CN118979827B - 一种基于节流阀的发动机控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于节流阀的发动机控制方法及系统，涉及发动机控制技术领域，方法包括：结合节流阀上下游气体压力，建立具有节流阀开度和发动机理论输出功率的发动机动力学模型；在发动机怠速工况下对发动机动力学模型进行线性化，输出发动机的线性化传递函数模型；构建发动机的扰动观测器；计算发动机当前输出功率与发动机目标输出功率的功率偏差值；基于功率偏差值，结合扰动观测器的扰动观测值作为主动补偿项构建发动机的分数阶PID控制器；利用扰动观测器获取发动机的当前扰动估计值；将当前扰动估计值输入至分数阶PID控制器，输出节流阀实际开度；根据节流阀实际开度控制发动机。提升发动机控制精度，减少超调现象。

Description

一种基于节流阀的发动机控制方法及系统

技术领域

本发明涉及发动机控制技术领域，特别是指一种基于节流阀的发动机控制方法及系统。

背景技术

在发动机中，节流阀位于进气歧管处，控制空气进入发动机气缸的流量，它通过调节空气流量来控制发动机的进气，从而影响发动机的燃烧和输出功率。节流阀的工作主要是通过改变阀门开度，进而影响空气流量，最终调节发动机的运行状态。

节流阀是控制发动机进气量的重要部件，通过调节其开度可以直接影响发动机的动力输出、燃烧效率和尾气排放，精确调节空气流量，从而在不同工况下优化发动机的性能，提高燃油效率，减少排放，并增强发动机的响应速度，在现代内燃机设备中，这种控制方法是发动机管理系统中不可或缺的一部分。

虽然目前存在许多基于节流阀对发动机进行控制的方案，但是未考虑节流阀的上下游气体压力导致的气流流速的变化，导致发动机建模不准确，进而无法通过节流阀准确控制发动机运行，另外，在发动机建模后的实际控制过程中往往直接利用复杂度高且对扰动极为敏感的非线性控制方法进行控制，极易出现超调现象，控制稳定性不足，难以满足发动机场景的高控制精度要求。

发明内容

为了解决现有技术存在的未考虑节流阀的上下游气体压力导致的气流流速的变化，导致发动机建模不准确，进而无法通过节流阀准确控制发动机运行，另外，在发动机建模后的实际控制过程中往往直接利用复杂度高且对扰动极为敏感的非线性控制方法进行控制，极易出现超调现象，控制稳定性不足，难以满足发动机场景的高控制精度要求的技术问题，本发明提供了一种基于节流阀的发动机控制方法及系统。

本发明实施例提供的技术方案如下：

第一方面

本发明实施例提供的一种基于节流阀的发动机控制方法，包括：

S1：结合节流阀上下游气体压力，建立具有节流阀开度和发动机理论输出功率的发动机动力学模型；

S2：在发动机怠速工况下对发动机动力学模型进行线性化，输出发动机的线性化传递函数模型；

S3：结合线性化传递函数模型构建发动机的扰动观测器；

S4：获取发动机目标输出功率，计算发动机当前输出功率与发动机目标输出功率的功率偏差值；

S5：基于功率偏差值，结合扰动观测器的扰动观测值作为主动补偿项构建发动机的分数阶PID控制器；

S6：利用扰动观测器获取发动机的当前扰动估计值；

S7：将当前扰动估计值输入至分数阶PID控制器，输出节流阀实际开度；

S8：根据节流阀实际开度控制发动机。

第二方面

本发明实施例提供的一种基于节流阀的发动机控制系统，包括：

处理器；

存储器，所述存储器上存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令被所述处理器执行时，实现如第一方面所述的基于节流阀的发动机控制方法。

第三方面

本发明实施例提供的一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如第一方面所述的基于节流阀的发动机控制方法。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

在本发明中，结合了节流阀上下游气体压力，准确划分不同气体压力下的发动机压力状态，建立具有节流阀开度和发动机理论输出功率的发动机动力学模型，为发动机的准确控制提供了数据基础。之后在发动机怠速工况下对所述发动机动力学模型进行线性化，输出发动机的线性化传递函数模型，降低扰动敏感性，减少超调现象，能准确描述系统的关键动态行为，避免了直接非线性控制的复杂度。并基于此建立了扰动观测器，实时监测和补偿外界扰动，然后将扰动项加入功率偏差值中利用分数阶PID控制器对节流阀实际开度进行调控以趋近于发动机目标输出功率，通过引入分数阶积分和微分项，可以更灵活地调节系统的频率响应和时间响应，提供更加细腻的误差积累和变化率控制，在保持系统稳定性的同时减少振荡和超调，尤其在处理复杂系统或有外界扰动时，分数阶控制器对不同频率的误差响应更加平滑，从而显著提升系统的动态性能和稳态精度，实现更精准的控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于节流阀的发动机控制方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种基于节流阀的发动机控制系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明中的技术方案进行描述。

