日益严格的排放法规和车载诊断的要求以及高性能微控制器的出现,推动了观测器理论在发动机控制中的应用。观测器本身是一种嵌入在控制策略中的算法,用来提供控制律所需要的状态估计,由于不需要等待来自传感器的测量信号,通过重构延迟之前的状态参数,消除了因传感器和抗混叠滤波器的响应特性以及信号处理所带来的延迟,使得瞬态工况下的测量结果更接近于被测量的实际变化状态,为实现不同工况下空燃比的精确控制创造了条件。观测器及相关算法研究,是开发煤层气发动机电控系统的重要研究内容。将观测器理论应用于煤层气发动机空燃比控制中的相关参数的预测,对于改善发动机的动力性、经济性和排放性能具有重要的意义。本文基于相关的观测器基本理论,对煤层气发动机空燃比控制中的观测器进行了研究,主要内容如下:(1)建立了基于平均值模型的进气歧管动态方程,根据发动机稳态和动态工况实验数据,辨识了模型参数并构建了观测器状态空间方程。采用极点配置法,确定了误差反馈矩阵,构建了线性歧管压力观测器。采用多组节气门正负阶跃变化的实验数据,对线性观测器的观测效果进行检验和分析。结果表明,通过选用恰当的极点来形成合适的反馈矩阵,使得线性歧管压力观测器在一定的变工况条件下具有良好的预测和噪声抑制能力。(2)为了改善观测器的鲁棒性,构建了基于等速趋近律的歧管压力非线性滑模观测器,采用检验线性观测器相同的歧管压力瞬变数据检验其观测效果,并与线性观测器进行了比较。结果表明,非线性滑模观测器的性能要优于线性观测器。根据卡尔曼滤波特性,选取系统的状态噪声矩阵矢量协方差阵和观测噪声矢量协方差阵,建立了基于扩展卡尔曼滤波算法的歧管压力观测器,研究了滑模观测器和基于扩展卡尔曼滤波器的观测器之间在观测效果上的差别。结果表明,基于扩展卡尔曼滤波器所建立的观测器可以获得更加平滑和洁净的信号。(3)针对煤层气发动机预混合双阀控制的特点,采用前馈+反馈的空燃比控制方案,考虑进气流和氧传感器的动态特性,建立了静态前馈查询表和空燃比复合动态模型,设计了可同时估计前馈控制输入(空气流量、燃气流量)和被控对象输出(过量空气系数)的闭环滑模观测器,分别研究了等速趋近律、指数趋近律、幂次趋近律和一般趋近律下观测器的观测效果。结果表明,基于指数趋近律的观测器效果最佳。(4)仍采用上述的控制结构和空燃比复合动态模型,选用某一组动态工况数据来计算状态噪声矢量协方差阵和观测噪声矢量协方差阵,构建了基于扩展卡尔曼滤波(EKF)算法的空燃比闭环观测器,研究了观测器的观测效果,并与滑模观测器的观测效果进行了比较。结果表明,由于基于扩展卡尔曼滤波器的观测器引入了观测噪声的校正项,并通过递推计算更新状态估计值,使得它具有更高的鲁棒性和良好的噪声抑制能力。与滑模观测器相比,计算量较小,更适合进气流量和排气空燃比的在线估计。