CN114704398B - 一种基于在线感知为反馈信息的高压共轨柴油机燃油喷射系统及其pid闭环控制方法 - Google Patents

一种基于在线感知为反馈信息的高压共轨柴油机燃油喷射系统及其pid闭环控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于在线感知为反馈信息的高压共轨柴油机燃油喷射系统及其PID闭环控制方法。步骤1：组装控制装置，并进行调试，采集喷油器入口处的压力信号；步骤2：将步骤1装置中测得的压力信号，根据黎曼不变理论得到质量流量变化率dG与压力变化率dP；步骤3：将步骤2的质量流量变化率dG与压力变化率dP，计算燃油喷射量；步骤4：将步骤3的燃油喷射量，利用基于遗传算法的PID控制器，求解PID控制参数的最优解，通过最优参数控制喷油器电磁阀，最终输出喷油量。本发明实现在不破坏实际柴油机燃料系统管路结构变化的条件下，对电控喷油器燃油喷射规律在线闭环控制。

Description

一种基于在线感知为反馈信息的高压共轨柴油机燃油喷射系 统及其PID闭环控制方法
技术领域
本发明涉及动力能源领域，具体涉及一种基于在线感知为反馈信息的高压共轨柴油机燃油喷射系统及其PID闭环控制方法。
背景技术
近年来随着能源枯竭和环境污染问题的逐渐加重，世界各国和相关组织纷纷出台更加严格的排放法规，给柴油机带来了新的挑战。目前，高压共轨柴油机正朝着高热效率，高喷射压力的方向发展。在极高的喷射压力下，对发动机的瞬态特性的研究和控制成为热点，实现喷油量一致性和各缸工作一致性对燃油喷射控制技术提出了新的挑战。
电控高压共轨燃油喷射技术能够实现对喷油压力、喷油时刻以及喷油量的精确控制，使柴油机可以在最佳工况运行，同时也可以有效地减少柴油机的排放，在船舶柴油机领域得到了广泛的应用和发展。电控喷油器作为高压共轨系统的核心部件之一，其工作状态直接决定着喷入气缸燃油的特性，进而影响整个柴油机的性能。
由于实际运行过程中喷射器喷射特性不可直接观测，因此提出一种能够实现对喷射器在线反馈，进而实现喷油量闭环控制，同时可以根据喷射器的运行状态提出喷射器实时监测、故障预警以及剩余寿命预测。实现船用柴油机高压共轨系统电控喷油器性能的在线状态观测，对于实现船用柴油机在全工况全生命周期内的各缸一致性控制至关重要。其关键在于需要对高压共轨系统电控喷油器特性实时在线观测并反馈到电控单元(ECU)，ECU据此进行分析判断并及时调整喷油控制参数，从而实现电控喷油器喷油过程的闭环控制。
目前对于喷油量测试的方法，如动量法、容积法、位移法等方法脱离了柴油机实际的工作条件，破坏了柴油机原有的机械结构。因此，以喷油器入口处作为压力信号监测点，采用夹持式传感器安装方式在接触喷油器的条件下可避免燃料系统管路的结构变化，然后以入口压力信号为在线反馈信息，实时控制喷油量的变化。
发明内容
本发明提供一种基于在线感知为反馈信息的高压共轨柴油机燃油喷射系统及其PID闭环控制方法，实现在不破坏实际柴油机燃料系统管路结构变化的条件下，对电控喷油器燃油喷射规律在线闭环控制。
本发明通过以下技术方案实现：
一种基于在线感知为反馈信息的高压共轨柴油机燃油喷射系统，所述高压共轨柴油机燃油喷射系统油泵1、电机2、高压油轨3、轨压控制器5、喷油器4、压力传感器6、PXI控制器7、驱动单元iPod8、电荷放大器9和上位机10；
所述电机2与油泵1相连接，所述油泵1分别与油源11和高压油轨3相连接，所述高压油轨3通过高压油管与喷油器4的压力传感器6相连接；所述高压油轨3通过轨压控制器5与上位机10相连接
所述PXI控制器7通过驱动单元iPod8与喷油器1-4相连接。
一种基于在线感知为反馈信息的高压共轨柴油机燃油喷射系统及其PID闭环控制方法，所述控制方法具体包括以下步骤：
步骤1：组装控制装置，并进行调试，采集喷油器入口处的压力信号；
步骤2：将步骤1装置中测得的压力信号，根据黎曼不变理论得到质量流量变化率dG与压力变化率dP；
步骤3：将步骤2的质量流量变化率dG与压力变化率dP，计算燃油喷射量；
步骤4：将步骤3的燃油喷射量，利用基于遗传算法的PID控制器，求解PID控制参数的最优解，通过最优参数控制喷油器电磁阀，最终输出喷油量。
一种基于在线感知为反馈信息的高压共轨柴油机燃油喷射系统的PID闭环控制方法，所述步骤1
