CN112253323A - 航空高压燃油泵恒油压模糊自适应控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种航空高压燃油泵恒油压模糊自适应控制系统及其控制方法，所述的系统包括前端油压采取传感器、中端恒油压控制器和末端执行器高压燃油泵。所述的恒油压控制器包括硬件电路和软件控制算法。本发明不仅能满足德国3W航空活塞发动机ECU(Electronic Control Unit)输出PWM(Pulse Width Modulation)信号对油压的恒压控制，而且设计了基于模糊自适应恒油压反馈控制算法，通过数字通信接口与接收其他类型的ECU期望油压指令，独立完成恒油压闭环控制，进一步提高了高压燃油泵的通用性。将本文提出的控制算法与常规PID控制算法比较表明，基于模糊自适应的控制方法具有较好的鲁棒性，同时提高了不同油压段油压的控制精度。

Description

航空高压燃油泵恒油压模糊自适应控制系统及其控制方法

技术领域

本发明属于能源、动力与自动控制领域，具体是一种通用型的航空高压燃油泵恒油压模糊自适应控制系统。

技术背景

发动机燃油电喷系统凭借其精确的燃油量控制，满足发动机各种工况下所需最佳空燃比，大大提高发动机的做功效率，并且减少不充分燃烧气体的排放，顺应发动机节能减排的发展方向，具有广阔的应用前景，成为当今的研究热点之一。高压燃油泵恒油压控制系统在发动机燃油电喷系统中起着至关重要的作用，喷油管路内的油压决定了喷油嘴燃油喷射速度。在恒定油压的前提下，通过控制喷油嘴开漏时间即可精确控制发动机缸内的喷油量。航空活塞发动机相比汽车发动机，所处工况更为复杂，在不同的飞行高度，发动机的最佳空燃比不同，所以需要动态调整管路油压。但是常规的恒油压控制算法只能适应一定油压范围内的精确控制，一旦所需油压超过这个范围，则需要人工改变控制器参数，鲁棒性较差。而且目前的航空高压燃油泵只能与原厂发动机ECU匹配使用，无法相互兼容，通用性较差。

发明内容

发明目的

本发明的目的在于提供一种通用性更强、油压控制更精确、具有更强鲁棒性的航空高压燃油泵恒油压控制系统。

技术方案

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明为一种航空高压燃油泵恒油压模糊自适应控制系统，该系统包括传感器电路、主控电路和驱动电路三部分，其中，所述传感器电路包括连接在油泵出油管支路上的油压传感器以及油压信号滤波模块；

所述主控电路中包括主控芯片、功能选择开关，所述主控电路基于油压传感器采集到的油压信号，采用模糊自适应控制算法产生PWM控制信号，发送给所述驱动电路；

所述驱动电路包括油泵电机、电机驱动和抽油齿轮，所述主控电路产生PWM控制信号发送给所述油泵电机，调整电机转速变化，电机带动油泵实现油泵出油的恒油压实时控制。

进一步的，所述传感器电路中包含滤波模块，所述滤波模块连接在所述油压传感器后，所述油压传感器输出为模拟信号，滤波模块对油压传感器输出的模拟信号进行了硬件低通滤波和软件去野值滤波，得到稳定准确的传感器数据。

进一步的，所述主控电路设计的功能选择开关既能满足德国3W发动机ECU输出PWM信号对油泵进行恒油压控制，而且可以通过数字通信接口接收其他型号发动机ECU的期望油压指令，实现恒油压独立闭环控制，提高控制系统的通用性。

在上述航空高压燃油泵恒油压模糊自适应控制系统基础上，本发明还提供该系统的控制方法，所述控制方法采用模糊自适应PID控制算法，根据设定油压的大小、油压与反馈油压的偏差及偏差变化率动态调整初始的PID参数，实现了不同油压段油压的精确控制。所述控制方法包括以下步骤：

步骤一，设定输入量，所述输入量包括期望油压与反馈油压的偏差e和偏差的变化率ec，将所述输入量映射到模糊论域；

步骤二，通过隶属度函数将e和ec量化到模糊子集论域X的精确量x转换为模糊语言变量，实现精确量的模糊化处理；

步骤三，设计模糊规则表，该系统通过所述模糊规则表来整定PID控制器三个初始参数 K_p0、K_i0、K_d0的调整量比例调节系数ΔK_p、积分调节系数ΔK_i、微分调节系数ΔK_d；

