[發(fā)明專利]基于支持向量機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)怠速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201711479180.6
• 申請(qǐng)日: 2017-12-29
• 公開（公告）號(hào): CN108196450A
• 公開（公告）日: 2018-06-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 許芳;梁頔男;曲雅麗;于樹友;陳虹
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 吉林大學(xué)
• 主分類號(hào): G05B13/04
• 分類號(hào): G05B13/04;G06F17/50
• 代理公司: 吉林長(zhǎng)春新紀(jì)元專利代理有限責(zé)任公司 22100
• 代理人: 白冬冬

一種基于支持向量機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)怠速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，屬于控制技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的目的是本發(fā)明主要針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速控制問題，利用支持向量機(jī)預(yù)測(cè)控制算法來設(shè)計(jì)控制器的基于支持向量機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)怠速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。本發(fā)明步驟是：根據(jù)系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)選取適當(dāng)?shù)妮斎胼敵鲎兞浚会槍?duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)挠?xùn)練樣本和測(cè)試樣本；將獲得的訓(xùn)練樣本對(duì)支持向量機(jī)進(jìn)行離線訓(xùn)練；對(duì)得到的支持向量機(jī)模型進(jìn)行在線線性化；考慮發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工況下節(jié)氣門開度約束，利用模型預(yù)測(cè)控制算法構(gòu)造代價(jià)函數(shù)，并通過求解代價(jià)函數(shù)對(duì)應(yīng)的最優(yōu)問題，獲得控制輸入作用于系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。本發(fā)明基于支持向量機(jī)預(yù)測(cè)控制算法是支持向量機(jī)和模型預(yù)測(cè)控制的完美結(jié)合，它通過輸入輸出數(shù)據(jù)以及經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到的特性來設(shè)計(jì)控制器，有效地避免了復(fù)雜的機(jī)理建模。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于控制技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

怠速是汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的典型工況之一，是汽車控制中一項(xiàng)重要的研究?jī)?nèi)容。怠速控制的好壞不僅直接關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，而且對(duì)汽車的排放、燃油經(jīng)濟(jì)性、駕駛性能等有著極為重要的影響。據(jù)統(tǒng)計(jì)，汽油機(jī)約有30％的燃油是消耗在怠速工況中，怠速排放的CO和HC也占排放總量的70％，所以研究怠速時(shí)的控制方法有重要的意義。怠速控制的主要目標(biāo)是在保證排放要求的情況下，使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在給定的參考值附近，當(dāng)有外部擾動(dòng)突然出現(xiàn)時(shí)保持發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定避免發(fā)動(dòng)機(jī)熄火和轉(zhuǎn)速劇烈波動(dòng)的現(xiàn)象發(fā)生。因此，如何設(shè)計(jì)控制器使發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速迅速穩(wěn)定在給定值附近，并且具有良好的抗干擾能力，一直是發(fā)動(dòng)機(jī)怠速控制問題的關(guān)鍵。針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速控制，主要有以下問題：

1.發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，進(jìn)行機(jī)理模型建模比較困難，通常建立的是機(jī)理圖表混合模型，這種模型的非線性很復(fù)雜；

2.發(fā)動(dòng)機(jī)怠速控制是具有強(qiáng)非線性和系統(tǒng)約束問題，基于機(jī)理圖表混合模型建立的控制器有很大的計(jì)算負(fù)擔(dān)，這對(duì)實(shí)時(shí)控制是一種挑戰(zhàn)；

3.基于在穩(wěn)定點(diǎn)線性化的模型設(shè)計(jì)的模型預(yù)測(cè)控制器雖然避免了大量的計(jì)算，但是同時(shí)丟失了系統(tǒng)的部分動(dòng)態(tài)信息，當(dāng)擾動(dòng)加入時(shí)會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)誤差。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是本發(fā)明主要針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速控制問題，利用支持向量機(jī)預(yù)測(cè)控制算法來設(shè)計(jì)控制器的基于支持向量機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)怠速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。

本發(fā)明步驟是：

①根據(jù)系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)選取適當(dāng)?shù)妮斎胼敵鲎兞浚?/p>

②針對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)挠?xùn)練樣本和測(cè)試樣本，并對(duì)訓(xùn)練樣本進(jìn)行挑選，除去相似樣本，以保證在全面的提取系統(tǒng)特征的同時(shí)保證訓(xùn)練樣本數(shù)量最小；

③將獲得的訓(xùn)練樣本對(duì)支持向量機(jī)進(jìn)行離線訓(xùn)練，以獲取支持向量機(jī)模型；

④對(duì)得到的支持向量機(jī)模型進(jìn)行在線線性化，以減小計(jì)算負(fù)擔(dān)并保留系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性；

⑤考慮發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工況下節(jié)氣門開度約束，利用模型預(yù)測(cè)控制算法構(gòu)造代價(jià)函數(shù)，并通過求解代價(jià)函數(shù)對(duì)應(yīng)的最優(yōu)問題，獲得控制輸入作用于系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。

本發(fā)明所述的輸入輸出變量具有兩個(gè)狀態(tài)量：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和進(jìn)氣歧管壓強(qiáng)，關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的支持向量機(jī)模型的輸出變量為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的預(yù)測(cè)值，關(guān)于進(jìn)氣歧管壓強(qiáng)的支持向量機(jī)模型的輸出變量為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管壓強(qiáng)的預(yù)測(cè)值。

本發(fā)明支持向量機(jī)模型：

1)支持向量機(jī)學(xué)習(xí)過程

采用MATLAB版本的LIBSVM工具箱對(duì)模型進(jìn)行離線學(xué)習(xí)，設(shè)定訓(xùn)練樣本的格式：

其中N為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，P_m為進(jìn)氣歧管壓強(qiáng)，θ_th為節(jié)氣門開度，T_L為可測(cè)負(fù)載扭矩，u(i)為輸入數(shù)據(jù)，y(i+1)為預(yù)測(cè)值；得到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的支持向量機(jī)的預(yù)測(cè)模型表達(dá)式：