一种基于在线感知为反馈信息的高压共轨柴油机燃油喷射系统的PID闭环控制方法，所述步骤2具体为，将高压共轨端看做等压反射端，将燃油系统内的压力波动视为一维非定常管流，忽略摩擦力以及流体的粘性影响，根据声速方程和守恒方程，得到如下的偏微分方程组：
Figure GDA0004047122280000021
式中，P为入口压力，u为燃油流速，a为当前燃油声速；ρ为燃油密度；x为x-t坐标的纵坐标方向；t为时间；
根据双曲型偏微分方程理论，可将上式化简为以x-t上的两族曲线为特征线的常微分特征线方程：
Figure GDA0004047122280000031
式中，
Figure GDA0004047122280000032
为黎曼波在特征线ГR的表达式；
Figure GDA0004047122280000033
为黎曼波在特征线ГL的表达式；
Figure GDA0004047122280000034
在一维管流动中，若压力波的传播方向与管流方向一致，则压力波在特征线ГR上，若压力波的传播方向与管流方向相反，则压力波在特征线ГL上；根据黎曼波不变理论，特征线ГR与特征线ГL上的黎曼不变量dRR与dRL都为0；
可得到质量流量变化率dG与压力变化率dP的直接关系如下：
Figure GDA0004047122280000035
其中，A为高压油管的截面面积。
一种基于在线感知为反馈信息的高压共轨柴油机燃油喷射系统的PID闭环控制方法，所述步骤3具体分为，
当喷油脉宽很短时，喷油结束时刻早于反射波W3回到测量点处的时刻的燃油喷射量；
当反射波W3在喷射过程中可以回到测量点处，但是针阀在喷射过程中没有运动到最大限位处的燃油喷射量；
当针阀在喷射过程中可以达到最大限位处的燃油喷射量。
一种基于在线感知为反馈信息的高压共轨柴油机燃油喷射系统的PID闭环控制方法，当喷油脉宽很短时，喷油结束时刻早于反射波W3回到测量点处的时刻的燃油喷射量m具体为，
Figure GDA0004047122280000036
其中A为高压油管的截面面积，a为当前燃油声速，Ptest为传感器实测压力，PW1为球阀开启产生的膨胀波，PW3为油轨处的反射波，t0为喷油器激励电流起始时刻，t1为针阀完全开启，t2为针阀开始落座时刻，t3为喷油结束时刻。
一种基于在线感知为反馈信息的高压共轨柴油机燃油喷射系统的PID闭环控制方法，当反射波W3在喷射过程中可以回到测量点处，但是针阀在喷射过程中没有运动到最大限位处的燃油喷射量m具体为，
Figure GDA0004047122280000041
其中A为高压油管的截面面积，a为当前燃油声速，Ptest为传感器实测压力，PW1为球阀开启产生的膨胀波，PW3为油轨处的反射波，t0为喷油器激励电流起始时刻，t1为针阀完全开启，t2为针阀开始落座时刻，t3为喷油结束时刻。
一种基于在线感知为反馈信息的高压共轨柴油机燃油喷射系统的PID闭环控制方法，当针阀在喷射过程中可以达到最大限位处的燃油喷射量m具体为，
Figure GDA0004047122280000042
其中A为高压油管的截面面积，a为当前燃油声速，Ptest为传感器实测压力，PW1为球阀开启产生的膨胀波，PW3为油轨处的反射波，t0为喷油器激励电流起始时刻，t1为针阀完全开启，t2为针阀开始落座时刻，t3为喷油结束时刻，tc为针阀关闭时刻，ts为针阀开启时刻，G为质量流率，m为燃油喷射量。
一种基于在线感知为反馈信息的高压共轨柴油机燃油喷射系统的PID闭环控制方法，所述步骤4具体为，以步骤3中得出的燃油喷射量为初始PID算法的输入信号，喷油器电磁阀的喷油脉宽ET作为输出信号，传递函数为：
Figure GDA0004047122280000043
其中u(t)为输出信号；e(t)为输入误差信号；
建立电控喷油器喷油量控制的全局变量，生成控制参数的初始种群M，染色体S(Kp，Ki，Kd)和遗传迭代的最大次Gmax，采用二进制编码方式初始种群进行编码，每个参数用6位无符号的二进制编码表示，Kp、Ki、Kd三个参数依次串接构成样本，样本串长度l＝18；
参数的译码公式如下式所示
Figure GDA0004047122280000051
式中，a，b，c为三个参数的取值范围，r为二进制编码值；Kp为比例系数；Ki为积分系数；Kd为“微分系数；