步骤四，模糊推理得到的输出量为模糊向量，将模糊向量转换为模糊子集论域X内的精确量，即反模糊的过程；

步骤五，通过比例因子将所述调整量ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d量化为实际的物理量ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d来调整K_p0、K_i0、K_d0三个参数：

进一步的，所述步骤一中，输入量e和ec的模糊子集论域定义为X＝{-3，-2，-1，0，1，2， 3}，设e和ec的变化范围为[a,b]，量化函数为：

进一步的，所述步骤二中，定义输入量e和ec的模糊语言变量集{负大[NB]，负中[NM]，负小[NS]，零[ZO]，正小[PS]，正中[PM]，正大[PB]}，然后设定对应语言变量的隶属度函数如下：

通过隶属度函数将所述输入量e和ec量化到模糊子集论域X的精确量x转换为模糊语言变量，实现精确量的模糊化处理。

更进一步的，所述步骤二中采用三角隶属度函数进行模糊化。

进一步的，所述模糊规则表根据常规PID恒油压控制中实际参数整定的经验规律来制定；对于比例系数ΔK_p的调节，控制前期设定的期望油压与反馈油压的偏差较大，较小的比例系数可输出较大的控制量；控制中期较大的比例系数保证反馈油压迅速跟随给定油压，控制后期较小的比例系数可减小超调量；对于积分系数ΔK_i的调节，控制前期采用积分分离避免偏差太大造成积分饱和，控制中后期逐渐加大积分系数可以提高恒油压控制的稳态精度；对于微分系数ΔK_d的调节，控制前期减小微分系数降低输入噪声，控制中期较小的微分系数避免影响跟随给定油压速度，控制后期较大的微分系数以减小超调量。所述步骤四反模糊过程基于以下公式：

其中u为输出的精确量，μ_i为隶属度，x_i为模糊子集论域中的元素。

有益效果

本发明具有以下优点：(1)通过设计功能选择开关和相对应的软件，兼容不同ECU的控制指令，提高了高压燃油泵恒油压控制系统的通用性；(2)恒油压控制算法采用模糊自适应 PID控制算法，满足了不同油压段油压的精确控制，提高了系统的鲁棒性。

附图表说明

图1为高压燃油泵控制系统及油路示意图；

图2为高压燃油泵恒油压控制系统通用性说明示意图；

图3为高压燃油泵模糊自适应PID恒油压控制流程图；

图4为高压燃油泵模糊自适应PID恒油压控制算法系统框图；

图5为三角隶属度函数曲线图；

图6为经典PID控制算法与模糊自适应PID控制算法恒油压控制效果对比图；

图中，1-喷油嘴，2-分流阀，3-邮箱，4-油压传感器，5-油泵电机，6-吸油齿轮，7-主控电路，8-驱动电路。

具体实施方式

结合所附图表，对本发明的技术方案作具体说明。

如图1所示，本申请为一种通用型的航空高压燃油泵恒油压模糊自适应控制系统，主要从硬件电路和软件算法两方面开展设计。在硬件电路方面，由传感器电路、主控电路和驱动电路三部分组成。油压采集传感器输入连接油泵出油管支路，输出为模拟信号，并且对油压传感器输出的模拟信号进行了硬件电路滤波。主控电路是整个硬件电路的核心，主控电路设计的拨码开关实现油泵工作模式选择，模式一可以满足德国3W发动机ECU运行经典PID算法输出 PWM信号对油泵进行恒油压控制，模式二油泵主控通过数字通信接口接收其他型号发动机 ECU的期望油压指令，同时运行恒油压模糊自适应PID算法实现脱离ECU独立闭环控制，两种工作模式的选择提高了控制系统的通用性。驱动电路接收主控电路的PWM控制信号，从而调整油泵电机转速实现油泵油压大小的控制。在软件算法方面，主要由油压传感器数字滤波算法和恒油压控制算法两部分组成。主控电路AD采集的油压传感器数据中存在野值和测量噪声，首先对野值进行剔除，然后进行数字低通滤波，得到稳定精确的油压数据。该恒油压控制算法采用模糊自适应PID控制算法，可以根据给定油压的大小、给定油压与反馈油压的偏差及偏差变化率动态实时调整初始的PID参数，实现不同油压段油压的精确控制。

实施例1

本实施例提供一种航空高压燃油泵恒油压模糊自适应控制系统，该系统包括传感器电路、主控电路和驱动电路三部分，其中，所述传感器电路包括连接在油泵出油管支路上的油压传感器以及油压信号滤波模块；

