李 娟

(中航工業(yè)西安航空計算技術(shù)研究所 第18 研究室，陜西 西安 710119)

高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)是上世紀(jì)90 年代后期推向市場的一項柴油機電控技術(shù)，其最大特點是分離控制燃油噴射和油軌壓力。靈活可控的噴油規(guī)律能夠優(yōu)化燃燒、降低排放，還可提高燃油經(jīng)濟(jì)性、減少噪聲，是滿足歐Ⅲ、歐Ⅳ，甚至歐Ⅴ排放法規(guī)柴油機的理想電控燃油噴射系統(tǒng)。

經(jīng)十幾年的發(fā)展，目前該項技術(shù)已經(jīng)成熟，并被廣泛應(yīng)用在車、船等發(fā)動機系統(tǒng)上。然而國內(nèi)在該方面的技術(shù)和國際水平差距較大，目前尚處于起步階段，雖然有一些企業(yè)和高校己經(jīng)進(jìn)行過共軌燃油噴射系統(tǒng)的研究，但總體來看，在該領(lǐng)域，國內(nèi)還停留在研究階段，離產(chǎn)品化還有較大差距。本文針對某6 缸高壓共軌燃油系統(tǒng)，設(shè)計高壓共軌關(guān)鍵技術(shù)軌壓控制策略。研究了軌壓控制工況，分析了各階段軌壓模型的特點，優(yōu)化設(shè)計軌壓控制設(shè)計，并自主實現(xiàn)了軌壓控制策略。

1 軌壓控制策略的設(shè)計

在發(fā)動機的整個運行周期內(nèi)，可被分為起動、低怠速、調(diào)速、高怠速、和跛行回家5 種狀態(tài)。

1.1 開環(huán)軌壓控制

在啟動階段軌壓目標(biāo)值和傳感器采集值數(shù)值差距大，軌壓需要迅速提升，適合采用開環(huán)軌壓控制方法。既能夠快速建立軌壓，又不會因控制精度不夠而影響噴油輸出。啟動階段的控制過程如圖1 所示，根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速判斷當(dāng)前的發(fā)動機狀態(tài)，并根據(jù)標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行控制計算，輸出控制量到IMV 閥決定其開度，即從高壓油泵流入共軌管中的燃油流速，進(jìn)而控制實際軌壓值。該階段軌壓傳感器的反饋值不作為控制的輸入量，只作為啟動狀態(tài)的判定條件之一。當(dāng)實際軌壓達(dá)到預(yù)期目標(biāo)時，系統(tǒng)退出開環(huán)控制狀態(tài)。

圖1 啟動狀態(tài)軌壓開環(huán)控制示意圖

在啟動階段，不僅要考慮軌壓的迅速建立問題，還應(yīng)考慮軌壓的平穩(wěn)上升問題。由于開環(huán)控制采用固定IMV 閥開度的方法，使共軌中的燃油逐步增加進(jìn)而提升共軌壓力。因此，為了防止共軌壓力過沖，高壓油泵的泵油量要按照所配高壓油泵的物理特性決定，該部分通過實驗取得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

1.2 閉環(huán)軌壓控制

在其他4 個階段，雖然目標(biāo)軌壓和傳感器采集軌壓值變化幅度較小，但軌壓控制的精度和穩(wěn)定性要求較高，因此適合采用閉環(huán)控制方法。如圖2 所示，閉環(huán)控制能夠獲得被控制量和規(guī)定值的偏差，及時產(chǎn)生相應(yīng)的控制作用消除偏差。

圖2 軌壓閉環(huán)控制示意圖

目前PID 控制以其良好的控制精度和跟隨性，在控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而，并不是針對所用的應(yīng)用場合，都采用相同的PID 控制算法。應(yīng)該根據(jù)目標(biāo)控制對象對控制精度、跟隨性、超調(diào)量、以及控制復(fù)雜度的要求選擇合適的控制算法。PID 控制算法分為4類:比例控制、比例積分控制、比例微分控制和比例積分微分控制。每種控制算法都有其優(yōu)缺點，根據(jù)適用環(huán)境選擇合適的控制算法。

單獨的比例控制也稱“有差控制”，輸出的變化與輸入控制器的偏差成比例關(guān)系，偏差越大輸出越大。單獨的比例控制適用于擾動不大，滯后較小，負(fù)荷變化小，要求不高，允許有一定余差存在的場合。

