蹤上實際系統(tǒng)的輸出值。

為了進(jìn)一步驗證柴油機(jī)優(yōu)化燃燒數(shù)據(jù)驅(qū)動mpc控制器的控制性能，本發(fā)明使用ftp75工況分別在測功機(jī)模式及driving模式下對控制器的控制性能進(jìn)行了仿真實驗。ftp75工況被稱為目前最合理的循環(huán)工況測試規(guī)則，其中美國加州政府起到了至關(guān)重要的作用。本著測試最真實數(shù)據(jù)的原則，美國ftp75工況設(shè)計了很多接近現(xiàn)實的試驗內(nèi)容。ftp75共由一個市區(qū)循環(huán)工況和兩個補充循環(huán)工況組成。兩個補充循環(huán)工況分別為sc03高溫空調(diào)全負(fù)荷運轉(zhuǎn)循環(huán)和us06高速、高加速度循環(huán)。最終試驗結(jié)果由這三個試驗結(jié)果通過不同的比例計算而成，因此這樣的數(shù)據(jù)更接近實際使用。

1、測功機(jī)模式

gt中的測功機(jī)模式是通過柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速及柴油機(jī)的輸入計算相應(yīng)的扭矩輸出。本發(fā)明使用ftp75工況下的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速作為給定輸入，以驗證基于數(shù)據(jù)驅(qū)動mpc控制器的在復(fù)雜工況的性能，實驗結(jié)果如圖22、23、24所示，其最優(yōu)的控制量如圖18、19、20、21所示。由圖24可知，柴油機(jī)實際輸出的曲軸扭矩能夠很好地跟蹤上期望值；同時，通過計算可知，nox的平均排放量為1.9152g/kwh，該值能夠滿足國五排放標(biāo)準(zhǔn)對于nox排放的要求；燃油消耗率的平均值為262.4231g/kwh。這時本發(fā)明認(rèn)為，在測功機(jī)模式下基于數(shù)據(jù)驅(qū)動mpc的柴油機(jī)優(yōu)化燃燒控制策略能夠同時提高柴油機(jī)的動力性能、經(jīng)濟(jì)性能及排放性能。

2、driving模式

gt中的driving模式是通過柴油機(jī)輸入的負(fù)載扭矩及柴油機(jī)的輸入計算柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速。在gt中柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速可以由下面的式（15）得到。

（15）

其中，為柴油機(jī)的角加速度，該值可以由期望的柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速得到；j為柴油機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量；為柴油機(jī)輸出的曲軸扭矩；為柴油機(jī)輸入的負(fù)載扭矩。在實驗過程中，柴油機(jī)的負(fù)載扭矩為認(rèn)為給定的一個常值；期望的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為ftp75工況下的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速；實驗結(jié)果如圖29、30、31所示，其最優(yōu)的控制輸入如圖25、26、27、28所示。

由圖31可知柴油機(jī)在driving模式下分別能夠很好地跟蹤上期望的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速；

同時由圖30可以得到nox排放的均值為1.9225g/kwh，該值能夠滿足國五排放標(biāo)準(zhǔn)對于nox排放的要求；由圖29可以得到燃油消耗率的平均值為262.1950g/kwh。這時本發(fā)明認(rèn)為，在driving模式下基于數(shù)據(jù)驅(qū)動mpc的柴油機(jī)優(yōu)化燃燒控制策略能夠同時提高柴油機(jī)的動力性能、經(jīng)濟(jì)性能及排放性能。

本發(fā)明使用基于數(shù)據(jù)驅(qū)動mpc的控制器對四缸2l排放的柴油機(jī)的燃燒過程進(jìn)行控制。首先使用了系統(tǒng)的輸入輸出數(shù)據(jù)離線辨識得到了面向控制的模型，并通過實驗對該模型的精度進(jìn)行了驗證，這一方面減少了傳統(tǒng)機(jī)理建模的時間，另一方面提高了模型的精度；然后使用上述預(yù)測模型設(shè)計了mpc控制器，該控制器能夠根據(jù)系統(tǒng)未來系統(tǒng)的動態(tài)超前產(chǎn)生控制率，從而能夠很好地克服慣性對柴油機(jī)輸出的影響；另一方面，該控制器能夠處理多輸入、多輸出、帶耦合的多目標(biāo)優(yōu)化問題，所以它能將柴油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性、動力性及排放性能統(tǒng)一到一個目標(biāo)函數(shù)中，從而對柴油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性、動力性及排放性能進(jìn)行優(yōu)化。