在本发明实施例中，“示例地”、“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本发明中被描述为“示例”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用示例的一词旨在以具体方式呈现概念。此外，在本发明实施例中，“和/或”所表达的含义可以是两者都有，或者可以是两者任选其一。

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

参考说明书附图1，示出了本发明实施例提供的一种基于节流阀的发动机控制方法的流程示意图。

本发明实施例提供了一种基于节流阀的发动机控制方法，该方法可由基于节流阀的发动机控制设备实现，该基于节流阀的发动机控制设备可以是终端或服务器。基于节流阀的发动机控制方法的处理流程可以包括如下的步骤：

S1：结合节流阀上下游气体压力，建立具有节流阀开度和发动机理论输出功率的发动机动力学模型。

其中，节流阀上游气体压力：指节流阀之前的气体压力，通常是进入节流阀的空气的压力。节流阀下游气体压力：指通过节流阀后的气体压力，即进入发动机气缸之前的空气压力。这两个压力影响通过节流阀的气体流速和流量，进而影响发动机的进气量和燃烧过程。节流阀开度表示节流阀的阀板开合角度。开度越大，更多的空气进入发动机。开度越小，空气流量减少。开度直接影响发动机的空气供给量。发动机理论输出功率是指在给定条件下（如进气量、燃料量等），发动机能够产生的理想功率输出。发动机动力学模型是描述发动机进气、燃烧、输出功率等动态变化的数学模型，该模型反映了节流阀调节如何影响发动机的整体行为。

通过结合节流阀上下游气体压力、节流阀开度和发动机理论输出功率建立动力学模型，能够准确捕捉空气流量与发动机输出功率之间的非线性关系，提供精确的发动机运行状态描述，为后续控制提供可靠的数据基础，使得发动机控制更精确、稳定和高效。

在一种可能的实施方式中，发动机动力学模型具体为：

其中，表示通过节流阀的气体质量流量，表示关于节流阀开度的有效几何开度，表示节流阀流动系数，表示节流阀上游压力，表节流阀上游温度，R 表示气体常数，表示节流阀下游压力，表示关于和的压力比函数，表示发动机理论输出功率，AFR表示发动机空燃比，表示发动机燃烧效率，LHV表示发动机燃料低热值，表示空气比热容，π 表示圆周率，r 表示节流阀所在管道半径，表示节流阀最大半径，cos 表示余弦函数。其中，气体质量流量是指单位时间内流动的气体的质量，节流阀流动系数衡量气流通过节气门的效率。具体的空气比热容取值具体为1.4。发动机燃料低热值为每千克燃料完全燃烧时所释放的热量。

需要说明的是，建立的发动机动力学模型通过判断条件区分不同压力状态下的发动机压力状态，进而分为临界流动状态和非临界流动状态，完成发动机的准确建模，为发动机的高精度控制提供了理论基础。建立的发动机动力学模型详细考虑了节流阀开度、气体质量流量、压力比等多种物理量之间的关系，通过准确的几何开度和流动特性函数，能够精确描述发动机的工作状态和动力输出，使得控制策略更具鲁棒性和效率，尤其在复杂工况下提供更精确的功率预测和调节。

S2：在发动机怠速工况下对发动机动力学模型进行线性化，输出发动机的线性化传递函数模型。

其中，发动机怠速工况即发动机的无负载运行状态。线性化是将一个非线性系统在某个特定的工作点附近，用线性近似模型来描述的过程。通过线性化，可以在局部工作点（如怠速工况下）将复杂的非线性方程简化为线性方程，方便使用传统的控制方法进行处理。线性化传递函数模型则是将节流阀开度（输入）与发动机输出功率（输出）之间的关系，通过线性化的方式进行表示，忽略了非线性因素，从而简化系统动态特性描述，适用于在怠速或特定小范围内的系统分析。

通过将非线性动力学模型转换为线性化传递函数模型，使得复杂系统能够使用标准线性控制技术，简化了控制设计和实现，提高了控制的效率和精度，而且可有效减少非线性控制过程中对外部扰动过于敏感出现的超调现象。

