CN111810309B - 一种基于闭环观测器的高压共轨系统喷油量预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种基于闭环观测器的高压共轨系统喷油量预测方法，包括如下步骤：建立高压共轨系统喷油率的数学模型，确定在设定轨压下的模型参数，建立高压共轨系统喷油率观测器模型，设计高压共轨燃油系统喷油量预测闭环观测器，利用高压共轨燃油系统喷油量预测闭环观测器进行喷油量预测。本发明通过可测量的共轨压力信息来观测不可测量的喷油量，为柴油机高压共轨燃油系统燃烧闭环控制提供了一种新思路。在不同的工况下，模型系数K取值不同。本发明可以根据喷油脉宽修正喷油量闭环观测器中的K值，实现不同工况下精确的喷油量观测。从而使该闭环观测器有更好的实用性。本发明实施过程简单，无需额外增加测量元件。

Description

一种基于闭环观测器的高压共轨系统喷油量预测方法

技术领域

本发明涉及的是一种柴油机控制方法，具体地说是喷油系统控制方法。

背景技术

为了满足越来越严格的排放法规要求，研究人员希望通过发动机缸内燃烧过程的精确控制来达到高效、清洁的目的。发动机燃油系统的高压共轨技术凭借更高的燃油喷射压力、更快的响应速度以及更加灵活的燃油喷射策略为发动机满足技术需求、实现绿色船用动力提供了有力支撑。但是由于高压共轨系统的复杂性，其在高压、快速响应、高精度、多次喷射的条件下实现动态喷射性能稳定性的控制是一项具有挑战性的课题，目前仍然缺少可行的技术途径和理论积累来实现燃油喷射量的精确控制，这成为了船用发动机技术领域待解决的瓶颈问题。

现阶段船用柴油机不同工况下的喷油量控制是通过基于MAP图的控制方式，而油量MAP图是通过油泵台架和发动机台架标定得到的。由于柴油机运行是一个典型多输入、多输出的复杂非线性系统，随着柴油机工作环境变化、燃油系统性能结构参数随时间退化等因素影响，采用油量MAP图的控制方式往往无法保证目标喷油量与实际喷油量一致性，不能实现喷油量的精确控制，也不具有环境适应性，这就限制了柴油机的动力性、经济性和排放的进一步优化。主要问题就是由于采用油量MAP图的控制方式不能精确的描述柴油机运行工况下的喷油量对应关系，使得利用高压共轨系统实现高精度喷射的优势大打折扣，在柴油机运行过程中只能通过转速闭环来间接调整油量。因此，实时获取实际喷油量信息是实现喷油量精确控制和优化柴油机控制策略的必要前提。

发明内容

本发明的目的在于提供能实现高压共轨燃油系统喷油量的实时精确预测，并具有误差闭环修正功能的一种基于闭环观测器的高压共轨系统喷油量预测方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种基于闭环观测器的高压共轨系统喷油量预测方法，其特征是：

(1)建立高压共轨系统喷油率的数学模型：

首先给出共轨管的燃油连续方程：

式中，Q_pump为高压油泵供入共轨管的燃油体积流量,在喷油过程其数值为0，Q_Inj为喷油率，Q_Leak为喷油器的燃油泄漏量，E为体积弹性模量，V为共轨管控制容积，P为共轨管内的压力；

其中喷油器的燃油泄漏量表示为：

Q_leak＝(0.1+C_leak)Q_inj

式中，C_leak为系数项；

根据燃油弹性模量的经验公式可得：

共轨管控制容积V为：

V＝V_c+V′

V_C为共轨系统总容积，包括

V_c＝V_CRP+V_HPP1+V_HPP2+V_HPC

其中，V_CRP为共轨管容积，V_HPP1为高压油泵与共轨管连接的高压油管容积，V_HPP2为喷油器与共轨管连接的高压油管容积，V_HPC为喷油器与高压油管连接的高压连接器容积；

V’为共轨管控制容积的补偿量，表示为：

式中，C₁,C₂为待定系数；

根据上述各式，建立在设定轨压下,高压共轨系统喷油率与压力波动之间的数学模型：

在某一设定轨压下，包括C₁、C₂、C_LeakInj三个待定系数，其中C_LeakInj由实验或者仿真数据获得，C₁、C₂通过在不同喷油脉宽的数据根据最小二乘拟合方法获取；