所述主控电路中包括主控芯片、功能选择开关，所述主控电路基于油压传感器采集到的油压信号，采用模糊自适应控制算法产生PWM控制信号，发送给所述驱动电路；

所述驱动电路包括油泵电机、电机驱动和抽油齿轮，所述主控电路产生PWM控制信号发送给所述油泵电机，调整电机转速变化，电机带动油泵实现油泵出油的恒油压实时控制。

进一步的，所述传感器电路中包含滤波模块，所述滤波模块连接在所述油压传感器后，所述油压传感器输出为模拟信号，滤波模块对油压传感器输出的模拟信号进行了硬件低通滤波和软件去野值滤波，得到稳定准确的传感器数据。

进一步的，所述主控电路设计的功能选择开关既能满足德国3W发动机ECU输出PWM信号对油泵进行恒油压控制，而且可以通过数字通信接口接收其他型号发动机ECU的期望油压指令，实现恒油压独立闭环控制，提高控制系统的通用性。

在上述航空高压燃油泵恒油压模糊自适应控制系统基础上，本发明还提供该系统的控制方法，所述控制方法采用模糊自适应PID控制算法，根据设定油压的大小、油压与反馈油压的偏差及偏差变化率动态调整初始的PID参数，实现了不同油压段油压的精确控制。所述控制方法包括以下步骤：

步骤一，设定输入量，所述输入量包括期望油压与反馈油压的偏差e和偏差的变化率ec，将所述输入量映射到模糊论域；

步骤二，通过隶属度函数将e和ec量化到模糊子集论域X的精确量x转换为模糊语言变量，实现精确量的模糊化处理；

步骤三，设计模糊规则表，该系统通过所述模糊规则表来整定PID控制器三个初始参数 K_p0、K_i0、K_d0的调整量比例调节系数ΔK_p、积分调节系数ΔK_i、微分调节系数ΔK_d；

步骤四，模糊推理得到的输出量为模糊向量，将模糊向量转换为模糊子集论域X内的精确量，即反模糊的过程；

步骤五，通过比例因子将所述调整量ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d量化为实际的物理量ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d来调整K_p0、K_i0、K_d0三个参数：

进一步的，所述步骤一中，输入量e和ec的模糊子集论域定义为X＝{-3，-2，-1，0，1，2， 3}，设e和ec的变化范围为[a,b]，量化函数为：

进一步的，所述步骤二中，定义输入量e和ec的模糊语言变量集{负大[NB]，负中[NM]，负小[NS]，零[ZO]，正小[PS]，正中[PM]，正大[PB]}，然后设定对应语言变量的隶属度函数如下：

通过隶属度函数将所述输入量e和ec量化到模糊子集论域X的精确量x转换为模糊语言变量，实现精确量的模糊化处理。

更进一步的，所述步骤二中采用三角隶属度函数进行模糊化。

进一步的，所述模糊规则表根据常规PID恒油压控制中实际参数整定的经验规律来制定；对于比例系数ΔK_p的调节，控制前期设定的期望油压与反馈油压的偏差较大，较小的比例系数可输出较大的控制量；控制中期较大的比例系数保证反馈油压迅速跟随给定油压，控制后期较小的比例系数可减小超调量；对于积分系数ΔK_i的调节，控制前期采用积分分离避免偏差太大造成积分饱和，控制中后期逐渐加大积分系数可以提高恒油压控制的稳态精度；对于微分系数ΔK_d的调节，控制前期减小微分系数降低输入噪声，控制中期较小的微分系数避免影响跟随给定油压速度，控制后期较大的微分系数以减小超调量。

如图1所示，介绍了高压燃油泵控制系统及油路。控制系统前端油压采集传感器连接高压燃油泵出油管路，将采集的模拟信号进行硬件电路滤波。主控电路对硬件电路滤波后的信号进行采样和数字滤波，然后进行逻辑判断和恒油压控制算法运算。最后由主控系统或发动机ECU 输出的PWM信号控制驱动电路接收，从而控制高压燃油泵电机转速实现油泵油压调节。高压燃油泵的进油管与油箱相连，燃油被油泵吸入后加压为高压油输送至喷油嘴为发动机提供高压燃油。在油箱的回油管安装有节流阀，通过调整回油量来控制油压量级。

高压燃油泵恒油压模糊自适应控制系统通用性说明如图2所示，该控制系统设计了一个功能选择开关并配合相应的配套软件使该控制系统既能满足德国3W发动机ECU对油压进行闭环控制，而且兼容其他型号发动机ECU进行独立闭环控制。