在一种可能的实施方式中，S2具体包括：

S201：采集发动机怠速工况下的发动机平衡参数，其中，发动机平衡参数包括节流阀平衡开度、节流阀上游平衡压力、节流阀下游平衡压力、节流阀平衡气体质量流量和发动机平衡输出功率。

S202：基于发动机动力学模型获取在发动机平衡输出功率下的发动机理论参数，确定发动机怠速工况下的扰动变量：

其中，、、、、和分别表示节流阀平衡开度、节流阀上游平衡压力、节流阀下游平衡压力、节流阀上游平衡温度、节流阀平衡气体质量流量和发动机平衡输出功率，、、 、和分别表示发动机怠速工况下的节流阀开度扰动变量、节流阀上游压力扰动变量、节流阀下游压力扰动变量、节流阀上游温度扰动变量、节流阀气体质量流量扰动变量和发动机输出功率扰动变量。

S203：在发动机平衡参数处对发动机平衡参数进行泰勒展开，得到气体质量流量线性近似方程和发动机输出功率线性近似方程：

其中，表示求偏导数，、和 均表示中间变量。

S204：引入时间常数以描述发动机对节流阀开度的响应速度，建立以节流阀开度变化量作为输入数据，发动机输出功率变化量作为输出数据的系统响应方程：其中，表示时间常数，和分别表示 t 时刻发动机输出功率变化量和节流阀开度变化量。

S205：对系统响应方程进行拉普拉斯变换，得到频率域系统响应方程：其中，s 表示拉普拉斯变换变量，和分别表示在 s 下的频率域发动机输出功率变化量和节流阀开度变化量。

S206：对频率域系统响应方程进行代数变换，得到线性化传递函数模型：其中，表示线性化传递函数模型的传递函数。

具体地，通过采集发动机怠速工况下的平衡参数，将复杂的非线性系统线性化的过程，首先通过泰勒展开对节流阀开度、气体质量流量和发动机输出功率进行近似，确保在平衡点附近小扰动下简化模型，提升计算效率。引入时间常数来反映系统的动态特性，捕捉节流阀响应的延迟特性，并利用拉普拉斯变换将微分方程转化为频域代数方程，便于分析和设计控制器。这样得到的线性化传递函数模型不仅简化了复杂的非线性关系，便于分析，还能快速响应扰动，提升了控制的精准性和系统的稳定性。通过频域分析，设计更为精确的控制策略，减少超调和系统不稳定现象。

S3：结合线性化传递函数模型构建发动机的扰动观测器。

其中，扰动观测器用于估计系统中未知扰动或干扰，它通过测量系统的输入和输出，结合已知的系统模型（线性化传递函数模型），推测出系统所受的外界扰动或不确定性因素，扰动观测器的作用是实时估计并补偿这些扰动，从而保证系统的控制精度和稳定性。在发动机控制中，扰动可能来源于气体压力变化、负载波动或外界环境变化等因素。通过扰动观测器，系统能够在不直接测量扰动的情况下推算出扰动值，并进行相应的控制调整。

通过结合线性化传递函数模型构建扰动观测器，能够实时监测和补偿外界扰动，增强系统的抗扰动能力，提高控制精度，同时减少外部环境变化对发动机性能的影响，确保系统稳定性和响应速度。

在一种可能的实施方式中，扰动观测器具体为：其中，表示 t 时刻估计扰动值，表示 t 时刻发动机实际输出功率，表示 t 时刻节流阀开度，表示线性化传递函数模型的逆。

需要说明的是，建立的扰动观测器通过对实际输出功率与理论模型的差异进行反馈，利用传递函数模型的逆来实时估计扰动值，能够动态捕捉系统中的未知扰动，使得系统能够在运行过程中对外界干扰进行补偿，从而提高系统的鲁棒性、稳定性和精度，有效降低扰动对控制性能的影响。

S4：获取发动机目标输出功率，计算发动机当前输出功率与发动机目标输出功率的功率偏差值。

其中，目标输出功率是系统希望达到的输出值，它是发动机在特定工况下应实现的理想功率输出。当前输出功率是发动机在实际运行过程中实时产生的功率输出值。率偏差值是目标输出功率与当前输出功率之间的差值，用来衡量系统的误差，通过计算目标输出功率与当前输出功率的偏差，提供关键的误差信号，用于驱动控制器进行实时调节，确保发动机的实际功率输出逐步逼近目标值，从而提高系统的控制精度和响应能力，保证发动机稳定高效运行。

