船舶柴油机燃油共轨系统轨压控制研究

2014-06-27，，

船海工程 2014年6期

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(大连海事大学轮机工程学院，辽宁大连 116026)

共轨燃油系统采用电控方式控制喷油量、喷油定时，操作更灵活、精确，提高了柴油机经济性和降低了排放污染，在船舶柴油机中使用越来越普及。其中燃油共轨压力对喷油定时、喷油量有直接的影响。文献[1]建立稳态轨压仿真，没有做动态仿真；文献[2]建立了船用燃油共轨轨压动态仿真，但采用的是传统PID控制；文献[3]建立了改进的燃油系统轨压控制策略，但是应用对象是汽车，跟大型船舶共轨燃油系统不完全相同，因此，对船舶柴油机燃油共轨压力控制的进一步研究很有必要。调节轨压最简单的方式是以轨压为输入，通过PID算法直接求出供油泵齿条值的大小，它只是反馈控制，属于滞后操作，由于船舶柴油机机型大，惯性大，只靠反馈滞后操作，难以避免超调，控制效果受到限制。船用燃油共轨系统说明书指出，轨压是由供油泵的供油量来直接调节，因此在建立燃油共轨系统仿真模型的基础上，把供油量作为另一个考虑因素，采用前馈加反馈的方法来控制轨压，最后通过仿真实验验证其轨压控制效果[4]。

1 RT-flex60C燃油共轨系统模型

船用柴油机燃油共轨系统主要由燃油泵、燃油共轨、喷油器、ECU电控单元和各种传感器等组成。从控制的角度来看，本系统的核心是ECU电控单元，它控制着高压燃油泵供油量和喷油器电磁阀的开关，从而实现燃油轨压和喷油脉宽这两种关键控制功能。

以流体力学和牛顿第二定律为理论根据，建立各部件数学模型。为了计算方便，在建模过程中对该系统做如下假设：①进出口的局部损失忽略不计，不考虑系统漏泄；②不考虑摩擦阻力；③伺服轨状态瞬时达到平衡，且状态各处相等；④系统液体流动中保持温度不变，且做不可压缩非稳态流动。

1.1 喷油系统模型

喷油系统由轨阀、喷射电磁阀、喷油器和喷射控制单元ICU等组成。喷油器系统通过ICU控制，将燃油共轨60～90 MPa燃油以最佳的喷射正时、喷油脉宽喷入燃烧室。喷油量的多少与燃油共轨压力和喷油有关。其关系为

(1)

式中:Qp——喷油量；

η——喷射常数；

TWV——喷油脉宽；

pg——共轨管压力。

式(1)中喷油常数η是定值；TWV与负荷有关，在轨压一定的情况下，负荷越大，喷油脉宽越大。

1.2 燃油轨压模型

一个确定容器里，液体进入量与因压力变化引起的液体压缩量、出容器的液体量之和是等量关系。由此可以分别得到燃油轨各子系统的数学模型，下面是燃油共轨系统数学模型。

(2)

式中:E——弹性模量；

Qb——高压油泵到燃油轨的供油量;

V——燃油共轨容积。

由文献[1]知,E=11.92p+1 230，因此弹性模量可以看成只与轨压有关。

(3)

式中：A——油泵柱塞面积;

ω——凸轮轴转速;

hz——柱塞行程;

θ——凸轮轴转过的角度;

柱塞面积A是定值，柱塞运动速度由凸轮运动速度控制，而凸轮运动速度由曲轴控制，也就是由柴油机转速决定。V是燃油共轨容积，是定值。因此通过式(1)和式(2)可知，燃油轨压的决定因素是柴油机转速和喷油量。

同理可以得到其他系统数学模型。

2 轨压控制方法

图1为轨压控制方法原理图。

图1 轨压控制方法

以转速和喷油量作为前馈输入量，查表得到实时的理论油门齿条值。在反馈控制中，以轨压作为输入量，通过模糊控制，在线实时调整PID控制参数，得到反馈油门齿条量。这样前馈齿条量越准确，反馈齿条量就会越小，从而实现快速和超调量小的控制效果。

2.1 前馈控制

经前面分析得知，燃油轨压的决定因素是柴油机转速和喷油量，因此以这两个因素为输入，根据柴油机厂家提供的台架实验数据所制作的MAP表，通过插值算法，查表得到实时的理论供油齿条值。

