CN110131064A - 基于滑模变结构的柴油机共轨压力与转速耦合控制系统 - Google Patents

基于滑模变结构的柴油机共轨压力与转速耦合控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于滑模变结构的柴油机共轨压力与转速耦合控制系统，包括喷油器、喷油控制单元、高压共轨管、转速传感器和控制阀，高高压共轨管中的共轨压力由发动机控制系统设定并控制且随发动机负荷变化而调节，控制阀包括位于高压共轨管进油管路上的用于改变液压腔容积的电磁阀和回油管路上的背压阀、位于高压共轨管上游的用于超压保护的先导式超压调节阀、通过改变活塞式流量开关中活塞前后腔压力控制喷油量的先导阀，柴油机转速和喷油量之间的非线性关系由基于滑模变结构的非线性调速系统模型表示，利用非线性调速系统模型并通过控制控制阀从而保证燃油喷射的稳定性。保证了喷油的稳定性，可靠性、稳定性和鲁棒性好。

Description

基于滑模变结构的柴油机共轨压力与转速耦合控制系统
技术领域
本发明属于船用柴油机领域，具体涉及一种基于滑模变结构的柴油机共轨压力与转速耦合控制系统。
背景技术
柴油机已广泛应用于工业、农业、国防等领域，对柴油机全电子控制的改造也在进行广泛的研究，上世纪九十年代至今，世界各国已将柴油机电控技术作为衡量柴油机先进性指标之一。能源短缺、环保问题、微电子技术和控制理论的发展以及对自动化要求的提高，推动了柴油机电控技术特别是以计算机为核心的数字式电子控制技术革新的发展，以电子调速技术为中心的柴油机控制器的设计，引起相关人员的密切关注，对其研究日益深入，并取得了许多成果。作为被控对象柴油机，它的动力特性具有非线性特点，而且柴油机的工作过程也是一个复杂的热力学过程，描述其工作过程的微分方程繁多且复杂，柴油机调速系统具有明显的非线性特征，因此作为非线性系统来研究。
柴油机除了生产工艺、材料特性、制造精度等方面的技术保护之外，控制系统也是技术突破的重点，包括转速的控制、冷却水温度的控制、振动与噪声的监测与控制、燃烧性能与排放的控制、燃油温度与粘度的控制、燃油喷射压力的控制等。国内外柴油机各控制系统大多数采用模糊-PID的控制方法来实现对温度、压力和转速等参数的控制，但是部分参数和系统的控制效果不是很理想，可靠性、稳定性和鲁棒性均存在欠缺。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于滑模变结构的柴油机共轨压力与转速耦合控制系统，保证了喷油的稳定性，可靠性、稳定性和鲁棒性好。
本发明采用的技术方案是：
一种基于滑模变结构的柴油机共轨压力与转速耦合控制系统，包括喷油器、控制喷油器喷油量的喷油控制单元、为各喷油器提供燃油的高压共轨管、检测柴油机转速的转速传感器和控制阀，高压共轨管中的燃油由曲轴带动高压油泵输送，高压共轨管中的共轨压力由发动机控制系统设定并控制且随发动机负荷变化而调节，喷油控制单元包括活塞式流量开关，控制阀包括位于高压共轨管进油管路上的用于改变液压腔容积的电磁阀和回油管路上的背压阀、位于高压共轨管上游的用于超压保护的先导式超压调节阀、通过改变活塞式流量开关中活塞前后腔压力控制喷油量的先导阀，柴油机转速和喷油量之间的非线性关系由基于滑模变结构的非线性调速系统模型表示，利用非线性调速系统模型并通过控制控制阀从而保证燃油喷射的稳定性。
进一步地，高压共轨管中的共轨压力由调节器调节调压阀得到，高压共轨管上装有压力传感器，基本共轨压力经冷却水温的补偿后得到目标共轨压力，压力传感器反馈回来的信号与目标共轨压力比较，差值作为调节器的输入，调节器输出控制信号到驱动调压阀控制共轨压力，使共轨压力和目标压力一致。
进一步地，转速传感器采用霍尔效应式且安装在曲轴上。
进一步地，高压共轨管的管路上设有保持压力稳定的蓄压器。
进一步地，还包括排气阀控制单元，排气阀控制单元安装在伺服油共轨上，伺服油通过先导共轨阀控制切换油路实现排气阀开关。
