專利名稱：高壓共軌柴油機(jī)氮氧化物和顆粒排放的優(yōu)化協(xié)同控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種高壓共軌柴油機(jī)氮氧化物和顆粒排放的優(yōu)化協(xié)同控制方法， 特別是一種采用執(zhí)行依賴啟發(fā)式近似動(dòng)態(tài)規(guī)劃的高壓共軌柴油機(jī)氮氧化物(NOx)和顆粒 (PM)排放的優(yōu)化協(xié)同控制方法。屬于柴油機(jī)優(yōu)化控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
分析和試驗(yàn)結(jié)果表明，高壓共軌柴油機(jī)的排放性能主要由四個(gè)參數(shù)決定，即軌壓、 廢氣再循環(huán)(EGR)率、噴油量和噴油定時(shí)；難以控制的排放指標(biāo)為氮氧化物(NOx)和顆粒 (PM)，因?yàn)镹Ox和PM排放的控制常常是一對(duì)矛盾的關(guān)系降低NOx排放的措施往往會(huì)導(dǎo)致 PM排放的提高，降低PM排放的措施往往又會(huì)導(dǎo)致NOx排放的提高。過去，人們通常采用PID方法來控制柴油機(jī)，但PID方法只能用于單輸入單輸出系統(tǒng)，對(duì)于柴油機(jī)這樣一個(gè)非線性多輸入多輸出耦合系統(tǒng)，往往需要采用多個(gè)PID控制器， 其優(yōu)化協(xié)同控制效果不佳。已有技術(shù)中，來自美國密歇根大學(xué)的Kang和福特汽車公司的 Kolmanovsky合作采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法來控制發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放，但動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法存在“維數(shù)災(zāi)”問題，計(jì)算量非常大，難以用于柴油機(jī)這樣的復(fù)雜系統(tǒng)。來自美國奧克蘭大學(xué)的Kheir 和來自通用汽車公司的Salman合作采用模糊邏輯控制器來優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性和尾氣排放，但模糊控制方法仍然比較粗糙，難以在各工況下均同步優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性和尾氣排放。經(jīng)對(duì)現(xiàn)有專利檢索發(fā)現(xiàn)，申請(qǐng)?zhí)枮镃N201010555816. 2，名稱為“通過控制排溫實(shí)現(xiàn)重型柴油機(jī)低排放的方法及實(shí)施裝置”的發(fā)明專利提出用物理和化學(xué)方法來控制排放，即采用較昂貴的選擇性催化還原(SCR)裝置，其制造和使用成本皆較高。申請(qǐng)?zhí)枮?CN201020613927. X，名稱為“基于缸內(nèi)燃料雙噴射的乘用車發(fā)動(dòng)機(jī)排放控制裝置”的實(shí)用新型專利采用燃料雙噴射裝置來控制發(fā)動(dòng)機(jī)排放，其制造和使用成本也較高。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服已有技術(shù)的不足和缺陷，本發(fā)明提出一種多輸入多輸出執(zhí)行依賴啟發(fā)式近似動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法，對(duì)影響高壓共軌柴油機(jī)NOx和PM排放的控制變量軌壓、EGR率、噴油量和噴油定時(shí)進(jìn)行優(yōu)化協(xié)同控制，通過提高控制品質(zhì)，充分挖掘高壓共軌柴油機(jī)缸內(nèi)凈化的潛力，從而在尾氣后處理裝置之前盡可能低成本地實(shí)現(xiàn)NOx和PM這兩個(gè)排放參數(shù)之間的最佳優(yōu)化協(xié)同控制，以減少對(duì)尾氣后處理裝置的負(fù)擔(dān)和要求，同時(shí)達(dá)到國四甚至更高的排放標(biāo)準(zhǔn)。