基于增益調(diào)度的高壓共軌柴油機(jī)軌壓控制研究及驗(yàn)證

于正同，王驥超，韓冰潔，付立斌

(1.中國(guó)航空工業(yè)西集團(tuán)公司西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710065；2. 東風(fēng)康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，湖北 襄陽(yáng) 441004)

高壓共軌燃油控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)噴油參數(shù)柔性控制，保證了多缸發(fā)動(dòng)機(jī)噴油壓力一致，可以實(shí)現(xiàn)噴油量和噴油時(shí)刻的靈活精確控制，使發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒達(dá)到最佳狀態(tài)，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的排放特性、動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性[1]。然而高壓共軌燃油控制系統(tǒng)是一個(gè)非線性、時(shí)變和遲滯系統(tǒng)，無(wú)法建立精確的軌壓數(shù)學(xué)模型，導(dǎo)致傳統(tǒng)的線性PID控制算法精度低、跟隨性差[2-3]。為了解決上述問題，國(guó)內(nèi)部分學(xué)者將軌壓控制過程分為低怠速、高怠速、調(diào)速和跛行回家等多個(gè)工況，采用開環(huán)控制和閉環(huán)控制相結(jié)合的方法[4]。在穩(wěn)態(tài)工況具有較好的控制效果，在部分異常工況或工況切換過程中，軌壓控存在超調(diào)振蕩、收斂速度慢、易陷入局部控制死區(qū)等問題[5-6]。此外由于發(fā)動(dòng)機(jī)工況設(shè)計(jì)過于復(fù)雜，軌壓控制切換時(shí)機(jī)不易把握。

基于上述考慮，設(shè)計(jì)了一種基于增益調(diào)度的高壓共軌柴油機(jī)軌壓控制算法。該算法降低了工況劃分難度，以共軌管燃油流量守恒原理為基礎(chǔ)，采用基于增益調(diào)度的PID控制算法對(duì)全工況軌壓統(tǒng)一處理控制。其中增益系數(shù)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和軌壓偏差調(diào)度控制算法獲取。

1 共軌系統(tǒng)組成及原理

共軌燃油系統(tǒng)由低壓油泵、高壓油泵、油量計(jì)量閥、共軌管、控制器、軌壓傳感器、噴油器、低壓輸油管和高壓輸油管等組成。其基本工作原理：在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，低壓油泵將燃油從油箱輸送到高壓泵的入口，電子控制器通過控制IMV閥開度控制共軌管的油壓力，使共軌管內(nèi)的燃油壓力控制在0.3～160 MPa，在共軌管的高壓作用下噴出霧狀燃油。軌壓隨著高壓泵進(jìn)油量、噴油器的噴射量和回油量的動(dòng)態(tài)變化而變化，其穩(wěn)定性直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)理想的噴油規(guī)律。其工作原理見圖1。

圖1 高壓共軌系統(tǒng)原理圖

2 軌壓系統(tǒng)控制算法

根據(jù)高壓泵和IMV閥的工作特征，軌壓控制以PWM控制輸出周期和占空比作為控制量，采用前饋控制和PID閉環(huán)控制相結(jié)合的方法，在發(fā)動(dòng)機(jī)全工況下控制共軌管的反饋軌壓與命令壓力保持一致。在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)初期，采用開環(huán)控制，IMV閥完全打開，迅速建立軌壓。待軌壓大于目標(biāo)值后，進(jìn)入閉環(huán)控制，基本控制算法見圖2。首先通過發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和命令油量查命令軌壓三維MAP表，通過命令軌壓與反饋軌壓差采用PID控制獲得燃油流量，與前饋燃油量相加獲得總噴油量，根據(jù)總?cè)加土髁哭D(zhuǎn)換電流值，再根據(jù)電流值計(jì)算PWM控制周期和占空比。

圖2 軌壓控制基本過程

忽略共軌管因內(nèi)部壓力變化而引起體積變化的影響，可認(rèn)為共軌管是一個(gè)固定體積的容積，共軌管的壓力值由流入和流出共軌管的燃油流量決定[10]，因此采用控制燃油流量的方法實(shí)現(xiàn)軌壓的動(dòng)態(tài)變化調(diào)整。燃油流量計(jì)算見式(1)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，燃油流量通過前饋和反饋共同計(jì)算獲得。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)進(jìn)入跛行回家模式，無(wú)法形成閉環(huán)計(jì)算，將前饋燃油量作為需求噴油量。在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)模式下，需要迅速建立軌壓，起動(dòng)燃油量為標(biāo)定常量。在停機(jī)模式下，燃油流量為0。

(1)

式中：Qd(t)為IMV閥入口燃油需求量；Qff(t)為前饋控制燃油需求量；Qfdk(t)為閉環(huán)反饋燃油需求量；Qcrank為起動(dòng)燃油需求量，該值為為標(biāo)定值。