在一种可能的实施方式中，功率偏差值具体为：其中，表示t 时刻的功率偏差值，和分别表示发动机目标输出功率和发动机当前输出功率。

通过将目标功率和当前输出功率进行比较，得到功率偏差，这种方法可以实时检测系统性能偏差，有助于动态调整节流阀开度，确保发动机输出功率始终接近目标功率，提升控制精度和系统响应能力。

S5：基于功率偏差值，结合扰动观测器的扰动观测值作为主动补偿项构建发动机的分数阶PID控制器。

其中，主动补偿项是由扰动观测器估计得到的外界扰动值。它反映了系统受到的外界干扰（如气体压力变化、负载波动等）对发动机输出功率的影响。通过将扰动观测值作为主动补偿项加入控制器，可以在调节过程中对外界扰动进行实时补偿，减少其对发动机性能的影响。分数阶PID控制器是传统PID控制器的扩展，它引入了分数阶的积分和微分项，增强了控制器对不同频率成分的响应能力。

通过将功率偏差值与扰动观测值结合，构建分数阶PID控制器，通过引入分数阶积分和微分项，可以更灵活地调节系统的频率响应和时间响应，提供更加细腻的误差积累和变化率控制，在保持系统稳定性的同时减少振荡和超调，尤其在处理复杂系统或有外界扰动时，分数阶控制器对不同频率的误差响应更加平滑，从而显著提升系统的动态性能和稳态精度，实现更精准的控制，能够在补偿外界扰动的同时精确调节系统动态，提供更灵活的误差修正机制，有效提升控制精度、抗扰动能力及系统稳定性，确保发动机输出功率精确趋近目标值。

在一种可能的实施方式中，分数阶PID控制器具体为：其中，表示功率偏差修正值，表示考虑主动补偿项的 t 时刻节流阀开度，其中，主动补偿项为扰动观测器得到的 t 时刻扰动观测值，、、分别表示比例增益、积分增益和微分增益，表示基于积分阶数的分数阶积分项，，表示基于微分阶数的分数阶微分项，。

需要说明的是，这样建立的分数阶PID控制器通过结合比例、积分、微分项和扰动观测器的补偿功能，能够更精确地调整节流阀开度，分数阶积分和微分的引入增加了控制器的灵活性，使其能够在更广泛的工况下实现精确的动态控制，提升系统响应的灵活性和鲁棒性，有效减少超调和振荡现象，提高整体控制性能。

在一种可能的实施方式中，在S5之后还包括：

S5A：以最小化稳态误差为目标即在怠速工况下将主动补偿项置零，通过具有线性递减惯性权重的粒子群优化算法对分数阶PID控制器参数进行寻优，其中，分数阶PID控制器参数包括比例增益、积分增益、微分增益、积分阶数和微分阶数。

其中，惯性权重控制了粒子移动的速度，线性递减惯性权重意味着惯性权重从较大的初始值逐步减小。这种做法的目的是在算法初期保持较大的搜索范围，以便探索更多可能的解，而在后期通过减小权重集中搜索局部最优解，提高收敛精度。粒子群优化算法是一种基于群体智能的优化算法。它通过模拟鸟群觅食行为，让多个粒子在解空间中移动，每个粒子根据自己的经验和群体中最优的经验更新位置，从而逐步找到问题的最优解。

通过使用粒子群优化算法，结合线性递减惯性权重，可以有效地搜索和优化分数阶PID控制器的参数，使得控制器能够在不同工况下保持稳定且高效的性能。这样可以自动调节控制参数，减少人为干预，显著提高控制器的精度和响应速度，同时降低稳态误差，提升系统的整体控制效果。

在一种可能的实施方式中，S5A具体包括：

S5A1：确定对分数阶PID控制器参数进行寻优的目标函数：其中，J 表示目标函数。

S5A2：将分数阶 PID 控制器参数作为粒子进行初始化，并确定各个粒子位置和粒子速度，其中，粒子位置为基于分数阶 PID 控制器参数的参数向量：其中，表示第 i 个粒子的粒子位置，表示第 i 个粒子在t=0 时刻的粒子速度，分别表示第 i 个粒子的在初始时刻的粒子速度。

S5A3：确定粒子位置更新规则和粒子速度更新规则：粒子位置更新规则：

粒子速度更新规则：其中，和分别表示 t 时刻粒子位置和 t+1 时刻粒子位置，和分别表示 t 时刻粒子速度和 t+1 时刻粒子速度，表示控制粒子移动惯性的 t 时刻线性递减惯性权重，和均表示值为 2 的学习因子，和分别表示取值范围为 0 至 1 的第一随机数和第二随机数，表示粒子 i 的历史最佳位置，表示全局最佳位置即所有粒子发现的历史最佳位置，和分别表示最大惯性权重和最小惯性权重，表示粒子在搜索空间分布中的第 i 个粒子的概率密度，log 表示对数函数，N表示粒子总数量，表示 t 时刻粒子群熵值即所有粒子在 t 时刻的熵值，表示用于归一化 t 时刻粒子群熵值的理想最大熵值。