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明設(shè)計(jì)一種多輸入多輸出執(zhí)行依賴啟發(fā)式近似動(dòng)態(tài)規(guī)劃優(yōu)化協(xié)同控制方法來優(yōu)化協(xié)同控制高壓共軌柴油機(jī)NOx和PM的排放，具體步驟包括設(shè)計(jì)效用函數(shù)、設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)網(wǎng)絡(luò)、設(shè)計(jì)執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)、離線學(xué)習(xí)和在線學(xué)習(xí)，找到各工況下NOx和PM排放控制的最佳折衷點(diǎn)。以下是各步驟的具體內(nèi)容(I)設(shè)計(jì)效用函數(shù)效用函數(shù)U(t)即t采樣時(shí)刻，柴油機(jī)NOx和PM排放參數(shù)與根據(jù)試驗(yàn)和分析所確定的最優(yōu)化目標(biāo)值之差平方的一個(gè)加權(quán)和，以下式表示
權(quán)利要求
1.一種高壓共軌柴油機(jī)氮氧化物和顆粒排放的優(yōu)化協(xié)同控制方法，其特征在于該方法是采用執(zhí)行依賴啟發(fā)式近似動(dòng)態(tài)規(guī)劃的優(yōu)化協(xié)同控制方法，包括(1)設(shè)計(jì)效用函數(shù)效用函數(shù)u(t)即t采樣時(shí)刻，柴油機(jī)NOx和PM排放參數(shù)與根據(jù)試驗(yàn)和分析所確定的最優(yōu)化目標(biāo)值之差平方的一個(gè)加權(quán)和，以下式表示U(t) = ^[NOx(t) - NOx\t)~]2 +^[PM(t)-PM\t)~]2(1)這里N0x(t)和PM(t)是t采樣時(shí)刻柴油機(jī)NOx和PM排放的實(shí)時(shí)測(cè)量值；N0x*(t)和 PM*(t)則表示t采樣時(shí)刻柴油機(jī)NOx和PM排放的最優(yōu)化目標(biāo)值；(2)設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)網(wǎng)絡(luò)⑷用t時(shí)刻的輸出Q(t)來逼近t時(shí)刻的值函數(shù)；t時(shí)N-I刻的值函數(shù)4η Σ7Μ—即下一個(gè)采樣時(shí)刻開始直到該測(cè)試循環(huán)結(jié)束，各采樣時(shí)刻效用函數(shù)加權(quán)和的最小化值；這里Y是折扣因子，t表示采樣時(shí)刻，u(t)是執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)(3)的t 時(shí)刻輸出的最優(yōu)化控制向量，91表示執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)⑶的t時(shí)刻輸出的最優(yōu)化控制向量u(t)的范圍，N是該測(cè)試循環(huán)最后一次采樣的時(shí)刻，U(i)是效用函數(shù)，i從t+Ι到N-I ；評(píng)價(jià)網(wǎng)絡(luò)(4)用包括一個(gè)輸入層，一個(gè)隱層和一個(gè)輸出層的三層前饋人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)；一個(gè)輸入層包含六個(gè)輸入神經(jīng)元，一個(gè)隱層包含十四個(gè)隱層神經(jīng)元，一個(gè)輸出層包含一個(gè)輸出神經(jīng)元；這六個(gè)輸入神經(jīng)元分別是NOx、PM、軌壓、EGR率、噴油量以及噴油定時(shí)的歸一化值。隱層采用sigmoidal函數(shù)，輸出層采用線性函數(shù)；(3)設(shè)計(jì)執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)(3)用來逼近最優(yōu)化的控制向量u(t)。它用包括一個(gè)輸入層，一個(gè)隱層，一個(gè)輸出層的三層前饋人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)；一個(gè)輸入層包含二個(gè)輸入神經(jīng)元，一個(gè)隱層包含九個(gè)隱層神經(jīng)元，一個(gè)輸出層包含四個(gè)輸出神經(jīng)元；這兩個(gè)輸入神經(jīng)元分別是NOx和PM的歸一化值；這四個(gè)輸出神經(jīng)元分別是軌壓、EGR率、噴油量和噴油定時(shí)的最優(yōu)化控制變量；隱層和輸出層都采用sigmoidal函數(shù)；其輸出的最優(yōu)化控制向量u(t)用來控制高壓共軌柴油機(jī)(I)的軌壓、EGR率、噴油量和噴油定時(shí)；執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