随着电子技术的发展,越来越多的电子控制单元被开发出来作为汽油发动机的执行器件。此外,高效低廉的数字处理器(DSP)的开发也推动了发动机控制单元(Engine Control Unit)的高速发展。这些都使得实现更好的发动机控制,改善发动机性能成为可能。从控制的角度讲,电子技术的发展为发动机建模与在线控制带来了挑战。平衡控制着眼于改善发动机稳态工况下的运行特性,是发动机控制的一个重要分支。不平衡现象伴随着整个发动机的发展过程。通过不同的视角,人们不断的寻找产生不平衡性现象的原因并试图从机理上消除他们对发动机特性的影响,比如改变进气歧管的几何结构,开发双点火系统等。在线平衡控制器也是这些方法中的一种。事实上,现在的发动机控制大体是基于开环的查表控制。在开环控制过程中,不平衡性并没有被考虑到。即便在实验室条件下,不平衡性也常常被大尺度下基于模型的发动机控制所忽略。近十年以来,平衡控制作为发动机小尺度的建模与控制的代表随着电子技术的发展越来越被人们所关注。大体而言,平衡控制可以分为循环间平衡控制与气缸间平衡控制。本文研究的平衡控制主要着眼于以下的三个方面：1)燃烧循环间的基于单点压力值检测的平衡控制。气缸内的压力随角度变化的曲线反应了燃烧的发展过程,也反映了燃烧的不平衡性。具体的,在燃烧冲程上止点处的压力值反映了燃烧过程的快慢。本文采用该点的压力值来衡量循环间的不平衡性。点火提前角被选为控制输入。由于燃烧机理很复杂,现阶段不存在明晰的模型来描述这一过程,本文通过基于统计的方法进行了建模。在建模的过程中,模型结构的选择遵循了"trail-and-err"的原理,并采用最小二乘算法来获得模型的参数。最终,基于该模型,采用模型预测控制策略来减小循环间的燃烧波动性。2)点火事件尺度下的力矩平衡控制。采用点火事件尺度下的由燃烧产生的力矩波动的平均值做为控制指标,对力矩的波动进行了建模与控制。通过将2-part曲轴模型扩展到角度域,本文给出了通过测量发动机瞬时速度来估算控制指标的方法。基于该方法,避免了采用力矩传感器,使得在线控制成为可能。在在线控制的过程中,点火提前角仍然被选作控制输入。本研究中.力矩平衡控制被分成了两个部分,其一为消除气缸与气缸之间的由燃烧特性不同产生的固有的力矩波动的偏差。针对该问题,本文提供了两种不同的控制策略。首先,在假设系统具有无源性的基础上,设计了基于Lyapunov函数的控制器,该控制器被实验验证是有效的。另外,为了从机理上说明气缸之间的不平衡性,本文还构造了叠加模型来描述系统的动态过程。基于该模型,设计并验证了Unknown offset free模型预测控制器。在消除了由气缸之间的燃烧不平衡带来的固定偏差的基础上,最后还构建了统计模型来描述循环间燃烧波动带来的力矩不平衡,并设计了基于模型的预测控制器。3)分缸油气比的平衡控制。油气比是涉及到催化与燃烧效果的关键指标。一般而言,多缸发动机上的油气比传感器仅仅安装在三相催化触媒之前,也即是在排气歧管的气体混合部。由于排气歧管长度不同,尾气从各个气缸的排气阀门到混合点的扩散特性并不相同。采用Lifting technology,本文建立了从单缸给油到混合点处的油气比的叠加模型。基于该模型,设计了消除缸间油气比不平衡性的预测控制器。特别的,本文给出的控制算法并不要求对单缸的油气比进行在线估计以上的模型与控制器的有效性均被实验所验证。