(2)确定在设定轨压下的模型参数：

标定C_LeakInj：

由Q_leak＝(0.1+C_leak)Q_inj，可知：

通过实验得到每个工况下的燃油泄漏量以及喷油率，通过上式计算出所需工况的C_LeakInj；

Δp的处理：

对于dp，在标定的过程中只选取喷油时刻一个极小的时间段，使得dp≈Δp；

在选取轨压降时，每一段轨压波形片段都包括轨压压升段、波峰段、轨压压降段和波谷段，对该轨压波形片段进行滤波处理来消除轨压波动曲线的噪音使其更为平滑，最终得到光滑曲线，轨压降是指滤波后的压力波动曲线的波峰段到波谷段的垂直距离，记做Δp，Δp是由五组峰值与五组谷值进行切尾均值处理得到的；

标定C₁、C₂：

在得到轨压降数据库、喷油量数据库以及燃油泄露系数数据库，采用最小二乘拟合的方法，利用上述三个数据库对目标方程进行拟合，得出所需C₁、C₂：

(3)建立高压共轨系统喷油率观测器模型：

选取共轨压力P、喷油率Q_Inj、喷油率的导数

三个变量作为状态变量，得到高压共轨系统喷油率观测模型：

其中K为模型系数，表示轨压P变化与喷油率Q之间的关系：

在不同设定轨压，根据模型参数C₁、C₂、C_LeakInj值，得到K值；

对上述已建立的观测器模型进行可观性判断，可观测矩阵R_o：

(4)设计高压共轨燃油系统喷油量预测闭环观测器：

闭环观测方程为：

其中

为状态变量的估计值，H为观测器的增益矩阵，y和

分别为实际输出与y的估计值；

根据观测的喷油率

在喷油时刻内积分得到喷油量的预测值

其中t₀为喷油开始时刻，t_n为喷油结束时刻；

(5)利用高压共轨燃油系统喷油量预测闭环观测器进行喷油量预测：

设定目标轨压，通过控制器和传感器将共轨管内的压力达到满足目标轨压所需的数值，将经过滤波处理后的共轨压力波形曲线输入到闭环观测器中得到喷油率的观测值，对于共轨压力曲线的追踪效果通过对极点位置的调节来选择。

本发明的优势在于：

1、该方法通过可测量的共轨压力信息来观测不可测量的喷油量，为柴油机高压共轨燃油系统燃烧闭环控制提供了一种新思路。

2、在不同的工况下，模型系数K取值不同。该方法可以根据喷油脉宽修正喷油量闭环观测器中的K值，实现不同工况下精确的喷油量观测。从而使该闭环观测器有更好的实用性。

3、该方法实施过程简单，现有高压共轨系统上都安装了轨压传感器，无需额外增加测量元件。

附图说明

图1为高压共轨系统喷油量预测方法示意图；

图2为高压共轨系统喷油量预测数学模型的标定流程图；

图3为轨压降的选取示意图；

图4为轨压降的处理流程图；

图5为观测器追踪轨压与实际轨压对比图；

图6为喷油率的观测曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-6，图1为本发明公开的高压共轨系统喷油量预测方法示意图。通过共轨管上的压力传感器测量瞬态压力，输入到设计的观测器模型中，输出为喷油率

在喷油时刻对

积分得到预测的喷油量。

具体步骤为：

步骤一：建立高压共轨系统喷油率的数学模型

首先给出共轨管的燃油连续方程：

式中，Q_pump为高压油泵供入共轨管的燃油体积流量,在喷油过程其数值为0；Q_Inj为喷油率；Q_Leak为喷油器的燃油泄漏量；E为体积弹性模量；V为共轨管控制容积；P为共轨管内的压力。

其中喷油器的燃油泄漏量可表示为：

Q_leak＝(0.1+C_leak)Q_inj (2)

式中，C_leak为系数项，可由实验或者仿真数据获得。

一般情况下，根据燃油弹性模量的经验公式可得，

共轨管控制容积V为：

V＝V_c+V′ (4)

