一种基于前馈补偿的PID 轨压控制设计方法

李 娟

(中航工业西安航空计算技术研究所 第18 研究室，陕西 西安 710119)

高压共轨燃油喷射系统是上世纪90 年代后期推向市场的一项柴油机电控技术，其最大特点是分离控制燃油喷射和油轨压力。灵活可控的喷油规律能够优化燃烧、降低排放，还可提高燃油经济性、减少噪声，是满足欧Ⅲ、欧Ⅳ，甚至欧Ⅴ排放法规柴油机的理想电控燃油喷射系统。

经十几年的发展，目前该项技术已经成熟，并被广泛应用在车、船等发动机系统上。然而国内在该方面的技术和国际水平差距较大，目前尚处于起步阶段，虽然有一些企业和高校己经进行过共轨燃油喷射系统的研究，但总体来看，在该领域，国内还停留在研究阶段，离产品化还有较大差距。本文针对某6 缸高压共轨燃油系统，设计高压共轨关键技术轨压控制策略。研究了轨压控制工况，分析了各阶段轨压模型的特点，优化设计轨压控制设计，并自主实现了轨压控制策略。

1 轨压控制策略的设计

在发动机的整个运行周期内，可被分为起动、低怠速、调速、高怠速、和跛行回家5 种状态。

1.1 开环轨压控制

在启动阶段轨压目标值和传感器采集值数值差距大，轨压需要迅速提升，适合采用开环轨压控制方法。既能够快速建立轨压，又不会因控制精度不够而影响喷油输出。启动阶段的控制过程如图1 所示，根据发动机转速判断当前的发动机状态，并根据标定结果进行控制计算，输出控制量到IMV 阀决定其开度，即从高压油泵流入共轨管中的燃油流速，进而控制实际轨压值。该阶段轨压传感器的反馈值不作为控制的输入量，只作为启动状态的判定条件之一。当实际轨压达到预期目标时，系统退出开环控制状态。

图1 启动状态轨压开环控制示意图

在启动阶段，不仅要考虑轨压的迅速建立问题，还应考虑轨压的平稳上升问题。由于开环控制采用固定IMV 阀开度的方法，使共轨中的燃油逐步增加进而提升共轨压力。因此，为了防止共轨压力过冲，高压油泵的泵油量要按照所配高压油泵的物理特性决定，该部分通过实验取得准确数据。

1.2 闭环轨压控制

在其他4 个阶段，虽然目标轨压和传感器采集轨压值变化幅度较小，但轨压控制的精度和稳定性要求较高，因此适合采用闭环控制方法。如图2 所示，闭环控制能够获得被控制量和规定值的偏差，及时产生相应的控制作用消除偏差。

图2 轨压闭环控制示意图

目前PID 控制以其良好的控制精度和跟随性，在控制领域得到广泛应用。然而，并不是针对所用的应用场合，都采用相同的PID 控制算法。应该根据目标控制对象对控制精度、跟随性、超调量、以及控制复杂度的要求选择合适的控制算法。PID 控制算法分为4类:比例控制、比例积分控制、比例微分控制和比例积分微分控制。每种控制算法都有其优缺点，根据适用环境选择合适的控制算法。

单独的比例控制也称“有差控制”，输出的变化与输入控制器的偏差成比例关系，偏差越大输出越大。单独的比例控制适用于扰动不大，滞后较小，负荷变化小，要求不高，允许有一定余差存在的场合。

积分控制的最大优点是消除余差，但它存在着控制不及的缺点。因为积分输出的累积是渐进的，其产生的控制作用总落后于偏差的变化，不能及时有效地克服干扰的影响，难以使控制系统稳定。所以，应用通常结合积分和比例作用，既使控制作用迅速及时，又可以消除余差。适用于被控对象变化趋势不明显的场合。

比例微分控制规律能够根据偏差的变化趋势来做出相应的控制动作，提前进行过量控制。适合于被控对象变化复杂，精度要求高的场合。微分控制器输出的大小取决于输入偏差变化的速度。微分控制的特点是:动作迅速，具有超前调节功能，可有效改善被控对象有较大时间滞后的控制品质;但它不能消除余差，尤其是对于恒定偏差输入时，就没有控制作用。因此，不能单独使用微分控制规律。

比例积分微分控制规律既有比例作用的及时迅速，又有积分作用的消除余差能力，还有微分作用的超前控制功能。当偏差阶跃出现时，微分立即大幅度动作，抑制偏差的这种跃变;比例也同时起消除偏差的作用，使偏差幅度减小。由于比例作用是持久和起主要作用的控制规律，因此可使系统比较稳定，而积分作用慢慢把余差克服掉。该系统相对比较复杂，不适合对精度要求不高的场合。

在高压共轨系统中，燃油喷射使共轨中的燃油压力变化剧烈，需要采用微分部分提前控制，减少偏差跳变。综合考虑轨压控制的要求，选择比例积分微分控制规律，以复杂控制的代价获得高控制精度和较快的响应速度。