)(3)輸出的最優(yōu)化控制向量u(t)與其輸入狀態(tài)向量x(t) —起連接到評(píng)價(jià)網(wǎng)絡(luò)⑷的輸入端；評(píng)價(jià)網(wǎng)絡(luò)⑷和執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)⑶的這種結(jié)構(gòu)組合就是執(zhí)行依賴啟發(fā)式近似動(dòng)態(tài)規(guī)劃優(yōu)化協(xié)同控制器(2);(4)離線學(xué)習(xí)首先采用正交實(shí)驗(yàn)法按新歐洲排放標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試循環(huán)來測(cè)取NOx和PM的排放參數(shù)，參考國四排放標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)得的柴油機(jī)排放參數(shù)，制定出各工況下柴油機(jī)NOx和PM 排放的初始優(yōu)化目標(biāo)值；然后用測(cè)得的控制變量軌壓、EGR率、噴油量、噴油定時(shí)和排放參數(shù)Ν0χ、PM的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)為樣本，用多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)得出發(fā)動(dòng)機(jī)工作模型，執(zhí)行依賴啟發(fā)式近似動(dòng)態(tài)規(guī)劃優(yōu)化協(xié)同控制器(2)以該模型為對(duì)象進(jìn)行仿真訓(xùn)練，反復(fù)調(diào)整評(píng)價(jià)網(wǎng)絡(luò)⑷和執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)⑶權(quán)值《。⑴、wa(t)的初始值以及效用函數(shù)U(t)，以最小化誤差函數(shù) Ec(t)、Ea(t)的值為目標(biāo)，根據(jù)梯度下降算法來離線訓(xùn)練該執(zhí)行依賴啟發(fā)式近似動(dòng)態(tài)規(guī)劃優(yōu)化協(xié)同控制器(2);離線學(xué)習(xí)時(shí)，執(zhí)行依賴啟發(fā)式近似動(dòng)態(tài)規(guī)劃優(yōu)化協(xié)同控制器(2)及其梯度下降算法是用Matlab的m文件來實(shí)現(xiàn)和仿真的；(5)在線學(xué)習(xí)執(zhí)行依賴啟發(fā)式近似動(dòng)態(tài)規(guī)劃優(yōu)化協(xié)同控制器(2)經(jīng)離線學(xué)習(xí)，具有收斂穩(wěn)定性，產(chǎn)生控制效果后，在實(shí)車上在線學(xué)習(xí)并控制高壓共軌柴油機(jī)(I)的NOx和PM 的排放；其優(yōu)化目標(biāo)與離線學(xué)習(xí)時(shí)的相同；執(zhí)行依賴啟發(fā)式近似動(dòng)態(tài)規(guī)劃優(yōu)化協(xié)同控制器(2)是由Matlab-function函數(shù)來編程實(shí)現(xiàn)的，并被嵌入到高壓共軌柴油機(jī)(I)的管理軟件中作為它的一部分；調(diào)試用上位機(jī)裝有dSPACE快速原型調(diào)試軟件，用于將高壓共軌柴油機(jī)(I)的管理軟件編譯并下載到柴油機(jī)控制單片機(jī)中，以實(shí)現(xiàn)高壓共軌柴油機(jī)(I)的控制和實(shí)際效果數(shù)據(jù)的采集與分析；通過不斷修改Matlab-function函數(shù)來修改執(zhí)行依賴啟發(fā)式近似動(dòng)態(tài)規(guī)劃優(yōu)化協(xié)同控制器(2);在線訓(xùn)練時(shí)，該執(zhí)行依賴啟發(fā)式近似動(dòng)態(tài)規(guī)劃優(yōu)化協(xié)同控制器⑵是根據(jù)實(shí)測(cè)的控制變量軌壓、EGR率、噴油量、噴油定時(shí)，采用梯度下降算法來訓(xùn)練評(píng)價(jià)網(wǎng)絡(luò)(4)和執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)(3)的，以找到各工況下NOx和PM排放控制的最佳折衷點(diǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高壓共軌柴油機(jī)氮氧化物和顆粒排放的優(yōu)化協(xié)同控制方法， 其特征是所述的步驟(4)中，評(píng)價(jià)網(wǎng)絡(luò)(4)的權(quán)值Wc;(t)的初始值在訓(xùn)練之前被隨機(jī)初始化為(_1，+1)的小偽隨機(jī)數(shù).最小化誤差函數(shù)