(4)式中，V_C为共轨系统总容积，包括

V_c＝V_CRP+V_HPP1+V_HPP2+V_HPC (5)

其中，V_CRP为共轨管容积，V_HPP1为高压油泵与共轨管连接的高压油管容积，V_HPP2为喷油器与共轨管连接的高压油管容积，V_HPC为喷油器与高压油管连接的高压连接器容积。

(4)式中，V’为共轨管控制容积的补偿量，可以表示为：

式中，C₁,C₂为待定系数，与瞬时轨压有关。

根据(1)～(6)可建立在设定轨压下,高压共轨系统喷油率与压力波动之间的数学模型：

在某一设定轨压下，包括C₁,C₂,C_LeakInj三个待定系数，其中C_LeakInj可由实验或者仿真数据获得，C₁,C₂可通过在不同喷油脉宽的数据根据最小二乘拟合方法获取。

步骤二：在设定轨压下的模型参数确定

高压共轨系统喷油量预测数学模型的具体标定流程如附图2所示。

(1)C_LeakInj的标定

由上式(2)我们可知：

通过实验我们可以得到每个工况下的燃油泄漏量以及喷油率，通过式(8)便可计算出所需工况的C_LeakInj。

(2)Δp的处理

对于公式中的dp，由于在标定的过程中只选取喷油时刻一个极小的时间段，使得dp≈Δp。

如图3所示为选取轨压降的示意图，图示为一段轨压波形片段，每一段轨压波形片段都可以分为轨压压升段，波峰段，轨压压降段，波谷段四部分。我们对该轨压波形片段进行滤波处理来消除轨压波动曲线的噪音使其更为平滑，最终得到如图中的光滑曲线。轨压降是指滤波后的压力波动曲线的波峰段到波谷段的垂直距离，记做Δp。

由于每次实验的波峰和波谷都会发生略微变化，所以本发明的Δp是由五组峰值与五组谷值进行切尾均值处理得到的，具体处理流程如附图4所示。

(3)C₁,C₂的标定

在完成上述关键参数的标定和选取后，便得到了轨压降数据库，喷油量数据库以及燃油泄露系数数据库。采用最小二乘拟合的方法，利用上述三个数据库对目标方程进行拟合，便可得出所需C₁,C_2。。

步骤三：建立高压共轨系统喷油率观测器模型

为了保证模型的可观测性，选取共轨压力P、喷油率Q_Inj、喷油率的导数

三个变量作为状态变量，并根据式(7)，得到高压共轨系统喷油率观测模型如下：

其中K为模型系数，表示轨压P变化与喷油率Q之间的关系，根据(7)式得到：

在不同设定轨压，根据模型参数C₁,C₂,C_LeakInj值，得到K值。

对上述已建立的观测器模型进行可观性判断，可观测矩阵R_o计算如下：

rank(R_o)＝3，该系统可观，可以进行观测器设计。

步骤四：设计高压共轨燃油系统喷油量预测闭环观测器。

闭环观测方程为：

其中

为状态变量的估计值；H为观测器的增益矩阵，通过设置H矩阵可以调节观测器跟踪性能；y和

分别为实际输出与y的估计值。

所述状态变量，其与观测的喷油量的关系为：本发明的闭环观测器通过对输入共轨压力的实时观测可以得到追踪效果较为精确的共轨压力的观测值。以1200bar轨压为例，在共轨压力的观测值和实际值的对比图如图5所示，其追踪结果的好坏决定了最终喷油量的观测值的精确度。然后通过闭环观测器观测出无法测量的喷油率

图6为观测的喷油率。通过调整H矩阵，可以调整状态变量响应的动态性能。最后通过积分环节将喷油率转化为喷油量再输出结果就得到了实时观测的喷油量。

根据观测的喷油率

在喷油时刻内积分得到喷油量的预测值

其中t₀为喷油开始时刻，t_n为喷油结束时刻，t_n-t₀为喷油持续时间。

步骤五：利用高压共轨燃油系统喷油量预测闭环观测器进行喷油量预测。

首先需要根据实际需求设定好目标轨压，通过控制器和传感器可以将共轨管内的压力达到满足目标轨压所需的数值。将经过滤波处理后的共轨压力波形曲线输入到该闭环观测器中便可得到喷油率的观测值，对于共轨压力曲线的追踪效果可以通过对极点位置的调节来选择一个适合的最佳效果。

