模糊算法对柴油机电控共轨燃油系统轨压控制的影响

刘琦

摘要：为了改善柴油机缸内燃烧效果，提高电控共轨系统压力控制精度，利用SIMULINK软件设计了鲁棒性较强的模糊-PID联合控制器，针对电控高压共轨燃油喷射系统的特点建立了仿真模型，模拟计算了模糊-PID联合控制器对共轨压力波动的控制过程，利用试验对仿真结果进行了验证，并探究了标准PID和模糊-PID两种控制器的优越性。结果表明：模糊-PID联合控制器具有良好的稳压作用，显著提高了共轨系统的灵敏程度，且设计参数的选择和匹配合理可行。同标准PID控制器相比，模糊-PID联合控制器的误差小，控制精度高。

关键词：模糊-PID联合控制器;电控共轨系统;柴油机;压力控制

Abstract： In order to optimize the in-cylinder combustion effect of diesel engine， improve the pressure control precision of the electronic controlled common rail system， the fuzzy-PID joint controller with strong robustness was designed by using SIMULINK software and the simulation model was established according to the characteristics of electronic controlled common rail system. The control process of the fuzzy-PID joint controller to the pressure fluctuation of common rail was simulated and calculated. The simulation results were verified by experiments， and the advantages of the standard PID control algorithm and the fuzzy-PID joint control algorithm were explored. The results show that the fuzzy-PID joint controller has a good voltage stabilizing effect and improves the sensitivity of the common rail system significantly， and the selection and matching of the design parameters are reasonable and feasible. Compared with the standard PID controller， the error of fuzzy-PID joint controller is smaller and the control precision is higher.

Key words： fuzzy-PID joint controller;electronic controlled common rail system;diesel engine;pressure control

0  引言

随着经济高速发展导致地球能源的不断消耗以及我们赖以生存的自然环境受到各个方面的持续污染，世界各国对柴油机高效率低排放的要求变得愈发迫切。电控高压共轨系统通过较高的燃油喷射压力和灵活可控的喷油时序，使柴油机在经济性和动力性方面表现出了极大的优越性，越来越受到内燃机领域内研究者们的关注。随着电控共轨技术的发展，共轨压力正呈现出进一步提高的趋势，且较高的共轨压力会产生较大的轨压波动，直接影响燃油流量的精确计量。因此，对共轨系统的压力进行准确控制是十分必要的。

目前柴油機共轨系统的压力调节主要采用标准PID控制器，它的原理是当柴油机在循环工作过程中，利用若干已经赋值且不会变化的参数来描述柴油机的多种工况，如果运行工况变化时间较短，变化范围较小，可以获得较为精准的控制效果，然而柴油机实际的工作过程要复杂得多，精准控制的难度较大。模糊-PID联合控制器兼具了模糊算法和PID算法的优势，具有抗干扰性强、灵敏程度高、适用范围广等特点，可以满足电控共轨系统对压力波动控制的要求。本文针对电控高压共轨柴油机的特点建立了仿真模型，计算分析了模糊-PID联合控制器对共轨压力波动的控制过程，同时探究了标准PID和模糊-PID两种控制器的优越性。

1  数学模型

1.1 柱塞腔内燃油连续方程

柱塞套保留进油孔，柱塞腔通过单向阀与共轨管连接，可列出柱塞腔内的连续方程：

式中：Qp—柱塞瞬时压入流量;Qvp—柱塞腔压力变化引起的压缩油量变化率;Qp→pa2—柱塞泵腔向单向阀流量;QLP—柱塞腔泄漏流量;Qp0—流到低压油道的流量。

1.2 柱塞运动方程

式中，np—油泵转速;？覫—油泵的凸轮转角。

1.3 单向阀数学模型

单向阀的球阀运动方程为：

式中：mD—球阀的质量;Ad1—单向阀进口的截面积;Pp—供油泵腔内的压力;Pa2—单向阀腔内的燃油压力;k—弹簧刚度;x—球阀的位移;x0—弹簧预紧量;cx—迎面系数。

1.4 共轨管内燃油连续方程

式中：Vrail—共轨管的容积;Qrail→N—共轨管至喷油嘴腔的流量;Qrail→b—共轨管至控制腔的流量;Qrail→Y—共轨管至溢流阀腔的流量。

1.5 喷油嘴腔内燃油连续方程

式中：FN—针阀截面积;hN—针阀升程;dhN/dt—针阀速度;VN—喷油嘴腔集中容积;Qnj—喷油嘴腔至压力室的流量;VNt—针阀锥部的容积;dVNt/dt—针阀锥部引起的容积变化率。

1.6 压力室内燃油连续方程

1.7 控制腔燃油连续方程

2  仿真模型

利用Simulink搭建了柴油机电控共轨燃油系统的仿真模型。进油量调节法原理如图1所示，在柱塞下行的吸油行程中，PCV阀在弹簧的作用下打开;在柱塞泵上行的压油行程中，ECU在适当的相位关闭PCV阀，从而可以灵活调节供油量，实现对共轨压力的控制。