2.1 命令軌壓值計(jì)算

為了能夠讓發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最佳狀態(tài)，在不同的運(yùn)行工況下對(duì)軌壓的需求不一樣，在起動(dòng)初期需要迅速建立軌壓，在高轉(zhuǎn)速高負(fù)荷下，需要高壓增加霧化效果，降低噴油時(shí)長(zhǎng)。命令軌壓值主要與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、噴油量和燃油溫度等因素有關(guān)。首先根據(jù)噴油量和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速查詢當(dāng)前軌壓基本命令值，再根據(jù)噴油量和燃油溫度獲得軌壓補(bǔ)償值，將軌壓基本命令值和軌壓補(bǔ)償值進(jìn)行相加獲得基非限幅軌壓，非限幅軌壓經(jīng)過命令軌壓變化率限值后，再經(jīng)過最大和最小值限幅，最終獲得命令軌壓值(見圖3)。

圖3 命令軌壓控制算法

2.2 帶前饋的PID控制器結(jié)構(gòu)

在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)載經(jīng)常出現(xiàn)連續(xù)變化過程，會(huì)引起噴油量和噴油頻率頻繁變化，導(dǎo)致軌壓劇烈波動(dòng)。通過前饋控制可及時(shí)補(bǔ)償因工況變化帶來(lái)的軌壓波動(dòng)[7-8]。前饋燃油量計(jì)算見圖4。

圖4 噴油量前饋計(jì)算框圖

閉環(huán)控制可以補(bǔ)償以下因素造成的軌壓波動(dòng)：高壓泵輸出燃油波動(dòng)；共軌管和高壓油管形變產(chǎn)生的軌壓變化；噴油器打開等其他擾動(dòng)影響[9-10]。PID控制結(jié)構(gòu)如見圖5。

2.3 增益系數(shù)調(diào)度控制

高壓共軌燃油系統(tǒng)具有時(shí)變、非線性和遲滯等特點(diǎn)。在瞬態(tài)工況下或工況切換時(shí)，采用單一增益系數(shù)PID控制無(wú)法取得較好的控制效果。為了優(yōu)化軌壓反饋控制效果， PID控制增益系數(shù)根據(jù)軌壓偏差調(diào)度控制算法和發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況采用不同控制算法。提高了軌壓控制的適應(yīng)性和魯棒性，獲得更高的控制精度和更快的響應(yīng)特性。

圖5 PID控制器結(jié)構(gòu)

PID控制增益系數(shù)采用分級(jí)方法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)整，其原理見圖6。將軌壓偏差值設(shè)定4個(gè)邊界：Pover1，Pover2，Punder1和Punder2。4個(gè)邊界將軌壓偏差分為5個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域的PID控制增益系數(shù)為獨(dú)立計(jì)算實(shí)現(xiàn)。根據(jù)軌壓偏差ΔE(t)所落區(qū)域決定使用的所在區(qū)域PID控制系數(shù)的計(jì)算策略。

圖6 軌壓控制增益系數(shù)調(diào)度策略控制

2.3.1軌壓偏差正常范圍

軌壓偏差在正常范圍內(nèi)，PID控制系數(shù)為標(biāo)定常量值，該值根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)具體型號(hào)確定。此時(shí)軌壓處于穩(wěn)定狀態(tài)，PID控制過程為線性控制過程。PID系數(shù)計(jì)算見式(2)。

Kp=Cp1,Ki=Ci1,Kd=Cd1。

(2)

式中：Cp1，Ci1和Cd1為標(biāo)定常量值。

2.3.2軌壓偏差超高過程

在軌壓偏差達(dá)到超高壓門限值(Pover2)時(shí)，PID控制器需要采取保護(hù)措施抑制這種過壓變化，使軌壓迅速到達(dá)預(yù)控目標(biāo)， PID控制器系數(shù)重新采用一套標(biāo)定值，計(jì)算過程見式(3)。

Kp=Cp2,Ki=Ci2,Kd=Cd2。

(3)

式中：Cp2，Ci2和Cd2為標(biāo)定常量值。

2.3.3軌壓偏差較高過程

當(dāng)軌壓偏差在正常和超高范圍內(nèi)，此時(shí)控制參數(shù)設(shè)置為定值Kx，控制參數(shù)計(jì)算見式(4)。

(4)

式中：Kover為軌壓偏差超高過程PID控制系數(shù)；Knomal為軌壓偏差正常范圍PID控制系數(shù)。

2.3.4軌壓偏差超欠壓過程

超欠壓過程與超高壓過程相似，由于反饋軌壓離目標(biāo)軌壓過大，為了適應(yīng)PID控制，對(duì)PID控制系數(shù)重新采用一套標(biāo)定值，計(jì)算過程見式(5)。

Kp=Cp3,Ki=Ci3,Kd=Cd3。

(5)

式中：Cp3，Ci3和Cd3為標(biāo)定常量值。

2.3.5軌壓偏差欠壓過程

當(dāng)軌壓偏差在正常和超欠壓范圍內(nèi)，計(jì)算過程與軌壓偏差較高過程類似，此時(shí)控制參數(shù)設(shè)置為Ky，控制參數(shù)計(jì)算過程見式(6)。

(6)

