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(大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院,遼寧 大連 116026)
共軌燃油系統(tǒng)采用電控方式控制噴油量、噴油定時(shí),操作更靈活、精確,提高了柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性和降低了排放污染,在船舶柴油機(jī)中使用越來(lái)越普及。其中燃油共軌壓力對(duì)噴油定時(shí)、噴油量有直接的影響。文獻(xiàn)[1]建立穩(wěn)態(tài)軌壓仿真,沒(méi)有做動(dòng)態(tài)仿真;文獻(xiàn)[2]建立了船用燃油共軌軌壓動(dòng)態(tài)仿真,但采用的是傳統(tǒng)PID控制;文獻(xiàn)[3]建立了改進(jìn)的燃油系統(tǒng)軌壓控制策略,但是應(yīng)用對(duì)象是汽車(chē),跟大型船舶共軌燃油系統(tǒng)不完全相同,因此,對(duì)船舶柴油機(jī)燃油共軌壓力控制的進(jìn)一步研究很有必要。調(diào)節(jié)軌壓最簡(jiǎn)單的方式是以軌壓為輸入,通過(guò)PID算法直接求出供油泵齒條值的大小,它只是反饋控制,屬于滯后操作,由于船舶柴油機(jī)機(jī)型大,慣性大,只靠反饋滯后操作,難以避免超調(diào),控制效果受到限制。船用燃油共軌系統(tǒng)說(shuō)明書(shū)指出,軌壓是由供油泵的供油量來(lái)直接調(diào)節(jié),因此在建立燃油共軌系統(tǒng)仿真模型的基礎(chǔ)上,把供油量作為另一個(gè)考慮因素,采用前饋加反饋的方法來(lái)控制軌壓,最后通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其軌壓控制效果[4]。
船用柴油機(jī)燃油共軌系統(tǒng)主要由燃油泵、燃油共軌、噴油器、ECU電控單元和各種傳感器等組成。從控制的角度來(lái)看,本系統(tǒng)的核心是ECU電控單元,它控制著高壓燃油泵供油量和噴油器電磁閥的開(kāi)關(guān),從而實(shí)現(xiàn)燃油軌壓和噴油脈寬這兩種關(guān)鍵控制功能。
以流體力學(xué)和牛頓第二定律為理論根據(jù),建立各部件數(shù)學(xué)模型。為了計(jì)算方便,在建模過(guò)程中對(duì)該系統(tǒng)做如下假設(shè):①進(jìn)出口的局部損失忽略不計(jì),不考慮系統(tǒng)漏泄;②不考慮摩擦阻力;③伺服軌狀態(tài)瞬時(shí)達(dá)到平衡,且狀態(tài)各處相等;④系統(tǒng)液體流動(dòng)中保持溫度不變,且做不可壓縮非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。
噴油系統(tǒng)由軌閥、噴射電磁閥、噴油器和噴射控制單元ICU等組成。噴油器系統(tǒng)通過(guò)ICU控制,將燃油共軌60~90 MPa燃油以最佳的噴射正時(shí)、噴油脈寬噴入燃燒室。噴油量的多少與燃油共軌壓力和噴油有關(guān)。其關(guān)系為
(1)
式中:Qp——噴油量;
η——噴射常數(shù);
TWV——噴油脈寬;
pg——共軌管壓力。
式(1)中噴油常數(shù)η是定值;TWV與負(fù)荷有關(guān),在軌壓一定的情況下,負(fù)荷越大,噴油脈寬越大。
一個(gè)確定容器里,液體進(jìn)入量與因壓力變化引起的液體壓縮量、出容器的液體量之和是等量關(guān)系。由此可以分別得到燃油軌各子系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,下面是燃油共軌系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。
(2)
式中:E——彈性模量;
Qb——高壓油泵到燃油軌的供油量;
V——燃油共軌容積。
由文獻(xiàn)[1]知,E=11.92p+1 230,因此彈性模量可以看成只與軌壓有關(guān)。
(3)
式中:A——油泵柱塞面積;
ω——凸輪軸轉(zhuǎn)速;
hz——柱塞行程;
θ——凸輪軸轉(zhuǎn)過(guò)的角度;