由入口压力信号，根据步骤3得出的燃油喷油量做为输入，确定个体适应度函数为
Figure GDA0004047122280000052
式中，Pi为个体被选择进入下一代种群的概率，fi为个体的适应度。
种群个体经过适应度判断后生成新种群，种群个数为：
Figure GDA0004047122280000053
最后根据进行遗传与变异产生新种群，对新种群译码，求解PID控制参数的最优解，通过最优参数控制喷油器电磁阀，最终输出喷油量。
本发明的有益效果是：
本发明不仅保持发动机实际结构，消除了因为机械结构的变化而引起的误差，而且能够根据实时的入口压力计算喷油器燃油喷射量。
本发明采取入口压力信号作为在线反馈信号，与现有的喷油量闭环控制方法相比，工作条件更加柔和，只需在喷油器入口处安装一个传感器，经济性好，寿命长。
本发明没有破坏柴油机原有设备结构，对柴油正常的工作无任何影响，所需要的仅有一个压力传感器，可应用于实际的柴油机喷油控制。
本发明提出的以在线感知为为反馈信息的高压共轨柴油机燃油喷射量PID闭环控制算法，在线反馈信息具有实时性，且本发明PID控制算法控制具有实时性，可实现燃油喷射量的实时闭环控制。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的遗传算法原理图。
图3是本发明的于遗传算法的PID控制框图。
图4是本发明的算法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种基于在线感知为反馈信息的高压共轨柴油机燃油喷射系统，所述高压共轨柴油机燃油喷射系统油泵1、电机2、高压油轨3、轨压控制器5、喷油器4、压力传感器6、PXI控制器7、驱动单元iPod8、电荷放大器9和上位机10；
所述电机2与油泵1相连接，所述油泵1分别与油源11和高压油轨3相连接，所述高压油轨3通过高压油管与喷油器4的压力传感器6相连接；所述高压油轨3通过轨压控制器5与上位机10相连接
所述PXI控制器7通过驱动单元iPod8与喷油器1-4相连接。
一种基于在线感知为反馈信息的高压共轨柴油机燃油喷射系统及其PID闭环控制方法，所述控制方法具体包括以下步骤：
步骤1：组装控制装置，并进行调试，采集喷油器入口处的压力信号；
步骤2：将步骤1装置中测得的压力信号，根据黎曼不变理论得到质量流量变化率dG与压力变化率dP；
步骤3：将步骤2的质量流量变化率dG与压力变化率dP，计算燃油喷射量；
步骤4：将步骤3的燃油喷射量，利用基于遗传算法的PID控制器，求解PID控制参数的最优解，通过最优参数控制喷油器电磁阀，最终输出喷油量。
一种基于在线感知为反馈信息的高压共轨柴油机燃油喷射系统的PID闭环控制方法，所述步骤1
一种基于在线感知为反馈信息的高压共轨柴油机燃油喷射系统的PID闭环控制方法，所述步骤2具体为，将高压共轨端看做等压反射端，将燃油系统内的压力波动视为一维非定常管流，忽略摩擦力以及流体的粘性影响，根据声速方程和守恒方程，得到如下的偏微分方程组：
Figure GDA0004047122280000071
式中，P为入口压力，u为燃油流速，a为当前燃油声速；ρ为燃油密度；x为x-t坐标的纵坐标方向；t为时间；
根据双曲型偏微分方程理论，可将上式化简为以x-t上的两族曲线为特征线的常微分特征线方程：
Figure GDA0004047122280000072
式中，
Figure GDA0004047122280000073
为黎曼波在特征线ГR的表达式；
Figure GDA0004047122280000074
为黎曼波在特征线ГL的表达式；
Figure GDA0004047122280000075
在一维管流动中，若压力波的传播方向与管流方向一致，则压力波在特征线ГR上，若压力波的传播方向与管流方向相反，则压力波在特征线ГL上；根据黎曼波不变理论，特征线ГR与特征线ГL上的黎曼不变量dRR与dRL都为0；
可得到质量流量变化率dG与压力变化率dP的直接关系如下：
Figure GDA0004047122280000076
其中，A为高压油管的截面面积(单位：mm2)。
一种基于在线感知为反馈信息的高压共轨柴油机燃油喷射系统的PID闭环控制方法，所述步骤3具体分为，
当喷油脉宽很短时，喷油结束时刻早于反射波W3回到测量点处的时刻的燃油喷射量；