其中，最大惯性权重和最小惯性权重可以根据实际需要设置，最大惯性权重的取值范围为0.8至1.2，具体可设置为0.9，最小惯性权重的取值范围为0.2至0.4，具体可设置为0.4。

在线性递减惯性权重中引入粒子群熵值，可以根据粒子群的分布动态调整搜索策略。熵值较大时，表示粒子分布较分散，惯性权重要保持较大以促进全局搜索。熵值较小时，表示粒子逐渐集中，惯性权重减小以提高局部搜索精度。这种动态调节可以更好地平衡全局探索和局部开发，增强优化效果并提高收敛速度和精度。

需要说明的是，通过将惯性权重与熵值结合，算法可以动态调整搜索策略。在初期，较大的惯性权重促使粒子群进行全局搜索，避免陷入局部最优。而随着熵值的降低，惯性权重逐渐减小，促使粒子群在接近最优解时进行更精确的局部搜索，从而提高收敛速度和精度，这种动态调节机制确保了优化过程的全局探索能力和局部收敛能力之间的良好平衡。

S5A4：以粒子位置更新规则和粒子速度更新规则对粒子进行更新，并计算粒子更新后的目标函数值。

S5A5：判断粒子更新后的目标函数值与粒子更新前的目标函数值的差值是否小于预设差值，若是，将更新后的全局最佳位置作为目标粒子位置输出，进入步骤S5A7，否则，进入步骤S5A6。

需要说明的是，本领域技术人员可以根据实际需要设置预设差值的大小，本发明在此不做限定。

S5A6：判断当前迭代次数是否小于预设迭代次数，若是，当前迭代次数加1，返回步骤S5A4，否则，将预设迭代次数内的全局最佳位置作为目标粒子位置输出。

需要说明的是，本领域技术人员可以根据实际需要设置预设迭代次数的大小，本发明在此不做限定。

S5A7：输出目标粒子位置，得到寻优后的PID控制器参数。

需要说明的是，粒子群优化算法通过线性递减惯性权重平衡全局搜索与局部搜索的能力，使得粒子在初期探索更大的解空间，避免陷入局部最优，后期逐渐收敛，提高解的精度，同时引入粒子群熵值，结合学习因子和随机数，动态调整粒子速度和位置更新，使得参数寻优过程更加稳定高效。通过迭代计算目标函数，能够自动优化分数阶PID控制器的各参数，提高控制系统的响应速度、精度和鲁棒性，适用于复杂工况下的自适应控制。

S6：利用扰动观测器获取发动机的当前扰动估计值。

S7：将当前扰动估计值输入至分数阶PID控制器，输出节流阀实际开度。

其中，节流阀实际开度是分数阶PID控制器根据输入的功率偏差值和扰动估计值计算出的节流阀当前应打开的角度。这一开度决定了进入发动机的空气流量，进而影响燃烧效率和发动机输出功率，节流阀实际开度是控制发动机动态响应和输出功率的关键变量。通过输入扰动估计值到分数阶PID控制器，计算出节流阀实际开度，从而根据实时工况动态调整进气量，确保发动机输出功率精确响应目标功率变化，提高系统的控制精度和实时性，保持发动机的高效稳定运行。

S8：根据节流阀实际开度控制发动机。

在实际应用过程中，通过结合节流阀上下游气体压力建立动力学模型，在怠速工况下对其线性化，生成线性化传递函数模型。基于该模型构建扰动观测器，获取目标与实际功率的偏差值，将其与扰动估计值一起输入分数阶PID控制器，控制器根据这些输入计算并输出节流阀实际开度，最终通过调节节流阀开度来控制发动机的输出功率，使其趋近目标值。该方法通过动力学建模和线性化简化复杂系统，同时引入扰动观测器进行实时扰动补偿，结合分数阶PID控制器的灵活调节，提升了系统的抗扰动能力、控制精度和动态响应速度，保证了发动机在复杂工况下的稳定性和高效性。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

