劉琦

摘要：為了改善柴油機缸內(nèi)燃燒效果，提高電控共軌系統(tǒng)壓力控制精度，利用SIMULINK軟件設(shè)計了魯棒性較強的模糊-PID聯(lián)合控制器，針對電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的特點建立了仿真模型，模擬計算了模糊-PID聯(lián)合控制器對共軌壓力波動的控制過程，利用試驗對仿真結(jié)果進行了驗證，并探究了標(biāo)準(zhǔn)PID和模糊-PID兩種控制器的優(yōu)越性。結(jié)果表明：模糊-PID聯(lián)合控制器具有良好的穩(wěn)壓作用，顯著提高了共軌系統(tǒng)的靈敏程度，且設(shè)計參數(shù)的選擇和匹配合理可行。同標(biāo)準(zhǔn)PID控制器相比，模糊-PID聯(lián)合控制器的誤差小，控制精度高。

關(guān)鍵詞：模糊-PID聯(lián)合控制器;電控共軌系統(tǒng);柴油機;壓力控制

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

隨著經(jīng)濟高速發(fā)展導(dǎo)致地球能源的不斷消耗以及我們賴以生存的自然環(huán)境受到各個方面的持續(xù)污染，世界各國對柴油機高效率低排放的要求變得愈發(fā)迫切。電控高壓共軌系統(tǒng)通過較高的燃油噴射壓力和靈活可控的噴油時序，使柴油機在經(jīng)濟性和動力性方面表現(xiàn)出了極大的優(yōu)越性，越來越受到內(nèi)燃機領(lǐng)域內(nèi)研究者們的關(guān)注。隨著電控共軌技術(shù)的發(fā)展，共軌壓力正呈現(xiàn)出進一步提高的趨勢，且較高的共軌壓力會產(chǎn)生較大的軌壓波動，直接影響燃油流量的精確計量。因此，對共軌系統(tǒng)的壓力進行準(zhǔn)確控制是十分必要的。

目前柴油機共軌系統(tǒng)的壓力調(diào)節(jié)主要采用標(biāo)準(zhǔn)PID控制器，它的原理是當(dāng)柴油機在循環(huán)工作過程中，利用若干已經(jīng)賦值且不會變化的參數(shù)來描述柴油機的多種工況，如果運行工況變化時間較短，變化范圍較小，可以獲得較為精準(zhǔn)的控制效果，然而柴油機實際的工作過程要復(fù)雜得多，精準(zhǔn)控制的難度較大。模糊-PID聯(lián)合控制器兼具了模糊算法和PID算法的優(yōu)勢，具有抗干擾性強、靈敏程度高、適用范圍廣等特點，可以滿足電控共軌系統(tǒng)對壓力波動控制的要求。本文針對電控高壓共軌柴油機的特點建立了仿真模型，計算分析了模糊-PID聯(lián)合控制器對共軌壓力波動的控制過程，同時探究了標(biāo)準(zhǔn)PID和模糊-PID兩種控制器的優(yōu)越性。

1? 數(shù)學(xué)模型

1.1 柱塞腔內(nèi)燃油連續(xù)方程

柱塞套保留進油孔，柱塞腔通過單向閥與共軌管連接，可列出柱塞腔內(nèi)的連續(xù)方程：

式中：Qp—柱塞瞬時壓入流量;Qvp—柱塞腔壓力變化引起的壓縮油量變化率;Qp→pa2—柱塞泵腔向單向閥流量;QLP—柱塞腔泄漏流量;Qp0—流到低壓油道的流量。

1.2 柱塞運動方程

式中，np—油泵轉(zhuǎn)速;？覫—油泵的凸輪轉(zhuǎn)角。

1.3 單向閥數(shù)學(xué)模型

單向閥的球閥運動方程為：

式中：mD—球閥的質(zhì)量;Ad1—單向閥進口的截面積;Pp—供油泵腔內(nèi)的壓力;Pa2—單向閥腔內(nèi)的燃油壓力;k—彈簧剛度;x—球閥的位移;x0—彈簧預(yù)緊量;cx—迎面系數(shù)。