进一步地，基于滑模变结构控制的非线性调速系统模型是以流体力学控制方程组为基础，结合系统运动部件的运动方程和状态方程，建立起共轨系统的非线性数学模型，建立步骤包括：1)测量柴油机转速和循环喷油量，先根据柴油机实测的示功图计算出指示功，再由指示功计算出平均指示压力，对柴油机转速、循环喷油量和平均指示压力进行多项式拟合，得到柴油机转速、循环喷油量和平均指示压力之间的关系；2)根据实测的柴油机转速和输出扭矩计算出有效功，再由有效功算出平均有效压力，分别计算不同转速下平均指示压力与平均有效压力的差值，即得到平均机械损失压力，对柴油机转速和平均机械损失压力进行多项式拟合，得到柴油机转速和平均机械损失压力之间的关系，进而得到柴油机转速、循环喷油量和平均有效压力之间的关系，再由输出扭矩和平均有效压力之间的关系，得到输出扭矩与柴油机转速和循环喷油量之间的关系，最终通过数学处理得到柴油机转速和喷油量之间的非线性关系。
本发明的有益效果是：
高压油通过高压油共轨管进入喷油控制单元，确保喷油控制单元的油压基本稳定，使得喷油器喷出的燃油相比于传统喷油方式的柴油机来说雾化更均匀，继而燃烧更充分，效率提高；滑模变结构是一种基于精确数学模型的现代控制算法，尤其是对实际的系统进行控制时可保留其完整的非线性特性，获得更稳定、指标性能更优化的控制效果。在柴油机供油运用此种滑模变结构，保证了喷油的稳定性，相比于传统柴油机有着更高的效率，更近一步提升了结构控制的相应速度、抗干扰能力及鲁棒性；运用MATLAB/Simulink软件仿真平台，对该控制系统进行仿真，结果显示了滑模变结构控制对非线性系统的良好的控制效果，解决了传统PID控制超调量大、参数调节难、系统精度差、调节时间及上升时间长的问题。
附图说明
图1是本发明实施例的部分结构示意图。
图2是各项参数的处理电路。
图3是柴油机转速n＝600转/分时，循环喷油量q和平均指示压力pi之间的关系。
图4是柴油机转速n＝900转/分时，循环喷油量q和平均指示压力pi之间的关系。
图5是柴油机转速n＝1200转/分时，循环喷油量q和平均指示压力pi之间的关系。
图6是柴油机转速n＝1400转/分时，循环喷油量q和平均指示压力pi之间的关系。
图7是kj和拟合成柴油机转速n的多项式结果。
图8是cj和拟合成柴油机转速n的多项式结果。
图中：1-排气阀；2-喷油器；3-转速传感器；4-排气阀控制单元；5-空气气动阀；6-喷油控制单元；7-高压共轨管；8-启动空气管。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
一种基于滑模变结构的柴油机共轨压力与转速耦合控制系统，如图1所示，包括喷油器2、控制喷油器2喷油量的喷油控制单元6、为各喷油器2提供燃油的高压共轨管7、检测柴油机转速的转速传感器3和控制阀(图中未显示)，高压共轨管7中的燃油由曲轴通过齿轮传动带动高压油泵(高压油泵一般采用柱塞式)输送，高压共轨管7中的共轨压力由发动机控制系统设定并控制且随发动机负荷变化而调节，喷油控制单元6包括活塞式流量开关，控制阀包括位于高压共轨管7进油管路上的用于改变液压腔容积的电磁阀(燃油经前置过滤器和电磁阀进入控制腔，控制腔是一个通过改变高度调整容积的液压腔)和回油管路上的背压阀、位于高压共轨管7上游的用于超压保护的先导式超压调节阀(先导式超压调节阀中，阀杆下部与高压燃油连通，主阀活塞上部与轴承的滑油连通、下部与高压燃油联通，通过调整先导阀预紧力改变共轨系统的泄放压力)、通过改变活塞式流量开关中活塞前后腔压力控制喷油量的先导阀，柴油机转速和喷油量之间的非线性关系由基于滑模变结构的非线性调速系统模型表示，利用非线性调速系统模型并通过控制控制阀从而保证燃油喷射的稳定性。