在本发明中，结合了节流阀上下游气体压力，准确划分不同气体压力下的发动机压力状态，建立具有节流阀开度和发动机理论输出功率的发动机动力学模型，为发动机的准确控制提供了数据基础。之后在发动机怠速工况下对所述发动机动力学模型进行线性化，输出发动机的线性化传递函数模型，降低扰动敏感性，减少超调现象，能准确描述系统的关键动态行为，避免了直接非线性控制的复杂度。并基于此建立了扰动观测器，实时监测和补偿外界扰动，然后将扰动项加入功率偏差值中利用分数阶PID控制器对节流阀实际开度进行调控以趋近于发动机目标输出功率，通过引入分数阶积分和微分项，可以更灵活地调节系统的频率响应和时间响应，提供更加细腻的误差积累和变化率控制，在保持系统稳定性的同时减少振荡和超调，尤其在处理复杂系统或有外界扰动时，分数阶控制器对不同频率的误差响应更加平滑，从而显著提升系统的动态性能和稳态精度，实现更精准的控制。

参考说明书附图2，示出了本发明提供的一种基于节流阀的发动机控制系统的结构示意图。

本发明还提供一种基于节流阀的发动机控制系统20，应用于上述的基于节流阀的发动机控制方法，包括：

处理器201。

存储器202，存储器202上存储有计算机可读指令，计算机可读指令被处理器201执行时，实现如方法实施例的基于节流阀的发动机控制方法。

本发明提供的基于节流阀的发动机控制系统20能够执行上述的基于节流阀的发动机控制方法，并实现相同或相似的技术效果，为避免重复，本发明不再赘述。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

在本发明中，结合了节流阀上下游气体压力，准确划分不同气体压力下的发动机压力状态，建立具有节流阀开度和发动机理论输出功率的发动机动力学模型，为发动机的准确控制提供了数据基础。之后在发动机怠速工况下对所述发动机动力学模型进行线性化，输出发动机的线性化传递函数模型，降低扰动敏感性，减少超调现象，能准确描述系统的关键动态行为，避免了直接非线性控制的复杂度。并基于此建立了扰动观测器，实时监测和补偿外界扰动，然后将扰动项加入功率偏差值中利用分数阶PID控制器对节流阀实际开度进行调控以趋近于发动机目标输出功率，通过引入分数阶积分和微分项，可以更灵活地调节系统的频率响应和时间响应，提供更加细腻的误差积累和变化率控制，在保持系统稳定性的同时减少振荡和超调，尤其在处理复杂系统或有外界扰动时，分数阶控制器对不同频率的误差响应更加平滑，从而显著提升系统的动态性能和稳态精度，实现更精准的控制。

应理解，在本发明实施例中的处理器可以是中央处理单元（central processingunit，CPU），该处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器（digital signalprocessor，DSP）、专用集成电路（application specific integrated circuit，ASIC）、现成可编程门阵列（field programmable gate array，FPGA）或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

还应理解，本发明实施例中的存储器可以是易失性存储器或非易失性存储器，或可包括易失性和非易失性存储器两者。其中，非易失性存储器可以是只读存储器（read-only memory，ROM）、可编程只读存储器（programmable ROM，PROM）、可擦除可编程只读存储器（erasable PROM，EPROM）、电可擦除可编程只读存储器（electrically EPROM，EEPROM）或闪存。易失性存储器可以是随机存取存储器（random access memory，RAM），其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的随机存取存储器（random accessmemory，RAM）可用，例如静态随机存取存储器（static RAM，SRAM）、动态随机存取存储器（DRAM）、同步动态随机存取存储器（synchronous DRAM，SDRAM）、双倍数据速率同步动态随机存取存储器（double data rate SDRAM，DDR SDRAM）、增强型同步动态随机存取存储器（enhanced SDRAM，ESDRAM）、同步连接动态随机存取存储器（synchlink DRAM，SLDRAM）和直接内存总线随机存取存储器（direct rambus RAM，DR RAM）。

上述实施例，可以全部或部分地通过软件、硬件（如电路）、固件或其他任意组合来实现。当使用软件实现时，上述实施例可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令或计算机程序。在计算机上加载或执行所述计算机指令或计算机程序时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以为通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线（例如红外、无线、微波等）方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集合的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质（例如，软盘、硬盘、磁带）、光介质（例如，DVD）、或者半导体介质。半导体介质可以是固态硬盘。

应理解，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况，其中A,B可以是单数或者复数。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系，但也可能表示的是一种“和/或”的关系，具体可参考前后文进行理解。

本发明中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项（个）或复数项（个）的任意组合。例如，a,b,或c中的至少一项（个），可以表示：a, b, c, a-b, a-c, b-c, 或a-b-c，其中a,b,c可以是单个，也可以是多个。