式中：Kunder為軌壓偏差超欠壓過程PID控制系數(shù)。

2.4 油量計(jì)量閥驅(qū)動(dòng)單元

選用 BOSCH CP3.3高壓油泵為控制對(duì)象，其內(nèi)部IMV閥為電流驅(qū)動(dòng)型比例電磁閥。該電磁閥PWM波控制頻率范圍為165～195 Hz，線圈電阻為2.6～3.1 Ω，最大電流是1.6 A，缺省狀態(tài)為全開。發(fā)動(dòng)機(jī)控制器通過PWM波控制線圈電流，其電磁閥驅(qū)動(dòng)電流和油泵流量關(guān)系見圖7。通過軌壓控制器輸出的燃油流量Q(t)獲得IMV閥驅(qū)動(dòng)電流。

圖7 油量計(jì)量閥電流與流量關(guān)系

根據(jù)供電電壓和IMV閥電阻，計(jì)算出需要的PWM 占空比驅(qū)動(dòng)IMV閥。由于蓄電池電壓受發(fā)電機(jī)、噴油器打開以及整車其他設(shè)備干擾，需要對(duì)蓄電池電壓進(jìn)行一階濾波，計(jì)算過程見式(7)。

(7)

式中：VB(t)為采集的蓄電池電壓；K為濾波系數(shù)，該值為常量，通過標(biāo)定實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)命令電流將輸出驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換成需要的占空比，計(jì)算過程見式(8)。

(8)

式中：RIMV為IMV閥內(nèi)阻；Doffest為補(bǔ)償修正值，該值為標(biāo)定量。

3 軌壓控制算法驗(yàn)證

3.1 軌壓控制驗(yàn)證設(shè)備

利用Matlab對(duì)上述軌壓控制算法進(jìn)行模型化編程，并生成代碼。將生成的代碼集成在基于32位微處理器MPC5566自主研發(fā)的高壓共軌柴油發(fā)動(dòng)機(jī)控制器中，設(shè)定軌壓控制算法運(yùn)行10 ms周期任務(wù)。在一臺(tái)4缸4.5 L高壓共軌柴油機(jī)上開展了軌壓驗(yàn)證試驗(yàn)。柴油機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架見圖8，柴油機(jī)參數(shù)見表1。

圖8 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

3.2 軌壓控制性能測(cè)試驗(yàn)證

為了驗(yàn)證穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)工況下軌壓控制效果，在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上分別開展了起動(dòng)工況、怠速工況、標(biāo)定功率點(diǎn)工況和加速工況驗(yàn)證工作。

由圖9可知，在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)能夠迅速建立油軌壓力，在1 s后，反饋軌壓和命令軌壓保持一致，軌壓偏差在±2 MPa以內(nèi)。在起動(dòng)工況到怠速工況切換過程中，軌壓偏差在±2 MPa以內(nèi)。

圖9 起動(dòng)工況軌壓變化曲線

由圖10和圖11可知，在怠速工況和額定轉(zhuǎn)速工況下，軌壓反饋值圍繞命令軌壓有微小的波動(dòng)，軌壓偏差在±2 MPa以內(nèi)。這是因?yàn)镮MV閥在工作過程對(duì)軌壓反饋造成擾動(dòng)。

圖10 怠速工況軌壓變化曲線

圖11 標(biāo)定轉(zhuǎn)速工況軌壓變化曲線

圖12示出發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)? 650 r/min加速到2 500 r/min過程中軌壓變化趨勢(shì)圖。在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升過程中，命令軌壓從80 MPa上升到140 MPa，反饋軌壓能夠動(dòng)態(tài)地跟隨命令軌壓變化，軌壓偏差控制在±3 MPa，且無(wú)軌壓超調(diào)現(xiàn)象。在命令軌壓連續(xù)動(dòng)態(tài)變化過程中，該算法響應(yīng)迅速，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)控制運(yùn)行需求，反饋軌壓能夠較好地動(dòng)態(tài)響應(yīng)命令軌壓值。

圖12 加速過程中軌壓變化曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種動(dòng)態(tài)分級(jí)系數(shù)的PID軌壓控制算法，與傳統(tǒng)PID軌壓控制算法相比進(jìn)行了多項(xiàng)改進(jìn)，包括軌壓信號(hào)采集、前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)、微分分離環(huán)節(jié)、動(dòng)態(tài)PID控制系數(shù)計(jì)算和油量計(jì)量閥驅(qū)動(dòng)引入蓄電池電壓修正等。最后將該算法通過發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架進(jìn)行起動(dòng)、怠速、標(biāo)定轉(zhuǎn)速和加速等工況驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明：在起動(dòng)穩(wěn)態(tài)工況下，軌壓偏差值不大于±2 MPa，在動(dòng)態(tài)過程中，軌壓偏差不大于±3 MPa。該軌壓控制算法可以滿足柴油機(jī)復(fù)雜多變工況的控制需求，在命令軌壓動(dòng)態(tài)變化過程和連續(xù)瞬態(tài)變化過程中可以實(shí)現(xiàn)較好的軌壓控制，具備快速響應(yīng)性和較好跟隨性。