在本发明中，高压油通过高压油共轨管7进入喷油控制单元6，确保喷油控制单元6的油压基本稳定，使得喷油器2喷出的燃油相比于传统喷油方式的柴油机来说雾化更均匀，继而燃烧更充分，效率提高；滑模变结构是一种基于精确数学模型的现代控制算法，尤其是对实际的系统进行控制时可保留其完整的非线性特性，获得更稳定、指标性能更优化的控制效果。在柴油机供油运用此种滑模变结构，保证了喷油的稳定性，相比于传统柴油机有着更高的效率，更近一步提升了结构控制的相应速度、抗干扰能力及鲁棒性；运用MATLAB/Simulink软件仿真平台，对该控制系统进行仿真，结果显示了滑模变结构控制对非线性系统的良好的控制效果，解决了传统PID控制超调量大、参数调节难、系统精度差、调节时间及上升时间长的问题。
高压共轨管7中的共轨压力由调节器调节调压阀得到，高压共轨管7上装有压力传感器，如图2所示，基本共轨压力经冷却水温的补偿后得到目标共轨压力，压力传感器反馈回来的信号与目标共轨压力比较，差值作为调节器的输入，调节器输出控制信号到驱动调压阀控制共轨压力，使共轨压力和目标压力一致。
转速传感器3采用霍尔效应式且安装在曲轴上。霍尔效应式转速传感器包括永久磁铁和霍尔元件，两者固定在同一底板上，其间的空气间隙可让旋转的触发轮叶片通过，当叶片不在气隙中，永久磁铁的磁通就穿过霍尔元件，产生霍尔电压，当叶片进入气隙时，磁场被叶片旁路，霍尔电压为零，随着触发轮的不断旋转，间隙产生的霍尔电压信号通过集成电路放大整形后，形成转速信号。转速传感器采用霍尔效应式，有两个突出优点，一是输出电压信号近似于方波信号，二是输出电压高低与被测物体的转速无关。
在本实施例中，高压共轨管7的管路上设有保持压力稳定的(氮气)蓄压器。
如图1所示，在本实施例中，还包括排气阀控制单元4，排气阀控制单元4安装在伺服油共轨上，伺服油通过先导共轨阀控制切换油路实现排气阀1开关。
基于滑模变结构控制的非线性调速系统模型是以连续性方程、动量方程、物态方程等流体力学控制方程组为基础，结合系统运动部件的运动方程和状态方程，建立起共轨系统的非线性数学模型，建立步骤包括：
1)系数的多项式拟合；
测量柴油机转速n和循环喷油量q，先根据柴油机实测的示功图计算出指示功，再由指示功计算出平均指示压力pi，对柴油机转速n、循环喷油量q和平均指示压力pi进行多项式拟合，本文以4135型柴油机为研究对象来进行多项式拟合。
为了得到4135型柴油机柴油机转速n、循环喷油量q和平均指示压力pi之间的关系，分别取不同柴油机转速n下的循环喷油量q和平均指示压力pi的数据进行分析。限于篇幅，随机取柴油机转速n为600转/分、900转/分、1200转/分和1400转/分的数据来进行分析，结果如图3至图6所示。
很显然，当柴油机转速n一定时，循环喷油量q和平均指示压力pi之间是线性关系。因此，可将平均指示压力pi表示为：
pi＝kjq+cj (1)
其中，当柴油机转速n＝400；500；600；700；800；900；1000；1100；1200 1300；1400；1500；1600；1700时，有：
kj＝7418.9；7762.4；8148.4；8435.5；8729.4；8993.6；9608.8；9799.9；9941.9；10035；10080；10070；9997.8；9862.9
cj＝-109.5；-116.8；-123.7；-129.5；-133.7；-140.5；-147.2；-149.1；-151.3；-154；-155；-158；-156.5；-156.4
将kj和cj分别拟合成柴油机转速n的多项式，得到结果如图7和图8所示，则有：
kj＝-0.0024025n2+6.9n+4873.3 (2)
cj＝0.00003346n2-0.107n-71.5294 (3)
2)建立非线性调速系统模型；
根据4135柴油机实测的柴油机转速n和输出扭矩M(由水力测功器测出)等数据计算出有效功，再由有效功算出平均有效压力pe。分别计算不同柴油机转速n下均指示压力pi与平均有效压力pe的差值即可得到平均机械损失压力pf：
当柴油机转速n＝400；500；600；700；800；900；1000；1100；1200 1300；1400；1500；1600；1700时，有：
平均机械损失压力pf＝27.5；28.62；30；31.12；32.24；33.3；34.58；35.69；