应理解，在本发明的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的设备、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的设备、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个设备，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（read-only memory，ROM）、随机存取存储器（random access memory，RAM）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如方法实施例所述的基于节流阀的发动机控制方法。

本发明提供的一种计算机可读存储介质可以实现上述方法实施例的基于节流阀的发动机控制方法的步骤和效果，为避免重复，本发明不再赘述。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

在本发明中，结合了节流阀上下游气体压力，准确划分不同气体压力下的发动机压力状态，建立具有节流阀开度和发动机理论输出功率的发动机动力学模型，为发动机的准确控制提供了数据基础。之后在发动机怠速工况下对所述发动机动力学模型进行线性化，输出发动机的线性化传递函数模型，降低扰动敏感性，减少超调现象，能准确描述系统的关键动态行为，避免了直接非线性控制的复杂度。并基于此建立了扰动观测器，实时监测和补偿外界扰动，然后将扰动项加入功率偏差值中利用分数阶PID控制器对节流阀实际开度进行调控以趋近于发动机目标输出功率，通过引入分数阶积分和微分项，可以更灵活地调节系统的频率响应和时间响应，提供更加细腻的误差积累和变化率控制，在保持系统稳定性的同时减少振荡和超调，尤其在处理复杂系统或有外界扰动时，分数阶控制器对不同频率的误差响应更加平滑，从而显著提升系统的动态性能和稳态精度，实现更精准的控制。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

有以下几点需要说明：

（1）本发明实施例附图只涉及到与本发明实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计。

（2）为了清晰起见，在用于描述本发明的实施例的附图中，层或区域的厚度被放大或缩小，即这些附图并非按照实际的比例绘制。可以理解，当诸如层、膜、区域或基板之类的元件被称作位于另一元件“上”或“下”时，该元件可以“直接”位于另一元件“上”或“下”或者可以存在中间元件。

（3）在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于节流阀的发动机控制方法，其特征在于，包括：

S1：结合节流阀上下游气体压力，建立具有节流阀开度和发动机理论输出功率的发动机动力学模型；

S2：在发动机怠速工况下对所述发动机动力学模型进行线性化，输出发动机的线性化传递函数模型；

S3：结合所述线性化传递函数模型构建所述发动机的扰动观测器；

S4：获取发动机目标输出功率，计算发动机当前输出功率与所述发动机目标输出功率的功率偏差值；

S5：基于所述功率偏差值，结合所述扰动观测器的扰动观测值作为主动补偿项构建所述发动机的分数阶PID控制器；

S6：利用所述扰动观测器获取所述发动机的当前扰动估计值；

S7：将所述当前扰动估计值输入至所述分数阶PID控制器，输出节流阀实际开度；

S8：根据所述节流阀实际开度控制所述发动机。

2.根据权利要求1所述的基于节流阀的发动机控制方法，其特征在于，所述发动机动力学模型具体为：

其中，表示通过节流阀的气体质量流量，表示关于节流阀开度的有效几何开度，表示节流阀流动系数，表示节流阀上游压力，表示节流阀上游温度，R 表示气体常数，表示节流阀下游压力，表示关于和压力比函数，表示发动机理论输出功率，AFR 表示发动机空燃比，表示发动机燃烧效率，LHV 表示发动机燃料低热值表示空气比热容，π 表示圆周率，r 表示节流阀所在管道半径，表示节流阀最大半径，cos 表示余弦函数。

3.根据权利要求 2 所述的基于节流阀的发动机控制方法，其特征在于，所述 S2 具体包括：

S201：采集发动机怠速工况下的发动机平衡参数，其中，所述发动机平衡参数包括节流阀平衡开度、节流阀上游平衡压力、节流阀下游平衡压力、节流阀平衡气体质量流量和发动机平衡输出功率；

S202：基于所述发动机动力学模型获取在所述发动机平衡输出功率下的发动机理论参数，确定发动机怠速工况下的扰动变量：

其中，分别表示节流阀平衡开度、节流阀上游平衡压力、节流阀下游平衡压力、节流阀上游平衡温度、节流阀平衡气体质量流量和发动机平衡输出功率，分别表示发动机怠速工况下的节流阀开度扰动变量、节流阀上游压力扰动变量、节流阀下游压力扰动变量、节流阀上游温度扰动变量、节流阀气体质量流量扰动变量和发动机输出功率扰动变量；