柱塞面積A是定值,柱塞運(yùn)動(dòng)速度由凸輪運(yùn)動(dòng)速度控制,而凸輪運(yùn)動(dòng)速度由曲軸控制,也就是由柴油機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)Q定。V是燃油共軌容積,是定值。因此通過(guò)式(1)和式(2)可知,燃油軌壓的決定因素是柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和噴油量。
同理可以得到其他系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。
圖1為軌壓控制方法原理圖。
圖1 軌壓控制方法
以轉(zhuǎn)速和噴油量作為前饋輸入量,查表得到實(shí)時(shí)的理論油門(mén)齒條值。在反饋控制中,以軌壓作為輸入量,通過(guò)模糊控制,在線(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)整PID控制參數(shù),得到反饋油門(mén)齒條量。這樣前饋齒條量越準(zhǔn)確,反饋齒條量就會(huì)越小,從而實(shí)現(xiàn)快速和超調(diào)量小的控制效果。
經(jīng)前面分析得知,燃油軌壓的決定因素是柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和噴油量,因此以這兩個(gè)因素為輸入,根據(jù)柴油機(jī)廠家提供的臺(tái)架實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所制作的MAP表,通過(guò)插值算法,查表得到實(shí)時(shí)的理論供油齒條值。
通過(guò)前饋控制能快速得出理論油門(mén)齒條量,但是由于智能柴油機(jī)共軌系統(tǒng)較為復(fù)雜,存在一定的軌壓波動(dòng),因此通過(guò)模糊控制來(lái)微調(diào)油門(mén)齒條,這樣控制速度快,而且超調(diào)量小。
模糊控制采用2×3Mamdani推理系統(tǒng),2個(gè)輸入是e(系統(tǒng)誤差)和ec(誤差變化率),3個(gè)輸出是PID3個(gè)控制參數(shù)dkp、dki、dkd。共軌壓力的變化要求在0~90 MPa之間,于是e、ec的取值范圍都為[0,90],大于90時(shí)取90。對(duì)e、ec量化后得到模糊論域?yàn)閧0,1,2,3,4,5,6,7,8,9},即他們的量化因子都為0.1。dkp、dki、dkd論域都取[0 1]。輸入輸出對(duì)應(yīng)的語(yǔ)言變量e、ec和dkp、dki、dkd的語(yǔ)言值都為Z、S、M和B四個(gè)模糊子集。Z代表zero(零),S代表small(小),M代表medium(中),B代表 big(大)。
在這個(gè)系統(tǒng)中,各變量的隸屬函數(shù)為三角隸屬函數(shù)。輸出采用最大隸屬度法。這樣PID參數(shù)就能夠?qū)崿F(xiàn)自整定,改善了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)特性。調(diào)節(jié)可以表示為
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參數(shù)的初始化值;
dkp、dki、dkd——控制器PID參數(shù)的變化值;
Pkp、Pki、Pkd——dkp、dki、dkd的量化因子。
軌壓的模糊邏輯控制見(jiàn)圖2;輸入輸出的隸屬度函數(shù)見(jiàn)圖3、4;控制參數(shù)的輸出見(jiàn)圖5。
圖2 共軌壓力FIS
圖3 e和ec隸屬度函數(shù)
圖4 Kp、Ki、Kd的隸屬度函數(shù)
圖5 控制參數(shù)輸出
根據(jù)RT-flex60C機(jī)器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理,把燃油系統(tǒng)仿真模型劃分為ECU控制單元和燃油共軌系統(tǒng)單元,在數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,通過(guò)Matlab/Simulink仿真軟件建立各系統(tǒng)仿真模型,并對(duì)各子系統(tǒng)進(jìn)行封裝,總仿真模型見(jiàn)圖6。
圖6 共軌燃油系統(tǒng)仿真模型
封裝的ECU模塊見(jiàn)圖7,包括目標(biāo)軌壓查表模塊、軌壓模糊控制模塊(得到反饋油門(mén)齒條值ymfk)、理論油門(mén)齒條查表模塊(ymct)、噴油脈寬查表模塊(TWV);根據(jù)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和噴油量查表得到的前饋油門(mén)齒條值越準(zhǔn)確,反饋油門(mén)齒條值越小,軌壓控制就越穩(wěn)定。
