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进入21世纪，伴随着信息技术的蓬勃发展，汽车正走进千家万户。随着汽车保有量和汽车驾驶人的迅猛增长，机动车尾气排放对环境的污染问题日益明显，环境社会发展与能源的矛盾日益突出[2] 。如何提高汽车燃油的经济性，完善节能减排政策，最终达到节约资源、减少污染排放的目的，这是目前专家学者努力研究的方向 。因此，未来汽车的发展趋势之一就是发动机节能减排技术的研究。
与汽油发动机相比，柴油发动机有如下三个优点：
第一，扭矩大。在相同的燃油消耗量和法律规定的尾气排放水平下，柴油发动机提供的力矩更大。
第二，省油。虽然柴油机的转速普遍比汽油发动机低，但是柴油的热功效高，且柴油的能量密度含量比汽油高[3]，所以一般柴油发动机比汽油机省油。
第三，环保。由于柴油发动机的燃烧方式属于富氧燃烧，所以柴油发动机的一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)和二氧化碳(CO2)的排放量相比于汽油机较低。
尽管如此，柴油发动机除了以上三点优势，也面临着几个需要解决的问题：
第一，尾气排放问题。相比于汽油发动机，柴油发动机的CO、HC和CO2的排放量较低，但是悬浮颗粒物（PM）和氮氧化合物（NOx）的排放远比汽油机高，而这两种都是对人体有害的物质，且目前的技术很难对PM和NOx的排放进行控制。
第二，油耗问题。虽然柴油发动机的油耗要比汽油发动机的低，但随着能源的日益稀缺，如何进一步降低油耗也是柴油发动机发展面临的一大困境。
第三，升功率问题。由于柴油发动机本身的质量和体积也影响了其各方面的性能[3]，所以扩大柴油发动机的市场，需要努力解决柴油发动机的升功率。
为了达到欧盟Ⅴ期和Ⅵ期标准中对于柴油发动机尾气的排放标准，尤其是对PM和NOx的排放控制，需要的每个引擎回路中加以控制。早期的减排机制表明，NOx的排放可以通过增加废气再循环(EGR)进气歧管部分来减少，废气也可以通过增加空燃比(AFR)来减少[4]。而EGR和AFR的比率是由EGR阀和可变截面涡轮增压器(VGT)控制的。所以，如何通过设计合适的控制器来控制EGR和VGT的位置来达到减少NOx和废气排放的目的也成为近年来研究人员不断努力的方向。
目前，国外不少研究人员已经对柴油发动机的控制策略进行了不少研究，而且取得了一些的进展。但是，EGR和AFR执行器的强耦合使得传统的PI调节器的传统校正方法很难在扭矩响应、暂态响应、稳态时发动机的输出排放等方面得到满意和的效果。因此，研究出一种能应用到实际柴油发动机上的，而且能达到控制尾气排放的目的控制策略，也成了近来年研究人员不断努力攻克的目标。
1.2 柴油发动机的研究现状
1.3 柴油发动机控制策略的研究现状
1.4 论文研究内容与章节安排
本文主要针对柴油发动机的气体-转速回路的双环协同控制策略进行研究。首先对柴油发动机的气体和转速回路进行建模，将其抽象成一般的控制仿射模型。随后在建模的基础上分别对转速回路和气体回路进行控制器的设计：对转速回路设计一个基于Lyapunov函数的控制器以跟踪设定转速；对气体回路设计一个基于扩张状态观测器的滑模控制器，达到跟踪给定输出、克服系统干扰的目标。最后将气体和转速回路结合起来，组成双环系统，对系统进行仿真，验证系统结构和控制器设计的有效性。
全文的章节安排如下：
第一章为绪论。简单叙述了柴油发动机控制系统的研究背景和意义，并对国外柴油发动机气体-转速双环协同控制策略的发展概况进行简要说明。概括了柴油发动机研究中的关键技术和研究热点，并对本文的研究内容做出了安排。