在上述喷油量预测，是针对在一定设定轨压下的模型，当设定轨压变化时，重复步骤二可以得到不同工况下的模型参数。所以该闭环观测器可通过改变高压共轨系统喷油量预测数学模型的参数来自适应轨压变化，从而使本发明可以更好的实现大范围轨压变化下，喷油量的预测。

Claims (1)

1.一种基于闭环观测器的高压共轨系统喷油量预测方法，其特征是：

(1)建立高压共轨系统喷油率的数学模型：

首先给出共轨管的燃油连续方程：

式中，Q_pump为高压油泵供入共轨管的燃油体积流量,在喷油过程其数值为0，Q_Inj为喷油率，Q_Leak为喷油器的燃油泄漏量，E为体积弹性模量，V为共轨管控制容积，P为共轨管内的压力；

其中喷油器的燃油泄漏量表示为：

Q_leak＝(0.1+C_leak)Q_inj

式中，C_leak为系数项；

根据燃油弹性模量的经验公式可得：

共轨管控制容积V为：

V＝V_c+V′

V_C为共轨系统总容积，包括

V_c＝V_CRP+V_HPP1+V_HPP2+V_HPC

其中，V_CRP为共轨管容积，V_HPP1为高压油泵与共轨管连接的高压油管容积，V_HPP2为喷油器与共轨管连接的高压油管容积，V_HPC为喷油器与高压油管连接的高压连接器容积；

V’为共轨管控制容积的补偿量，表示为：

式中，C₁，C₂为待定系数；

根据上述各式，建立在设定轨压下，高压共轨系统喷油率与压力波动之间的数学模型：

在某一设定轨压下，包括C₁、C₂、C_leak三个待定系数，其中C_leak由实验或者仿真数据获得，C₁、C₂通过在不同喷油脉宽的数据根据最小二乘拟合方法获取；

(2)确定在设定轨压下的模型参数：

标定C_leak：

由Q_leak＝(0.1+C_leak)Q_inj，可知：

通过实验得到每个工况下的燃油泄漏量以及喷油率，通过上式计算出所需工况的C_leak；

Δp的处理：

对于dp，在标定的过程中只选取喷油时刻一个极小的时间段，使得dp≈Δp；

在选取轨压降时，每一段轨压波形片段都包括轨压压升段、波峰段、轨压压降段和波谷段，对该轨压波形片段进行滤波处理来消除轨压波动曲线的噪音使其更为平滑，最终得到光滑曲线，轨压降是指滤波后的压力波动曲线的波峰段到波谷段的垂直距离，记做Δp，Δp是由五组峰值与五组谷值进行切尾均值处理得到的；

标定C₁、C₂：

在得到轨压降数据库、喷油量数据库以及燃油泄漏系数数据库，采用最小二乘拟合的方法，利用上述三个数据库对目标方程进行拟合，得出所需C₁、C₂：

(3)建立高压共轨系统喷油率观测器模型：

选取共轨压力P、喷油率Q_Inj、喷油率的导数

三个变量作为状态变量，得到高压共轨系统喷油率观测模型：

其中K为模型系数，表示轨压P变化与喷油率Q之间的关系：

在不同设定轨压，根据模型参数C₁、C₂、C_leak值，得到K值；

对上述已建立的观测器模型进行可观性判断，可观测矩阵R_o：

(4)设计高压共轨燃油系统喷油量预测闭环观测器：

闭环观测方程为：

其中

为状态变量的估计值，H为观测器的增益矩阵，y和

分别为实际输出与y的估计值；

根据观测的喷油率

在喷油时刻内积分得到喷油量的预测值

其中t₀为喷油开始时刻，t_n为喷油结束时刻；

(5)利用高压共轨燃油系统喷油量预测闭环观测器进行喷油量预测：

设定目标轨压，通过控制器和传感器将共轨管内的压力达到满足目标轨压所需的数值，将经过滤波处理后的共轨压力波形曲线输入到闭环观测器中得到喷油率的观测值，对于共轨压力曲线的追踪效果通过对极点位置的调节来选择。

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