積分控制的最大優(yōu)點是消除余差，但它存在著控制不及的缺點。因為積分輸出的累積是漸進(jìn)的，其產(chǎn)生的控制作用總落后于偏差的變化，不能及時有效地克服干擾的影響，難以使控制系統(tǒng)穩(wěn)定。所以，應(yīng)用通常結(jié)合積分和比例作用，既使控制作用迅速及時，又可以消除余差。適用于被控對象變化趨勢不明顯的場合。

比例微分控制規(guī)律能夠根據(jù)偏差的變化趨勢來做出相應(yīng)的控制動作，提前進(jìn)行過量控制。適合于被控對象變化復(fù)雜，精度要求高的場合。微分控制器輸出的大小取決于輸入偏差變化的速度。微分控制的特點是:動作迅速，具有超前調(diào)節(jié)功能，可有效改善被控對象有較大時間滯后的控制品質(zhì);但它不能消除余差，尤其是對于恒定偏差輸入時，就沒有控制作用。因此，不能單獨使用微分控制規(guī)律。

比例積分微分控制規(guī)律既有比例作用的及時迅速，又有積分作用的消除余差能力，還有微分作用的超前控制功能。當(dāng)偏差階躍出現(xiàn)時，微分立即大幅度動作，抑制偏差的這種躍變;比例也同時起消除偏差的作用，使偏差幅度減小。由于比例作用是持久和起主要作用的控制規(guī)律，因此可使系統(tǒng)比較穩(wěn)定，而積分作用慢慢把余差克服掉。該系統(tǒng)相對比較復(fù)雜，不適合對精度要求不高的場合。

在高壓共軌系統(tǒng)中，燃油噴射使共軌中的燃油壓力變化劇烈，需要采用微分部分提前控制，減少偏差跳變。綜合考慮軌壓控制的要求，選擇比例積分微分控制規(guī)律，以復(fù)雜控制的代價獲得高控制精度和較快的響應(yīng)速度。

1.3 前饋補償

前饋控制與反饋調(diào)節(jié)原理完全不同，是按照引起被調(diào)參數(shù)變化的干擾大小進(jìn)行調(diào)節(jié)的。在這種調(diào)節(jié)系統(tǒng)中要直接負(fù)載干擾量的變化，當(dāng)干擾剛出現(xiàn)并能被測出時，調(diào)節(jié)器就能發(fā)出調(diào)節(jié)信號使調(diào)節(jié)量作相應(yīng)的變化，使兩者在被調(diào)量發(fā)生偏差之前抵消。因此，前饋調(diào)節(jié)對干擾的克服比反饋調(diào)節(jié)及時。

由于軌壓控制的最終執(zhí)行部件是機械部件，其存在滯后大、反饋控制不及時的問題。在此采用前饋控制提前干預(yù)，可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。而且由于軌壓控制系統(tǒng)的時變性強，若不加入前饋，噴嘴噴油量突增時軌壓必然瞬時下降，噴油量突減時軌壓會迅速升高，造成軌壓控制不穩(wěn)，加入前饋部分提前抵消軌壓擾動，能夠提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1.4 PID 參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計

為獲得良好控制效果，需要對PID 參數(shù)Kp、Ki和Kd進(jìn)行整定。由于軌壓控制工況種類多，軌壓控制值跨度大，造成參數(shù)整定復(fù)雜，而且容易造成超調(diào)量過大，上升時間長等問題。針對這種情況，將被控對象根據(jù)目標(biāo)軌壓值分組，每組PID 控制只負(fù)責(zé)一個區(qū)間內(nèi)的軌壓控制。單個控制區(qū)間內(nèi)軌壓變化規(guī)律相對簡單，軌壓變化幅度降低，從而有效降低單組PID 參數(shù)整定復(fù)雜度，提高控制精度，緩解了在每個區(qū)間整定參數(shù)值能夠降低上升時間和超調(diào)量之間的矛盾程序。本次設(shè)計針對軌壓的高壓、低壓和一般壓力條件，整定3 組PID 參數(shù)，進(jìn)行優(yōu)化的PID 控制。

2 控制實現(xiàn)