S203：在所述发动机平衡参数处对所述发动机平衡参数进行泰勒展开，得到气体质量流量线性近似方程和发动机输出功率线性近似方程：

其中，表示求偏导数，均表示中间变量；

S204：引入时间常数以描述所述发动机对所述节流阀开度的响应速度，建立以所述节流阀开度变化量作为输入数据，所述发动机输出功率变化量作为输出数据的系统响应方程：

其中， 表示时间常数，和分别表示t 时刻发动机输出功率变化量和节流阀开度变化量；

S205：对所述系统响应方程进行拉普拉斯变换，得到频率域系统响应方程：

其中，s表示拉普拉斯变换变量，和分别表示在 s 下的频率域发动机输出功率变化量和节流阀开度变化量；

S206：对所述频率域系统响应方程进行代数变换，得到所述线性化传递函数模型：

其中，表示线性化传递函数模型的传递函数。

4.根据权利要求 1 所述的基于节流阀的发动机控制方法，其特征在于，所述扰动观测器具体为：其中，表示 t 时刻估计扰动值，表示 t 时刻发动机实际输出功率，表示 t 时刻节流阀开度，表示线性化传递函数模型的逆。

5.根据权利要求 1 所述基于节流阀的发动机控制方法，其特征在于，所述功率偏差值具体为：其中，表示 t 时刻的功率偏差值，和分别表示发动机目标输出功率和发动机当前输出功率。

6.根据权利要求 5 所述的基于节流阀的发动机控制方法，其特征在于，所述分数阶PID 控制器具体为：其中，表示功率偏差修正值，表示考虑主动补偿项的 t 时刻节流阀开度，其中，主动补偿项为扰动观测器得到的 t 时刻扰动观测值，、、分别表示比例增益、积分增益和微分增益，表示基于积分阶数 的分数阶积分项， 表示基于微分阶数的分数阶微分项，

7.根据权利要求 1 所述的基于节流阀的发动机控制方法，其特征在于，在所述 S5 之后还包括：

S5A：以最小化稳态误差为目标即在怠速工况下将所述主动补偿项置零，通过具有线性递减惯性权重的粒子群优化算法对分数阶 PID 控制器参数进行寻优，其中，所述分数阶PID 控制器参数包括比例增益、积分增益、微分增益、积分阶数和微分阶数。

8.根据权利要求 7 所述的基于节流阀的发动机控制方法，其特征在于，所述 S5A 具体包括：

S5A1：确定对所述分数阶 PID 控制器参数进行寻优的目标函数：其中，J 表示目标函数；

S5A2：将所述分数阶 PID 控制器参数作为粒子进行初始化，并确定各个粒子位置和粒子速度，其中，所述粒子位置为基于分数阶 PID 控制器参数的参数向量：其中，表示第 i 个粒子的粒子位置，表示第 i 个粒子在t=0 时刻的粒子速度，分别表示第 i 个粒子的在初始时刻的粒子速度；

S5A3：确定粒子位置更新规则和粒子速度更新规则：粒子位置更新规则：粒子速度更新规则：其中，和分别表示 t 时刻粒子位置和 t+1 时刻粒子位置，和分别表示 t 时刻粒子速度和 t+1 时刻粒子速度，表示控制粒子移动惯性的 t 时刻线性递减惯性权重，和均表示值为 2 的学习因子，和分别表示取值范围为 0 至 1的第一随机数和第二随机数，表示粒子 i 的历史最佳位置，表示全局最佳位置即所有粒子发现的历史最佳位置，和分别表示最大惯性权重和最小惯性权重，表示粒子在搜索空间分布中的第 i 个粒子的概率密度，log 表示对数函数，N 表示粒子总数量，表示 t 时刻粒子群熵值即所有粒子在 t 时刻的熵值，表示用于归一化 t 时刻粒子群熵值 的理想最大熵值；

S5A4：以所述粒子位置更新规则和所述粒子速度更新规则对所述粒子进行更新，并计算粒子更新后的目标函数值；

S5A5：判断粒子更新后的目标函数值与粒子更新前的目标函数值的差值是否小于预设差值，若是，将更新后的全局最佳位置作为目标粒子位置输出，进入步骤 S5A7，否则，进入步骤 S5A6；

S5A6：判断当前迭代次数是否小于预设迭代次数，若是，当前迭代次数加 1，返回步骤S5A4，否则，将预设迭代次数内的全局最佳位置作为目标粒子位置输出；

S5A7：输出所述目标粒子位置，得到寻优后的 PID 控制器参数。

9.一种基于节流阀的发动机控制系统，其特征在于，包括：处理器；存储器，所述存储器上存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令被所述处理器执行时，实现如权利要求 1至 8 中任一项所述的基于节流阀的发动机控制方法。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求 1 至 8 中任一项所述的基于节流阀的发动机控制方法。