船舶柴油機(jī)燃油共軌系統(tǒng)軌壓控制研究

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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]。

1 RT-flex60C燃油共軌系統(tǒng)模型

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)。

1.1 噴油系統(tǒng)模型

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。

1.2 燃油軌壓模型

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。

2 軌壓控制方法

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。

2.1 前饋控制

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。

2.2 反饋控制

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

3 仿真模型

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

4 仿真實(shí)驗(yàn)與分析

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

5 結(jié)論

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。

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