（武警海警學(xué)院，浙江寧波315801）

劉 宇

0 引言

很多因素會影響柴油機(jī)正常工作，但很難對這些因素進(jìn)行有效控制。大量實(shí)驗(yàn)證明，燃燒時的霧化程度、油氣混合質(zhì)量、著火點(diǎn)時間和廢氣排放等都與燃油噴射系統(tǒng)有關(guān)。所以，通過對柴油機(jī)燃油噴射過程進(jìn)行控制，達(dá)到改善柴油機(jī)性能的目的[1]。

目前，主要有2個有關(guān)高壓共軌電控噴射系統(tǒng)控制策略的研究方向：

1）采取柔性控制，即根據(jù)柴油機(jī)實(shí)際工況，結(jié)合MAP圖對噴油量、噴油正時和噴射控制的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使柴油機(jī)的噴油不受轉(zhuǎn)速、負(fù)載和外部環(huán)境的影響。但是參數(shù)調(diào)整過程復(fù)雜，難以明顯地提高柴油機(jī)電控噴射系統(tǒng)的性能。

2）通過增大軌壓，使柴油機(jī)油氣混合充分、著火延續(xù)期縮短和噪聲降低[2,3]等。雖說增大壓力可以迅速提高柴油機(jī)噴射系統(tǒng)性能，但受到高壓油管、噴油嘴等自身結(jié)構(gòu)的限制，很難無限增大。

因此，只有把柔性控制和增大軌壓兩者相結(jié)合，才能使柴油機(jī)綜合性能真正邁上一個新臺階[4-8]。最終噴油量的實(shí)現(xiàn)，必須結(jié)合柴油機(jī)的實(shí)際工況選擇合理的控制策略，只有這樣才能達(dá)到柴油機(jī)工作的最優(yōu)化。軌道壓力是柴油機(jī)實(shí)現(xiàn)噴油的前提條件，對柴油機(jī)的噴油起著至關(guān)重要的作用。因此，實(shí)現(xiàn)軌道壓力的控制是重點(diǎn)也是難點(diǎn)。

1 高壓共軌電控噴射系統(tǒng)控制策略的實(shí)現(xiàn)

1.1 軌道設(shè)定值的計(jì)算

1）環(huán)境修正量計(jì)算。首先，根據(jù)柴油機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速和噴油量，查詢與此對應(yīng)條件下的環(huán)境基本量基本值；其次，柴油機(jī)的外部因素，例如：冷卻水溫度、大氣溫度和大氣壓力，這些因素通過查詢對應(yīng)曲線，分別會得到水溫修正系數(shù)、大氣溫度修正系數(shù)和大氣壓力修正系數(shù)。最后，這三個修正系數(shù)之和與環(huán)境修正量基本值之積就是環(huán)境修正量。

2）燃油溫度修正量計(jì)算燃油溫度修正量計(jì)算方法基本上和環(huán)境修正量的方法一致：首先，通過查詢柴油機(jī)軌道壓力MAP圖，可以知道燃油的基本修正值；然后，通過查詢軌道壓力—燃油溫度MAP圖，也可以知道燃油溫度的修正系數(shù)；最后利用這個燃油溫度修正系數(shù)和燃油基本修正值相乘，得到的積就是燃油溫度修正量。

1.2 基本的控制策略

柴油機(jī)的軌道壓力控制如圖1所示。

圖1 軌道壓力控制圖

根據(jù)上一小節(jié)對環(huán)境修正值和燃油溫度修正值的計(jì)算結(jié)果，把軌道壓力基本值、環(huán)境修正值和燃油溫度修正值進(jìn)行相加，得到的值就是軌道壓力目標(biāo)值。由于柴油機(jī)工作時軌道壓力一直在發(fā)生變化，所以需要對軌壓目標(biāo)值進(jìn)行限定，不能高于最高軌壓，也不能低于最低軌壓。

1）起動時油壓控制

起動時，需要根據(jù)實(shí)際情況選擇恰當(dāng)?shù)目刂品绞剑簞偲饎訒r，由于轉(zhuǎn)速比較低，只能檢測到曲軸轉(zhuǎn)速信號，而判缸信號無法立即檢測到，此時運(yùn)用開環(huán)控制，建立控制時序，可以快速起動油壓；當(dāng)油壓接近目標(biāo)值時，采用閉環(huán)控制對油壓進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，使柴油機(jī)工作更加平穩(wěn)。