圖7 ECU控制模塊
燃油共軌系統(tǒng)模型見(jiàn)圖8,它包括凸輪、高壓油泵、燃油共軌、汽缸等模塊。燃油共軌壓力計(jì)算模塊見(jiàn)圖9。
圖8 燃油共軌系統(tǒng)模塊
圖9 燃油共軌壓力計(jì)算模塊
仿真時(shí)MATLAB /Simulink 采用 ode4算法,步長(zhǎng)為0.003。燃油共軌管與中間儲(chǔ)油器容積分別為0.50 m3和0.25 m3。穩(wěn)態(tài)時(shí)柴油機(jī)負(fù)荷設(shè)置為99.9%,轉(zhuǎn)速為114 r/min;動(dòng)態(tài)時(shí)柴油機(jī)負(fù)荷從50%變到100%,轉(zhuǎn)速?gòu)?1變到114 r/min。分別采用傳統(tǒng)PID控制和本文改進(jìn)后的前饋加反饋模糊PID控制策略做仿真實(shí)驗(yàn)。以下是實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。
柴油機(jī)負(fù)荷和轉(zhuǎn)速變化時(shí),軌壓的動(dòng)態(tài)控制效果對(duì)比見(jiàn)圖10。從中可以看出控制方法改進(jìn)后,軌壓力為60~90 MPa的響應(yīng)時(shí)間減少,壓力跟隨速度加快;傳統(tǒng)PID控制在軌壓轉(zhuǎn)換時(shí)有一定超調(diào)量,改進(jìn)控制后,通過(guò)查表得到了精確的預(yù)控量,再通過(guò)模糊PID控制的優(yōu)化作用,使反饋控制更精準(zhǔn),因此超調(diào)量很小,軌壓波動(dòng)也減小,這樣非常有利于柴油機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行[5]。
圖10 動(dòng)態(tài)軌壓仿真曲線(xiàn)
穩(wěn)態(tài)軌壓控制情況見(jiàn)圖11,12。穩(wěn)態(tài)時(shí)只有模糊PID反饋控制起作用。從圖11可知,負(fù)荷50%、轉(zhuǎn)速91 r/min時(shí)傳統(tǒng)PID控制軌壓波動(dòng)在1.16 MPa左右,改進(jìn)后軌壓波動(dòng)小于0.11 MPa。由圖12可知,負(fù)荷越高,軌壓越大,軌壓波動(dòng)也加大,但是一種收斂性波動(dòng);控制方法改進(jìn)后,軌壓波動(dòng)小于0.19 MPa,從表1可以看出波動(dòng)量遠(yuǎn)小于5%,滿(mǎn)足實(shí)際情況的需求。
圖11 負(fù)荷50%、轉(zhuǎn)速91 r/min時(shí)軌壓仿真情況
圖12 負(fù)荷100%、轉(zhuǎn)速114 r/min時(shí)軌壓仿真情況
負(fù)荷/%轉(zhuǎn)速/(r·min-1)軌壓值/MPa臺(tái)架數(shù)據(jù)傳統(tǒng)PID控制軌壓波動(dòng)改進(jìn)控制軌壓波動(dòng)50100911146089.991.161.630.110.19
仿真實(shí)驗(yàn)表明,改進(jìn)控制方法后,穩(wěn)態(tài)軌壓、動(dòng)態(tài)軌壓波動(dòng)都減少,響應(yīng)時(shí)間加快,證明了改進(jìn)方法的有效性。
[1] 沈蘇海,吳培莉,趙 輝.船舶電控柴油機(jī)燃油共軌系統(tǒng)的建模與仿真[J].上海海事大學(xué)學(xué)報(bào),2013,34(1):36-40.
[2] 王永堅(jiān),楊國(guó)豪,李斯欽.船用電控柴油機(jī)燃油共軌系統(tǒng)與軌壓力仿真[J].中國(guó)航海,2013,36(2):22-27.
[3] 仇 滔,雷 艷,彭 憬,等.高壓共軌燃油系統(tǒng)軌壓控制策略研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程,2013,34(2):83-87.
[4] 陳銘治,郭慧茹,王海燕,等.船用二沖程高壓共軌電控柴油機(jī)的運(yùn)行仿真[J].上海海事大學(xué)學(xué)報(bào),2013,34(1):41-44.
[5] 平 濤,徐建新,方文超,等.船用柴油機(jī)高壓共軌系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性研究[J].船舶工程,2009,31(3):7-10.