基于粒子群优化的空燃比最优极点配置控制

摘要

汽油发动机（简称汽油机）燃油的不完全燃烧会导致环境污染和能源浪费，从而使其经济性能和排放性能下降。通过使用三元催化转化器可以减少有害气体排放量，但其有效转化要求空气质量和燃油质量混合比率（即空燃比）保持在理想值附近。传统的空燃比控制以MAP(Manifold Air Pressure)图结合比例积分(PI)控制为主，计算方便，但需要进行大量的标定试验，在瞬态工况下空燃比控制精确不高。因此，研究结构简单、控制精度高的空燃比控制方法具有重要的现实意义。
　　本文在总结现有汽油机空燃比控制技术的基础上，运用发动机平均值模型、粒子群优化和极点配置控制技术，提出了一类新的汽油机空燃比控制方法，实现汽油机空燃比的精确控制。本文主要研究工作及创新点如下:
　　(1)提出了线性时不变系统最优极点配置概念，设计了汽油机空燃比最优极点配置状态反馈和输出反馈控制器。基于燃油发动机平均值模型，采用了粒子群优化算法求解空燃比系统最优极点配置问题，实现空燃比最优极点配置状态反馈控制器设计;再考虑空燃比系统状态不能直接测量问题，引入状态观测器重构系统的状态，实现基于观测器的空燃比最优极点配置输出反馈控制器设计;仿真结果验证了设计控制器的有效性。
　　(2)改进了一种遗传粒子群优化算法，设计了汽油机空燃比最优极点配置跟踪控制器。针对传统粒子群优化算法易陷入局部最优问题，结合遗传算法的交叉和变异操作，引入平均最优位置概念，提出了一种改进的遗传粒子群优化算法。在此基础上，同时优化空燃比系统极点和观测器极点，实现汽油机空燃比的无静差跟踪控制，仿真结果验证了设计控制器的有效性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 空燃比控制研究现状

1．2．1 发动机空燃比系统建模方法

1．2．2 发动机空燃比系统控制策略

1．3 粒子群优化算法发展现状

1．4 本文研究内容安排

第2章 汽油发动机空燃比模型

2．1 引言

2．2 发动机平均值模型

2．2．1 进气歧管空气流量模型

2．2．2 油膜子系统模型

2．3 发动机空燃比模型建立

2．4 本章小结

第3章 基于PSO空燃比最优极点配置控制

3．1 引言

3．2 粒子群优化算法

3．2．1 PSO算法数学描述

3．2．2 PSO算法步骤流程

3．3 空燃比输出反馈控制器设计

3．4 PSO优化极点配置

3．5 数值仿真与分析

3．5．1 最优极点计算

3．5．2 仿真结果与分析

3．6 本章小结

第4章 基于MGPSO的最优极点配置空燃比跟踪控制

4．1 引言

4．2 MGPSO算法设计

4．2．2 算法的改进思路

4．2．3 改进算法性能测试

4．3 空燃比无静差跟踪控制器设计

4．4 基于MGPSO的优化极点配置算法

4．5 仿真验证及分析

4．5．1 控制器优越性分析

4．5．2 跟踪控制器性能分析

4．6 本章小结

第5章 结论与展望

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果