与德国3W发动机ECU配合使用时，其工作原理如图2(a)所示，首先传感器电路采集的油压模拟信号通过主控电路AD采样，然后进行量纲转化，对该油压数据再进行数字滤波得到实时精确的油压数据。主控电路再将油压数据转换为对应脉宽的PWM信号，然后输出至德国3W发动机ECU，该ECU中的油泵控制子模块根据ECU的油压给定进行恒油压闭环控制算法运算，得到油泵电机的控制量，然后将该控制信号输出至驱动电路，驱动电机转动调整管路燃油加压从而实现油压的控制。

在与其他型号发动机ECU配合使用时，其工作原理如图2(b)所示，传感器电路与上述图2(a)相同。与上述图2(a)不同在于主控系统进行独立恒油压闭环控制，其原理为：主控系统通过串口接收ECU的油压数字指令，根据油压给定与反馈进行模糊自适应闭环控制律解算，将得到的控制信号输出到驱动电路，实现电机转速的动态调整，从而完成油压的指令闭环控制。该驱动电路与上述图2(a)相同。

高压燃油泵恒油压控制算法采用模糊自适应PID控制算法，该算法流程如图3所示：

1.输入量量化

如图4所示的模糊自适应PID控制框图，需要通过量化函数对输入量(期望油压与反馈油压的偏差e和偏差的变化ec)映射到模糊论域，一般是关于0对称的糊子集论域。该系统的模糊子集论域定义为X＝{-3，-2，-1，0，1，2，3}，设e和ec的变化范围为[a,b]，因此量化函数可以为：

2.模糊化

首先定义e和ec的模糊语言变量集{负大[NB]，负中[NM]，负小[NS]，零[ZO]，正小[PS]，正中[PM]，正大[PB]},然后设定对应语言变量的隶属度函数如下：

通过隶属度函数将e和ec量化到模糊子集论域X的精确量x转换为模糊语言变量，实现精确量的模糊化处理，本系统采用三角隶属度函数进行模糊化，如图5所示。

3.模糊规则及模糊推理

表1

比例积分微分调整量模糊推理规则表

实现模糊推理首先需要设计模糊规则表，该系统通过表1模糊规则来整定PID控制器三个初始参数K_p0、K_i0、K_d0的调整量ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d，模糊规则库根据实际工程经验中 PID参数整定的规律来制定。工程中对于恒油压控制的PID参数制定了49条模糊规则，其中一条如下：

If e is NB and ec is NB(K_p is ZO)(K_i is NB)(K_d is PS)

该模糊推理规则是典型的if A and B then C,使用MATLAB中的fuzzy工具箱，按照以上49 条规则进行模糊推理，分别得到不同输入对应的输出量ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d的模糊向量[μ(-3) μ(-2)μ(-1)μ(0)μ(1)μ(2)μ(3)]。

4.反模糊化

上述模糊推理得到的输出量为模糊向量，将模糊向量转换为模糊子集论域X＝{-3，-2，-1， 0，1，2，3}内的精确量，及为反模糊的过程。该转换过程采用的重心法如下：

其中u为输出的精确量，μ为隶属度，x为模糊子集论域中的元素。

5.工程量化

上述的模糊化、模糊推理和反模糊化通过MATLAB中的fuzzy工具箱离线运算得到输出量的模糊控制表，该输出量还需通过比例因子量化为实际的物理量ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d来调整 K_p0、K_i0、K_d0三个参数。

6.PID控制器

表2

不同油压给定下的PID参数表

如图4所示该PID控制器可根据期望的油压按缩放因子k自动调整三个参数，满足不同油压段油压精确控制。在实际的试验调试中得到了经典PID恒油压控制在不同油压给定所需PID 参数表如表2所示，根据该表可以拟合得到PID参数相应的缩放因子k。

为了验证本发明的有效性，进行的对比实验及分析如下：

将高压燃油泵模式选择为板上独立闭环模式，分别使用经典PID和模糊自适应PID控制算法进行恒油压控制对比实验，该实验前提是使用相同的油泵状态即使用相同的供电电压、喷油嘴开闭、回流阀开度，并且模糊自适应PID控制算法中的初始PID参数值与经典PID中的固定PID参数相同。该控制系统的控制周期为0.01s，对两种算法分别采集3500组数据，绘制控制效果波形图如图6所示，从对比波形图中可以看出在给定期望油压从2000mbar上升至 2500mbar时，模糊自适应PID控制算法相比经典PID算法，能迅速跟随指令并且超调量很小，证明该算法动态性能优于经典PID算法并且具有较强的鲁棒性。对两种算法反馈的实际油压数据和给定期望油压数据计算的标准差分别为20.59、26.45，可以得出模糊自适应PID控制算法的稳态性能也优于经典PID算法。因此验证了本发明具有有效性。