当反射波W3在喷射过程中可以回到测量点处，但是针阀在喷射过程中没有运动到最大限位处的燃油喷射量；
当针阀在喷射过程中可以达到最大限位处的燃油喷射量。
一种基于在线感知为反馈信息的高压共轨柴油机燃油喷射系统的PID闭环控制方法，当喷油脉宽很短时，喷油结束时刻早于反射波W3回到测量点处的时刻的燃油喷射量m具体为，
Figure GDA0004047122280000081
其中A为高压油管的截面面积，a为当前燃油声速，Ptest为传感器实测压力，PW1为球阀开启产生的膨胀波，PW3为油轨处的反射波，t0为喷油器激励电流起始时刻，t1为针阀完全开启，t2为针阀开始落座时刻，t3为喷油结束时刻。
一种基于在线感知为反馈信息的高压共轨柴油机燃油喷射系统的PID闭环控制方法，当反射波W3在喷射过程中可以回到测量点处，但是针阀在喷射过程中没有运动到最大限位处的燃油喷射量m具体为，
Figure GDA0004047122280000082
其中A为高压油管的截面面积，a为当前燃油声速，Ptest为传感器实测压力，PW1为球阀开启产生的膨胀波，PW3为油轨处的反射波，t0为喷油器激励电流起始时刻，t1为针阀完全开启，t2为针阀开始落座时刻，t3为喷油结束时刻。
一种基于在线感知为反馈信息的高压共轨柴油机燃油喷射系统的PID闭环控制方法，当针阀在喷射过程中可以达到最大限位处的燃油喷射量m具体为，
Figure GDA0004047122280000083
其中A为高压油管的截面面积，a为当前燃油声速，Ptest为传感器实测压力，PW1为球阀开启产生的膨胀波，PW3为油轨处的反射波，t0为喷油器激励电流起始时刻，t1为针阀完全开启，t2为针阀开始落座时刻，t3为喷油结束时刻，tc为针阀关闭时刻，ts为针阀开启时刻，G为质量流率，m为燃油喷射量。
一种基于在线感知为反馈信息的高压共轨柴油机燃油喷射系统的PID闭环控制方法，所述步骤4具体为，以步骤3中得出的燃油喷射量为初始PID算法的输入信号，喷油器电磁阀的喷油脉宽ET作为输出信号，传递函数为：
Figure GDA0004047122280000084
其中u(t)为输出信号；e(t)为输入误差信号；
建立电控喷油器喷油量控制的全局变量，生成控制参数的初始种群M，染色体S(Kp，Ki，Kd)和遗传迭代的最大次Gmax，采用二进制编码方式初始种群进行编码，每个参数用6位无符号的二进制编码表示，Kp、Ki、Kd三个参数依次串接构成样本，样本串长度l＝18；
参数的译码公式如下式所示
Figure GDA0004047122280000091
式中，a，b，c为三个参数的取值范围，r为二进制编码值；Kp为比例系数；Ki为积分系数；Kd为“微分系数；
由入口压力信号，根据步骤3得出的燃油喷油量做为输入，确定个体适应度函数为
Figure GDA0004047122280000092
式中，Pi为个体被选择进入下一代种群的概率，fi为个体的适应度。
种群个体经过适应度判断后生成新种群，种群个数为：
Figure GDA0004047122280000093
最后根据进行遗传与变异产生新种群，对新种群译码，求解PID控制参数的最优解，通过最优参数控制喷油器电磁阀，最终输出喷油量。
如图1所示，在高压共轨燃油喷油器入口高压油管端安装一个压力传感器，用于在线感知喷油器入口压力，入口压力信号经信号放大器至信号采集模块。
通过对燃油喷射量进行计算，实现喷油量的在线感知。
以在线喷油量信息反馈信息，初步整定PID控制参数，对控制参数进行编码，进行种群遗传变异，产生新种群并对其译码，得到最优PID控制参数。
通过最优PID参数来控制喷油器，重复步骤2-4，实现以在线感知为为反馈信息的高压共轨柴油机燃油喷射量PID闭环控制。

Claims (8)

1.一种基于在线感知为反馈信息的高压共轨柴油机燃油喷射系统的PID闭环控制方法，其特征在于，
所述控制方法具体包括以下步骤：
步骤1：组装控制装置，并进行调试，采集喷油器入口处的压力信号；
步骤2：将步骤1装置中测得的压力信号，根据黎曼不变理论得到质量流量变化率dG与压力变化率dP；
步骤3：将步骤2的质量流量变化率dG与压力变化率dP，计算燃油喷射量；