1.3 前馈补偿

前馈控制与反馈调节原理完全不同，是按照引起被调参数变化的干扰大小进行调节的。在这种调节系统中要直接负载干扰量的变化，当干扰刚出现并能被测出时，调节器就能发出调节信号使调节量作相应的变化，使两者在被调量发生偏差之前抵消。因此，前馈调节对干扰的克服比反馈调节及时。

由于轨压控制的最终执行部件是机械部件，其存在滞后大、反馈控制不及时的问题。在此采用前馈控制提前干预，可以提高系统的响应速度。而且由于轨压控制系统的时变性强，若不加入前馈，喷嘴喷油量突增时轨压必然瞬时下降，喷油量突减时轨压会迅速升高，造成轨压控制不稳，加入前馈部分提前抵消轨压扰动，能够提高系统的稳定性。

1.4 PID 参数的优化设计

为获得良好控制效果，需要对PID 参数Kp、Ki和Kd进行整定。由于轨压控制工况种类多，轨压控制值跨度大，造成参数整定复杂，而且容易造成超调量过大，上升时间长等问题。针对这种情况，将被控对象根据目标轨压值分组，每组PID 控制只负责一个区间内的轨压控制。单个控制区间内轨压变化规律相对简单，轨压变化幅度降低，从而有效降低单组PID 参数整定复杂度，提高控制精度，缓解了在每个区间整定参数值能够降低上升时间和超调量之间的矛盾程序。本次设计针对轨压的高压、低压和一般压力条件，整定3 组PID 参数，进行优化的PID 控制。

2 控制实现

轨压控制值的计算流程如图3 所示，首先判断系统的状态，从而区分应该采用开环还是闭环控制算法。启动状态采用的开环控制算法，赋予轨压输出控制值为预定值。该预定值通过标定的IMV 阀开度计算获得，其他状态采用闭环控制算法。根据目标轨压值将控制分为3 个分支:高压、低压和一般压力。每个控制分支采用不同的前馈、比例、积分和微分控制。闭环控制的轨压输出命令值由4 部分组成:

其中，APC_KffTerm 是前馈部分;APC_KpTerm 是比例部分;APC_KiTerm 是积分部分;APC_KdTerm 是微分部分。

图3 轨压控制流程图

2.1 闭环控制

轨压的闭环控制如图4 所示，根据当前发动机工况计算目标轨压值，再和轨压反馈值相比得到轨压偏差，进而计算出需从高压泵流入共轨中的油量，通过执行部件IMV 阀实现。而实际轨压的反馈值通过轨压传感器采集到系统中，从而完成闭环控制。

轨压设定值是发动机当前工况综合计算的结果，决定因素为发动机转速、喷油量，辅助因素为环境参数，如大气压力等。计算过程如图5 所示，发动机转速和总喷油量通过查MAP 表得到轨压基本值，再加上环境修正值就获得轨压的初始设定值。大气压力修正、进气和润滑油的温度修正均通过查MAP 获得。在计算机运行过程中，查MAP 表可降低运算的时间开销。

图4 基于前馈补偿的PID 轨压控制示意图

图5 轨压设定值计算示意图

2.2 轨压输出

ETPU 是增强型时间处理单元的简称，作为智能外设和CPU 并行工作。具有4 个特点:(1)独立执行程序。(2)精确检测并记录输入事件的时机。(3)产生复杂输出波形。(4)ECU 采用ETPU 作为PWM 信号的输出控制部件完成各种方波信号的产生，能准确控制执行器在确定的时间点上长时间的工作。

本文选择ETPU 作为IMV 阀控制PWM 的输出器件。CPU 和ETPU 协作控制轨压的原理如图6 所示。CPU 将计算好的PWM 波执行时间长度、占空比等数据放在共享数据存储器(SDM)中，然后发送HSR 给ETPU对应通道，ETPU 根据SDM 的数据输出对应波形。

3 实验结果

图6 CPU 和ETPU 协作轨压控制示意图

为验证轨压控制策略的控制效果以及参数的准确性，对基于前馈补偿的的PID 控制算法的软件在台架上进行了试验。由于试验条件的限制，目前对低怠速和高怠速工况下的轨压控制效果。轨压控制值和反馈值的对比关系如图7 和图8 所示。曲线1 是轨压的控制输出值，曲线2 是轨压的反馈值。低怠速轨压控制超调量在1.5%以内;高怠速轨压控制超调量在1.7%以内。

图7 低怠速工况下轨压控制值和反馈值对比图

图8 高怠速工况下轨压控制值和反馈值对比图

4 结束语

本文基于轨压在各个阶段的控制特点和要求，设计的开环控制策略和闭环控制策略能够在对应工况下正常工作。针对开环控制标定了IMV 阀控制开度，针对闭环控制策略，标定了轨压设定值计算的MAP 表，标定了前馈、比例、积分、微分控制因子。选取了合适的硬件实现平台，实现了控制策略的软件实现，并通过ETPU 精确实现轨压控制。两种工况下的试验结果证明了控制策略的有效性。

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