上述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和调整，这些改进和调整也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.航空高压燃油泵恒油压模糊自适应控制系统，其特征在于，该系统包括传感器电路、主控电路和驱动电路三部分，其中，所述传感器电路包括连接在油泵出油管支路上的油压传感器以及油压信号滤波模块；

所述主控电路中包括主控芯片、功能选择开关，所述主控电路基于油压传感器采集到的油压信号，采用模糊自适应控制算法产生PWM控制信号，发送给所述驱动电路；

所述驱动电路包括油泵电机、电机驱动和抽油齿轮，所述主控电路产生PWM控制信号发送给所述油泵电机，调整电机转速变化，电机带动油泵实现油泵出油的恒油压实时控制。

2.如权利要求1所述的航空高压燃油泵恒油压模糊自适应控制系统，其特征在于，所述传感器电路中包含滤波模块，所述滤波模块连接在所述油压传感器后，所述油压传感器输出为模拟信号，滤波模块对油压传感器输出的模拟信号进行了硬件低通滤波和软件去野值滤波，得到稳定准确的传感器数据。

3.如权利要求1所述的航空高压燃油泵恒油压模糊自适应控制系统，其特征在于，所述主控电路中包含功能选择开关，所述功能选择开关为拨码开关，实现油泵工作模式选择，模式一以满足发动机ECU运行经典PID算法输出PWM信号对油泵进行恒油压控制，模式二油泵主控通过数字通信接口接收其他型号发动机ECU的期望油压指令，同时运行恒油压模糊自适应PID算法实现脱离ECU独立闭环控制，两种工作模式的选择提高了控制系统的通用性。

4.如权利要求1所述的航空高压燃油泵恒油压模糊自适应控制系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法采用模糊自适应PID控制算法，根据设定油压的大小、油压与反馈油压的偏差及偏差变化率动态调整初始的PID参数，实现了不同油压段油压的精确控制。

5.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：

步骤一，设定输入量，所述输入量包括期望油压与反馈油压的偏差e和偏差的变化率ec，将所述输入量映射到模糊论域；

步骤二，通过隶属度函数将e和ec量化到模糊子集论域X的精确量x转换为模糊语言变量，实现精确量的模糊化处理；

步骤三，设计模糊规则表，该系统通过所述模糊规则表来整定PID控制器三个初始参数K_p0、K_i0、K_d0的调整量比例调节系数ΔK_p、积分调节系数ΔK_i、微分调节系数ΔK_d；

步骤四，模糊推理得到的输出量为模糊向量，将模糊向量转换为模糊子集论域X内的精确量，即反模糊的过程；

步骤五，通过比例因子将所述调整量ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d量化为实际的物理量ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d来调整K_p0、K_i0、K_d0三个参数：

6.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述步骤一中，输入量e和ec的模糊子集论域定义为X＝{-3，-2，-1，0，1，2，3}，设e和ec的变化范围为[a,b]，量化函数为：

7.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述步骤二中，定义输入量e和ec的模糊语言变量集{负大[NB]，负中[NM]，负小[NS]，零[ZO]，正小[PS]，正中[PM]，正大[PB]}，然后设定对应语言变量的隶属度函数如下：

通过隶属度函数将所述输入量e和ec量化到模糊子集论域X的精确量x转换为模糊语言变量，实现精确量的模糊化处理。

8.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述步骤二中采用三角隶属度函数进行模糊化。

9.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述模糊规则表根据常规PID恒油压控制中实际参数整定的经验规律来制定；对于比例系数ΔK_p的调节，控制前期设定的期望油压与反馈油压的偏差较大，较小的比例系数可输出较大的控制量；控制中期较大的比例系数保证反馈油压迅速跟随给定油压，控制后期较小的比例系数可减小超调量；对于积分系数ΔK_i的调节，控制前期采用积分分离避免偏差太大造成积分饱和，控制中后期逐渐加大积分系数可以提高恒油压控制的稳态精度；对于微分系数ΔK_d的调节，控制前期减小微分系数降低输入噪声，控制中期较小的微分系数避免影响跟随给定油压速度，控制后期较大的微分系数以减小超调量。

10.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述步骤四反模糊过程基于以下公式：

其中u为输出的精确量，μ_i为隶属度，x_i为模糊子集论域中的元素。

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