2）起動后油壓控制

（1）正常工況：正常工作時，方法同基本的控制策略。

（2）緊急工況：在急加速或急減速情況下，采用開環(huán)和閉環(huán)相結(jié)合的控制方法進(jìn)行控制。首先需要設(shè)定一個差值界限，當(dāng)偏差值小于界限時，采用開環(huán)直接啟動；當(dāng)偏差值大于界限時，需要反饋并做繼續(xù)調(diào)整。

這里采用了傳統(tǒng)PID閉環(huán)控制算法對軌壓實(shí)現(xiàn)控制，但是當(dāng)柴油機(jī)發(fā)生工況改變時，會產(chǎn)生壓力波動，而傳統(tǒng)PID控制算法無法對壓力進(jìn)行精準(zhǔn)控制。

2 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊PID軌壓控制器設(shè)計(jì)

2.1 軌道設(shè)定值的計(jì)算

軌壓控制的目的在于解決共軌壓力的穩(wěn)定性以及工況之間過渡的良好銜接性。但在軌壓控制過程中，會受到很多因素影響，如：

1）高壓燃油在高壓共軌內(nèi)快速流動會與管壁碰撞發(fā)生反彈，導(dǎo)致壓力波動；

2）油泵的工作周期性會導(dǎo)致軌壓波動；

3）系統(tǒng)自身的結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致壓力波動，例如：高壓油管的長度和直徑、高壓油泵的供油油路的長度、高壓油路的彎曲等。

壓力波動對控制軌壓的穩(wěn)定性能造成嚴(yán)重的影響，所以在軌壓控制的過程中，需要采取相應(yīng)的措施來調(diào)節(jié)壓力波動引起的參數(shù)變化。

2.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊PID軌壓控制器設(shè)計(jì)

由于傳統(tǒng)PID控制算法只能使柴油機(jī)在某種工況下達(dá)到最優(yōu)，而工況之間過渡時，傳統(tǒng)PID控制算法明顯無法滿足。因此，為了解決這一問題，又在此基礎(chǔ)上提出了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法和模糊控制算法，但發(fā)現(xiàn)都不足以對軌壓實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的控制。為此，作者結(jié)合了模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，并在此基礎(chǔ)上，取長補(bǔ)短，設(shè)計(jì)出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊控PID控制器。

2.2.1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊PID軌壓控制器設(shè)計(jì)

模糊控制是基于模糊集理論[9]和專家系統(tǒng)的成果而誕生的，把具體的信息經(jīng)過模糊化處理，使它具有這個信息特點(diǎn)的一個范圍性描述。并不需要像其它控制那樣，對控制對象進(jìn)行準(zhǔn)確定量的數(shù)學(xué)建模實(shí)現(xiàn)控制，而是只需要通過從規(guī)則庫里面進(jìn)行推理，得到相關(guān)的內(nèi)容，從而對控制對象進(jìn)行控制。

模糊控制是以模糊語言變量、模糊集合論及模糊邏輯推理為主的一種計(jì)算機(jī)控制。它由于不需要準(zhǔn)確定量的數(shù)學(xué)建模和運(yùn)用人們的工作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行處理，相對而言缺乏一定的系統(tǒng)性和準(zhǔn)確性。模糊控制系統(tǒng)由模糊控制器和控制對象組成，如圖2所示。

2.2.2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

1）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)全名是“人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”，顧名思義，是人們模仿大腦神經(jīng)系統(tǒng)建立的模型。因而和人腦一樣，它的重要組成結(jié)構(gòu)是人工神經(jīng)元，神經(jīng)元是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)操作的基本信息處理單位[10]。具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 模糊控制器結(jié)構(gòu)圖

圖3 人工神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)示意圖

其中，x1是輸入信號，y1是輸出信號；從圖中可以清楚的看出有多個輸入信號，但只有一個輸出信號。輸入信號x1和權(quán)系數(shù)w1之積是權(quán)值，權(quán)值與神經(jīng)元的偏差之和作為激活函數(shù)f(z)的輸入值，y1是輸出值。