模糊控制器采用非线性控制方法，对于无法精确建模的对象可以利用人们的经验知识来搭建模块，具有内在的并行处理机制，表现出极强的鲁棒性，可以有效解决上述问题。模糊-PID联合控制器原理如图2所示。整个电控高压共轨系统仿真模型如图3所示。

3  结果分析

基于所建立的仿真模型，对电控高压共轨系统过渡状态和稳态下各个腔室的压力及运动件状态进行模拟计算，得出控制响应曲线、针阀腔压力曲线、单向阀运动曲线、喷油率曲线、电流变化曲线、理想电压曲线、柱塞腔压力曲线等，具体如图4-图16。

从柱塞腔压力曲线可以看出，在初期有一个压力的阶跃升高。这主要是由于柱塞运动较快，而单向阀因惯性作用延迟了开启时间，造成了燃油的压缩，形成了压力的升高。

从图5和图7中可以看出，当共轨压力发生变化时，针阀腔压力和喷油率出现了不稳定的波动。而从单周期喷油规律曲线可以看出，其变化不大，说明模糊-PID联合控制器具有良好的稳压作用。

从图10和图15中可以看出，电磁铁和针阀响应速度较快，说明模糊-PID联合控制器显著提高了共轨系统的灵敏程度，且设计参数的选择和匹配合理可行。

从控制效果局部放大图可以看出，两种控制方法的响应速度存在一定差距，模糊-PID联合控制器的稳态控制误差明显小于标准PID控制。这主要是因为模糊-PID联合控制器兼顾了两种控制的优点，显著提高了整个系统的控制精度。

4  试验验证

为了验证仿真结果的准确性，搭建了电控高压共轨燃油喷射系统试验台架，如图17。对模糊-PID联合控制器的压力控制过程进行了试验测试，试验与仿真结果对比如图18所示。可以看出，在整个控制过程中共轨腔内压力波动的仿真值与试验值基本一致，仅在压力由最大值变化为稳定值的下降通道内存在微小的差异。说明所搭建的仿真模型具有较高的精度，可以模拟实际情况。

5  结论

①综合利用机理建模的手段，针对电控高压共轨柴油机的特点建立了SIMULINK仿真模型，通过计算结果分析了模糊-PID控制器对电控高压共轨系统的压力波动控制过程。②模糊-PID联合控制器具有良好的稳压作用，显著提高了共轨系统的灵敏程度，且设计参数的选择和匹配合理可行。③基于标准PID控制器和模糊-PID联合控制器的优越性进行了仿真分析，结果显示模糊-PID联合控制器的误差小，控制精度高。

参考文献：

[1]郭修其，周文华，郑朝武.基于自动代码生成的共轨压力控制策略[J].浙江大学学报，2011，45（8）：1441-1445.

[2]Knight A， Crossley S， Draper D E. Development of high pressure common rail systems incorporating advanced electronic control strategies for future heavy duty vehicles [C]. 33rd International Vienna Motor Symposium， 2012.

[3]任卫军，祁琳娜.基于遗传算法非线性PID的柴油机共轨压力控制[J].计算机测量与控制，2014，22（5）：1422-1425.

[4]F. Yan J W. Common rail injection system iterative learning control based parameter calibration for accurate fuel injection quantity control[J]. International Journal of Automotive Technology， 2011， 12（2）：149-157.

[5]郭海涛.高压共轨系统喷油规律与控制策略研究[J].上海交通大学学报，2007，36（4）：125-127.

[6]Macian V， Payri R， Ruiz S， et al. Experimental study of the relationship between injection rate shape and diesel ignition using a novel piezo-actuated direct acting injector[J]. Applied Energy， 2014， 118（1）： 100-113.

[7]Koci C， Martin G， Tim B， et al. The influence of diesel end-of-injection rate shape on combustion recession[J]. SAE International Journal of Engines， 2015， 8（2）： 647-659.

[8]任衛军，贺昱曜，张卫钢.柴油机共轨压力模糊自适应PID控制研究[J].计算机工程与应用，2010，46（2）：209-212.

[9]金江善，平涛，凌励逊.柴油机高压共轨燃油喷射系统共轨压力控制技术研究[J].柴油机，2006，28（3）：5-7.

[10]Benajes J， Payri R， Molina S， et al. Investigation of the influence of injection rate shaping on the spray characteristics in a diesel common rail system equipped with a piston amplifier[J]. Journal of fluids Engineering， 2005，127（6）： 1102-1110.

[11]Leonhard R， Parche M， Alvarez-Avila C， et al. Pressure-amplified common rail system for commercial vehicles[J]. MTZ， 2009，70（5）： 10-15.

[12]Luckhchoura V， Peters N， Diwakar R. Computational analysis of injection-rate shapes in a small-bore direct-injection diesel engine[J]. International Journal of Engine Research， 2011， 12（2）： 145-168.

[13]王军，张幽彤，仇滔，等.柴油机高压共轨压力控制的动态仿真与分析[J].系统仿真学报，2009，21（9）：2492-2495.