1.4 共軌管內(nèi)燃油連續(xù)方程

式中：Vrail—共軌管的容積;Qrail→N—共軌管至噴油嘴腔的流量;Qrail→b—共軌管至控制腔的流量;Qrail→Y—共軌管至溢流閥腔的流量。

1.5 噴油嘴腔內(nèi)燃油連續(xù)方程

式中：FN—針閥截面積;hN—針閥升程;dhN/dt—針閥速度;VN—噴油嘴腔集中容積;Qnj—噴油嘴腔至壓力室的流量;VNt—針閥錐部的容積;dVNt/dt—針閥錐部引起的容積變化率。

1.6 壓力室內(nèi)燃油連續(xù)方程

1.7 控制腔燃油連續(xù)方程

2? 仿真模型

利用Simulink搭建了柴油機電控共軌燃油系統(tǒng)的仿真模型。進油量調(diào)節(jié)法原理如圖1所示，在柱塞下行的吸油行程中，PCV閥在彈簧的作用下打開;在柱塞泵上行的壓油行程中，ECU在適當(dāng)?shù)南辔魂P(guān)閉PCV閥，從而可以靈活調(diào)節(jié)供油量，實現(xiàn)對共軌壓力的控制。

模糊控制器采用非線性控制方法，對于無法精確建模的對象可以利用人們的經(jīng)驗知識來搭建模塊，具有內(nèi)在的并行處理機制，表現(xiàn)出極強的魯棒性，可以有效解決上述問題。模糊-PID聯(lián)合控制器原理如圖2所示。整個電控高壓共軌系統(tǒng)仿真模型如圖3所示。

3? 結(jié)果分析

基于所建立的仿真模型，對電控高壓共軌系統(tǒng)過渡狀態(tài)和穩(wěn)態(tài)下各個腔室的壓力及運動件狀態(tài)進行模擬計算，得出控制響應(yīng)曲線、針閥腔壓力曲線、單向閥運動曲線、噴油率曲線、電流變化曲線、理想電壓曲線、柱塞腔壓力曲線等，具體如圖4-圖16。

從柱塞腔壓力曲線可以看出，在初期有一個壓力的階躍升高。這主要是由于柱塞運動較快，而單向閥因慣性作用延遲了開啟時間，造成了燃油的壓縮，形成了壓力的升高。

從圖5和圖7中可以看出，當(dāng)共軌壓力發(fā)生變化時，針閥腔壓力和噴油率出現(xiàn)了不穩(wěn)定的波動。而從單周期噴油規(guī)律曲線可以看出，其變化不大，說明模糊-PID聯(lián)合控制器具有良好的穩(wěn)壓作用。

從圖10和圖15中可以看出，電磁鐵和針閥響應(yīng)速度較快，說明模糊-PID聯(lián)合控制器顯著提高了共軌系統(tǒng)的靈敏程度，且設(shè)計參數(shù)的選擇和匹配合理可行。

從控制效果局部放大圖可以看出，兩種控制方法的響應(yīng)速度存在一定差距，模糊-PID聯(lián)合控制器的穩(wěn)態(tài)控制誤差明顯小于標(biāo)準(zhǔn)PID控制。這主要是因為模糊-PID聯(lián)合控制器兼顧了兩種控制的優(yōu)點，顯著提高了整個系統(tǒng)的控制精度。

4? 試驗驗證

為了驗證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，搭建了電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)試驗臺架，如圖17。對模糊-PID聯(lián)合控制器的壓力控制過程進行了試驗測試，試驗與仿真結(jié)果對比如圖18所示?？梢钥闯?，在整個控制過程中共軌腔內(nèi)壓力波動的仿真值與試驗值基本一致，僅在壓力由最大值變化為穩(wěn)定值的下降通道內(nèi)存在微小的差異。說明所搭建的仿真模型具有較高的精度，可以模擬實際情況。

5? 結(jié)論

①綜合利用機理建模的手段，針對電控高壓共軌柴油機的特點建立了SIMULINK仿真模型，通過計算結(jié)果分析了模糊-PID控制器對電控高壓共軌系統(tǒng)的壓力波動控制過程。②模糊-PID聯(lián)合控制器具有良好的穩(wěn)壓作用，顯著提高了共軌系統(tǒng)的靈敏程度，且設(shè)計參數(shù)的選擇和匹配合理可行。③基于標(biāo)準(zhǔn)PID控制器和模糊-PID聯(lián)合控制器的優(yōu)越性進行了仿真分析，結(jié)果顯示模糊-PID聯(lián)合控制器的誤差小，控制精度高。

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