軌壓控制值的計算流程如圖3 所示，首先判斷系統(tǒng)的狀態(tài)，從而區(qū)分應(yīng)該采用開環(huán)還是閉環(huán)控制算法。啟動狀態(tài)采用的開環(huán)控制算法，賦予軌壓輸出控制值為預(yù)定值。該預(yù)定值通過標(biāo)定的IMV 閥開度計算獲得，其他狀態(tài)采用閉環(huán)控制算法。根據(jù)目標(biāo)軌壓值將控制分為3 個分支:高壓、低壓和一般壓力。每個控制分支采用不同的前饋、比例、積分和微分控制。閉環(huán)控制的軌壓輸出命令值由4 部分組成:

其中，APC_KffTerm 是前饋部分;APC_KpTerm 是比例部分;APC_KiTerm 是積分部分;APC_KdTerm 是微分部分。

圖3 軌壓控制流程圖

2.1 閉環(huán)控制

軌壓的閉環(huán)控制如圖4 所示，根據(jù)當(dāng)前發(fā)動機工況計算目標(biāo)軌壓值，再和軌壓反饋值相比得到軌壓偏差，進(jìn)而計算出需從高壓泵流入共軌中的油量，通過執(zhí)行部件IMV 閥實現(xiàn)。而實際軌壓的反饋值通過軌壓傳感器采集到系統(tǒng)中，從而完成閉環(huán)控制。

軌壓設(shè)定值是發(fā)動機當(dāng)前工況綜合計算的結(jié)果，決定因素為發(fā)動機轉(zhuǎn)速、噴油量，輔助因素為環(huán)境參數(shù)，如大氣壓力等。計算過程如圖5 所示，發(fā)動機轉(zhuǎn)速和總噴油量通過查MAP 表得到軌壓基本值，再加上環(huán)境修正值就獲得軌壓的初始設(shè)定值。大氣壓力修正、進(jìn)氣和潤滑油的溫度修正均通過查MAP 獲得。在計算機運行過程中，查MAP 表可降低運算的時間開銷。

圖4 基于前饋補償?shù)腜ID 軌壓控制示意圖

圖5 軌壓設(shè)定值計算示意圖

2.2 軌壓輸出

ETPU 是增強型時間處理單元的簡稱，作為智能外設(shè)和CPU 并行工作。具有4 個特點:(1)獨立執(zhí)行程序。(2)精確檢測并記錄輸入事件的時機。(3)產(chǎn)生復(fù)雜輸出波形。(4)ECU 采用ETPU 作為PWM 信號的輸出控制部件完成各種方波信號的產(chǎn)生，能準(zhǔn)確控制執(zhí)行器在確定的時間點上長時間的工作。

本文選擇ETPU 作為IMV 閥控制PWM 的輸出器件。CPU 和ETPU 協(xié)作控制軌壓的原理如圖6 所示。CPU 將計算好的PWM 波執(zhí)行時間長度、占空比等數(shù)據(jù)放在共享數(shù)據(jù)存儲器(SDM)中，然后發(fā)送HSR 給ETPU對應(yīng)通道，ETPU 根據(jù)SDM 的數(shù)據(jù)輸出對應(yīng)波形。

3 實驗結(jié)果

圖6 CPU 和ETPU 協(xié)作軌壓控制示意圖

為驗證軌壓控制策略的控制效果以及參數(shù)的準(zhǔn)確性，對基于前饋補償?shù)牡腜ID 控制算法的軟件在臺架上進(jìn)行了試驗。由于試驗條件的限制，目前對低怠速和高怠速工況下的軌壓控制效果。軌壓控制值和反饋值的對比關(guān)系如圖7 和圖8 所示。曲線1 是軌壓的控制輸出值，曲線2 是軌壓的反饋值。低怠速軌壓控制超調(diào)量在1.5%以內(nèi);高怠速軌壓控制超調(diào)量在1.7%以內(nèi)。

圖7 低怠速工況下軌壓控制值和反饋值對比圖

圖8 高怠速工況下軌壓控制值和反饋值對比圖

4 結(jié)束語

本文基于軌壓在各個階段的控制特點和要求，設(shè)計的開環(huán)控制策略和閉環(huán)控制策略能夠在對應(yīng)工況下正常工作。針對開環(huán)控制標(biāo)定了IMV 閥控制開度，針對閉環(huán)控制策略，標(biāo)定了軌壓設(shè)定值計算的MAP 表，標(biāo)定了前饋、比例、積分、微分控制因子。選取了合適的硬件實現(xiàn)平臺，實現(xiàn)了控制策略的軟件實現(xiàn)，并通過ETPU 精確實現(xiàn)軌壓控制。兩種工況下的試驗結(jié)果證明了控制策略的有效性。

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