36.895；38.08；39.37；40.45；41.8；42.6
同样采用步骤1)中的曲线拟合方法，可将平均机械损失压力pf近似表示为：
pf＝0.011745n+22.8 (4)
由式(1)至式(4)可得：
pe＝pi-pf＝(-0.0024025n2+6.9n+4873.3)q+0.00003346n2-0.118745n-94.3294 (5)
再由输出扭矩M和平均有效压力pe之间的近似关系，可得：
M＝0.6366pe＝(a1n2+a3n+a5)q+(a2n2+a4n+a6) (6)
其中，a1＝-0.00153；a2＝-0.0000213；a3＝4.39；a4＝-0.0756；a5＝3102.34；a6＝-60.05；
柴油机转速n的变化直接取决于其输出扭矩M和负载扭矩M1的差值，根据达兰贝尔原理，其基本运动方程为：
其中J为包括柴油机本身和被驱动机械部件在内的总运动件的等效转动惯量，ω为角速度；
由以上微分方程，得到表示柴油机转速n和喷油量q之间的复杂的非线性关系：
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于滑模变结构的柴油机共轨压力与转速耦合控制系统，其特征在于：包括喷油器、控制喷油器喷油量的喷油控制单元、为各喷油器提供燃油的高压共轨管、检测柴油机转速的转速传感器和控制阀，高压共轨管中的燃油由曲轴带动高压油泵输送，高压共轨管中的共轨压力由发动机控制系统设定并控制且随发动机负荷变化而调节，喷油控制单元包括活塞式流量开关，控制阀包括位于高压共轨管进油管路上的用于改变液压腔容积的电磁阀和回油管路上的背压阀、位于高压共轨管上游的用于超压保护的先导式超压调节阀、通过改变活塞式流量开关中活塞前后腔压力控制喷油量的先导阀，柴油机转速和喷油量之间的非线性关系由基于滑模变结构的非线性调速系统模型表示，利用非线性调速系统模型并通过控制控制阀从而保证燃油喷射的稳定性。
2.如权利要求1所述的基于滑模变结构的柴油机共轨压力与转速耦合控制系统，其特征在于：高压共轨管中的共轨压力由调节器调节调压阀得到，高压共轨管上装有压力传感器，基本共轨压力经冷却水温的补偿后得到目标共轨压力，压力传感器反馈回来的信号与目标共轨压力比较，差值作为调节器的输入，调节器输出控制信号到驱动调压阀控制共轨压力，使共轨压力和目标压力一致。
3.如权利要求1所述的基于滑模变结构的柴油机共轨压力与转速耦合控制系统，其特征在于：转速传感器采用霍尔效应式且安装在曲轴上。
4.如权利要求1所述的基于滑模变结构的柴油机共轨压力与转速耦合控制系统，其特征在于：高压共轨管的管路上设有保持压力稳定的蓄压器。
5.如权利要求1所述的基于滑模变结构的柴油机共轨压力与转速耦合控制系统，其特征在于：还包括排气阀控制单元，排气阀控制单元安装在伺服油共轨上，伺服油通过先导共轨阀控制切换油路实现排气阀开关。
6.如权利要求1所述的基于滑模变结构的柴油机共轨压力与转速耦合控制系统，其特征在于：基于滑模变结构控制的非线性调速系统模型是以流体力学控制方程组为基础，结合系统运动部件的运动方程和状态方程，建立起共轨系统的非线性数学模型，建立步骤包括：1)测量柴油机转速和循环喷油量，先根据柴油机实测的示功图计算出指示功，再由指示功计算出平均指示压力，对柴油机转速、循环喷油量和平均指示压力进行多项式拟合，得到柴油机转速、循环喷油量和平均指示压力之间的关系；2)根据实测的柴油机转速和输出扭矩计算出有效功，再由有效功算出平均有效压力，分别计算不同转速下平均指示压力与平均有效压力的差值，即得到平均机械损失压力，对柴油机转速和平均机械损失压力进行多项式拟合，得到柴油机转速和平均机械损失压力之间的关系，进而得到柴油机转速、循环喷油量和平均有效压力之间的关系，再由输出扭矩和平均有效压力之间的关系，得到输出扭矩与柴油机转速和循环喷油量之间的关系，最终通过数学处理得到柴油机转速和喷油量之间的非线性关系。
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