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高壓共軌柴油機(jī)氮氧化物和顆粒排放的優(yōu)化協(xié)同控制方法， 其特征是所述的步驟(4)中，執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)(3)的權(quán)值wa(t)的初始值在訓(xùn)練之前被隨機(jī)初始化為(_1，+1)的小偽隨機(jī)數(shù).最小化誤差函數(shù)
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高壓共軌柴油機(jī)氮氧化物和顆粒排放的優(yōu)化協(xié)同控制方 法，其特征是所述的1。(0為評(píng)價(jià)網(wǎng)絡(luò)(4)的學(xué)習(xí)率，其初始值設(shè)置為0.3，折扣因子設(shè)置為 Y =0.95，評(píng)價(jià)網(wǎng)絡(luò)⑷的權(quán)值Wc;(t)訓(xùn)練目標(biāo)的最小化誤差函數(shù)設(shè)置為^(t) =0. 05, 最大訓(xùn)練迭代次數(shù)設(shè)置為50次。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的高壓共軌柴油機(jī)氮氧化物和顆粒排放的優(yōu)化協(xié)同控制 方法，其特征是所述的la(t)為執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)(3)的學(xué)習(xí)率，其初始值設(shè)置為0.3，執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)(3) 的權(quán)值wa(t)訓(xùn)練目標(biāo)的最小化誤差函數(shù)設(shè)置為Ea(t) = 0.005，最大訓(xùn)練迭代次數(shù)設(shè)置為 500 次。
全文摘要
高壓共軌柴油機(jī)氮氧化物和顆粒排放的優(yōu)化協(xié)同控制方法屬于柴油機(jī)優(yōu)化控制技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明提出一種多輸入多輸出執(zhí)行依賴啟發(fā)式近似動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法，對(duì)影響高壓共軌柴油機(jī)NOX和PM排放的控制變量軌壓、EGR率、噴油量和噴油定時(shí)進(jìn)行優(yōu)化協(xié)同控制，具體包括設(shè)計(jì)效用函數(shù)、設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)網(wǎng)絡(luò)、設(shè)計(jì)執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)、離線學(xué)習(xí)和在線學(xué)習(xí)。本發(fā)明解決了采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃控制柴油機(jī)排放存在的“維數(shù)災(zāi)”問題，在線應(yīng)用時(shí)不需要被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，在各工況下均能同步優(yōu)化NOx和PM的排放。本方法充分挖掘了高壓共軌柴油機(jī)缸內(nèi)凈化的潛力，減少了對(duì)尾氣后處理裝置的負(fù)擔(dān)和要求，從而低成本地提高了高壓共軌柴油機(jī)的尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)。
文檔編號(hào)F02D28/00GK102588129SQ20121002663
公開日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年2月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月7日
發(fā)明者黃志堅(jiān), 黃河 申請(qǐng)人:上海艾銘思汽車控制系統(tǒng)有限公司, 上海艾銘思汽車電子系統(tǒng)有限公司