圖4 激活函數(shù)示意圖

（3）S型激活函數(shù)

S型激活函數(shù)主要將將輸入值變化到（0,1）的范圍內(nèi)，它可以處理大的輸入信號值，也可以處理小的信號輸入值。其表達(dá)式為：

3）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)特點(diǎn)

（1）非線性：現(xiàn)如今大部分問題都屬于非線性類，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)卻具備了線性和非線性這兩種特點(diǎn)；

（2）容錯性：當(dāng)系統(tǒng)局部受到損害時，系統(tǒng)本身具有恢復(fù)信息的功能；

（3）并行性：通過神經(jīng)元結(jié)構(gòu)示意圖可知，系統(tǒng)可以同時有多個輸入信號且可以并行處理，得到一個輸出信號；

（4）時效性：因?yàn)榫哂胁⑿行裕虼隧憫?yīng)速度快，滿足時效性要求；

（5）魯棒性：當(dāng)系統(tǒng)受到外界干擾時，由于系統(tǒng)本身是按相似的輸出模式進(jìn)行輸出，因此仍然可以在訓(xùn)練結(jié)束的基礎(chǔ)上進(jìn)行輸出。

2.2.3神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊PID控制器

通過模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制基本理論的學(xué)習(xí)，可以知道模糊控制可以處理PID所不具備的動態(tài)性能和靜態(tài)性能的能力，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制可以處理大量數(shù)據(jù)的能力。因而，在傳統(tǒng)PID的基礎(chǔ)上，引入模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，從而設(shè)計(jì)出圖5所示的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊PID控制器，以更好地實(shí)現(xiàn)對軌壓的精準(zhǔn)控制。

在PID控制算法中介紹PID是通過比例、積分和微分實(shí)現(xiàn)控制的，但是這三個參數(shù)KP、Ti和Td不是毫無關(guān)系的，恰恰相反，他們是緊密聯(lián)系在一起，相互聯(lián)系、相互制約的關(guān)系。

圖5 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

首先，把軌壓目標(biāo)值和實(shí)際軌壓值之間的偏差及偏差值變化率輸入到模糊化板塊內(nèi)，對這兩個變量進(jìn)行模糊化處理，得到比例、積分和微分三個參數(shù)的值。其次，把這三個參數(shù)值作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的輸入端，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器中對這些值進(jìn)行調(diào)試訓(xùn)練，得到最佳的一組數(shù)值。最后，把這得出的三個數(shù)值輸入到PID控制器中，由PID控制器控制比例電磁閥實(shí)現(xiàn)對高壓油泵的控制。本文采用了閉環(huán)控制，把實(shí)際壓力反饋到輸入端與目標(biāo)值進(jìn)行對比，可以使得柴油機(jī)工作更加穩(wěn)定。由此看來，所設(shè)計(jì)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊PID閉環(huán)控制可以具有以下的優(yōu)點(diǎn)：

1）結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，還具有較強(qiáng)的魯棒性。

2）處理復(fù)雜的問題時，不需要精準(zhǔn)的定量建模，節(jié)約了成本。

3）有多個輸入端，可以處理大量的數(shù)據(jù)，得到最優(yōu)的值。

4）工作穩(wěn)定，具有自我學(xué)習(xí)和自我調(diào)節(jié)的功能。

3 結(jié)論

在柴油機(jī)高壓共軌電控噴射系統(tǒng)研究方面，控制策略一直是研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。傳統(tǒng)PID控制算法憑借結(jié)構(gòu)簡單、容易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于柴油機(jī)電控系統(tǒng)。但是傳統(tǒng)PID控制算法還存在對控制對象參數(shù)變化比較敏感的缺陷，所以需要對軌壓的控制方法繼續(xù)研究。本文提出的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊PID控制算法，結(jié)合了模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和傳統(tǒng)PID控制三者的優(yōu)點(diǎn)，很大程度上改善了對軌壓控制的精準(zhǔn)性和可控性。隨著對高壓共軌電控噴射系統(tǒng)控制策略研究的繼續(xù)深入，硬件設(shè)施不斷提高，相信在以后更精準(zhǔn)、更智能的控制算法也會出現(xiàn)。