2.2 反馈控制

通过前馈控制能快速得出理论油门齿条量，但是由于智能柴油机共轨系统较为复杂，存在一定的轨压波动，因此通过模糊控制来微调油门齿条，这样控制速度快，而且超调量小。

模糊控制采用2×3Mamdani推理系统，2个输入是e(系统误差)和ec(误差变化率)，3个输出是PID3个控制参数dkp、dki、dkd。共轨压力的变化要求在0～90 MPa之间，于是e、ec的取值范围都为[0,90]，大于90时取90。对e、ec量化后得到模糊论域为{0,1,2,3,4,5,6,7,8,9}，即他们的量化因子都为0.1。dkp、dki、dkd论域都取[0 1]。输入输出对应的语言变量e、ec和dkp、dki、dkd的语言值都为Z、S、M和B四个模糊子集。Z代表zero(零)，S代表small(小)，M代表medium(中)，B代表 big(大)。

在这个系统中，各变量的隶属函数为三角隶属函数。输出采用最大隶属度法。这样PID参数就能够实现自整定，改善了系统的调节特性。调节可以表示为

Kp=Kp(0)+pkp×dkp

(4)

Ki=Ki(0)+Pki×dki

(5)

Kd=Kd(0)+Pkd×dkd

(6)

式中:Kp(0) 、Ki(0) 、Kd(0)——PID参数的初始化值；

dkp、dki、dkd——控制器PID参数的变化值；

Pkp、Pki、Pkd——dkp、dki、dkd的量化因子。

轨压的模糊逻辑控制见图2；输入输出的隶属度函数见图3、4；控制参数的输出见图5。

图2 共轨压力FIS

图3 e和ec隶属度函数

图4 Kp、Ki、Kd的隶属度函数

图5 控制参数输出

3 仿真模型

根据RT-flex60C机器结构特点和工作原理，把燃油系统仿真模型划分为ECU控制单元和燃油共轨系统单元，在数学模型的基础上，通过Matlab/Simulink仿真软件建立各系统仿真模型，并对各子系统进行封装，总仿真模型见图6。

图6 共轨燃油系统仿真模型

封装的ECU模块见图7，包括目标轨压查表模块、轨压模糊控制模块(得到反馈油门齿条值ymfk)、理论油门齿条查表模块(ymct)、喷油脉宽查表模块(TWV)；根据柴油机转速和喷油量查表得到的前馈油门齿条值越准确，反馈油门齿条值越小，轨压控制就越稳定。

图7 ECU控制模块

燃油共轨系统模型见图8，它包括凸轮、高压油泵、燃油共轨、汽缸等模块。燃油共轨压力计算模块见图9。

图8 燃油共轨系统模块

图9 燃油共轨压力计算模块

4 仿真实验与分析

仿真时MATLAB /Simulink 采用 ode4算法，步长为0.003。燃油共轨管与中间储油器容积分别为0.50 m3和0.25 m3。稳态时柴油机负荷设置为99.9%，转速为114 r/min；动态时柴油机负荷从50%变到100%，转速从91变到114 r/min。分别采用传统PID控制和本文改进后的前馈加反馈模糊PID控制策略做仿真实验。以下是实验的结果。

柴油机负荷和转速变化时，轨压的动态控制效果对比见图10。从中可以看出控制方法改进后，轨压力为60～90 MPa的响应时间减少,压力跟随速度加快；传统PID控制在轨压转换时有一定超调量，改进控制后，通过查表得到了精确的预控量，再通过模糊PID控制的优化作用，使反馈控制更精准，因此超调量很小，轨压波动也减小，这样非常有利于柴油机的稳定运行[5]。

图10 动态轨压仿真曲线

稳态轨压控制情况见图11，12。稳态时只有模糊PID反馈控制起作用。从图11可知，负荷50%、转速91 r/min时传统PID控制轨压波动在1.16 MPa左右，改进后轨压波动小于0.11 MPa。由图12可知，负荷越高，轨压越大，轨压波动也加大，但是一种收敛性波动；控制方法改进后，轨压波动小于0.19 MPa,从表1可以看出波动量远小于5%，满足实际情况的需求。