步骤4：将步骤3的燃油喷射量，利用基于遗传算法的PID控制器，求解PID控制参数的最优解，通过最优参数控制喷油器电磁阀，最终输出喷油量。
2.根据权利要求1所述一种基于在线感知为反馈信息的高压共轨柴油机燃油喷射系统的PID闭环控制方法，其特征在于，所述控制装置包括油泵(1)、电机(2)、高压油轨(3)、轨压控制器(5)、喷油器(4)、压力传感器(6)、PXI控制器(7)、驱动单元iPod(8)、电荷放大器(9)和上位机(10)；
所述电机(2)与油泵(1)相连接，所述油泵(1)分别与油源(11)和高压油轨(3)相连接，所述高压油轨(3)通过高压油管与喷油器(4)的压力传感器(6)相连接；所述高压油轨(3)通过轨压控制器(5)与上位机(10)相连接，
所述PXI控制器(7)通过驱动单元iPod(8)与喷油器(4)相连接。
3.根据权利要求1所述一种基于在线感知为反馈信息的高压共轨柴油机燃油喷射系统的PID闭环控制方法，其特征在于，所述步骤2具体为，将高压共轨端看做等压反射端，将燃油系统内的压力波动视为一维非定常管流，忽略摩擦力以及流体的粘性影响，根据声速方程和守恒方程，得到如下的偏微分方程组：
Figure FDA0004047122270000011
式中，P为入口压力，u为燃油流速，a为当前燃油声速；ρ为燃油密度；x为x-t坐标的纵坐标方向；t为时间；
根据双曲型偏微分方程理论，可将上式化简为以x-t上的两族曲线为特征线的常微分特征线方程：
Figure FDA0004047122270000021
式中，
Figure FDA0004047122270000022
为黎曼波在特征线ГR的表达式；
Figure FDA0004047122270000023
为黎曼波在特征线ГL的表达式；
Figure FDA0004047122270000024
在一维管流动中，若压力波的传播方向与管流方向一致，则压力波在特征线ГR上，若压力波的传播方向与管流方向相反，则压力波在特征线ГL上；根据黎曼波不变理论，特征线ГR与特征线ГL上的黎曼不变量dRR与dRL都为0；
可得到质量流量变化率dG与压力变化率dP的直接关系如下：
Figure FDA0004047122270000025
其中，A为高压油管的截面面积。
4.根据权利要求1所述一种基于在线感知为反馈信息的高压共轨柴油机燃油喷射系统的PID闭环控制方法，其特征在于，所述步骤3具体分为，
当喷油脉宽很短时，喷油结束时刻早于反射波W3回到测量点处的时刻的燃油喷射量；
当反射波W3在喷射过程中可以回到测量点处，但是针阀在喷射过程中没有运动到最大限位处的燃油喷射量；
当针阀在喷射过程中可以达到最大限位处的燃油喷射量。
5.根据权利要求4所述一种基于在线感知为反馈信息的高压共轨柴油机燃油喷射系统的PID闭环控制方法，其特征在于，当喷油脉宽很短时，喷油结束时刻早于反射波W3回到测量点处的时刻的燃油喷射量m具体为，
Figure FDA0004047122270000026
其中A为高压油管的截面面积，a为当前燃油声速，Ptest为传感器实测压力，PW1为球阀开启产生的膨胀波，PW3为油轨处的反射波，t0为喷油器激励电流起始时刻，t1为针阀完全开启，t2为针阀开始落座时刻，t3为喷油结束时刻。
6.根据权利要求5所述一种基于在线感知为反馈信息的高压共轨柴油机燃油喷射系统的PID闭环控制方法，其特征在于，当反射波W3在喷射过程中可以回到测量点处，但是针阀在喷射过程中没有运动到最大限位处的燃油喷射量m具体为，
Figure FDA0004047122270000031
其中A为高压油管的截面面积，a为当前燃油声速，Ptest为传感器实测压力，PW1为球阀开启产生的膨胀波，PW3为油轨处的反射波，t0为喷油器激励电流起始时刻，t1为针阀完全开启，t2为针阀开始落座时刻，t3为喷油结束时刻。
7.根据权利要求4所述一种基于在线感知为反馈信息的高压共轨柴油机燃油喷射系统的PID闭环控制方法，其特征在于，当针阀在喷射过程中可以达到最大限位处的燃油喷射量m具体为，
Figure FDA0004047122270000032
其中A为油管内径，a为当前燃油声速，Ptest为传感器实测压力，PW1为球阀开启产生的膨胀波，PW3为油轨处的反射波，t0为喷油器激励电流起始时刻，t1为针阀完全开启，t2为针阀开始落座时刻，t3为喷油结束时刻，tc为针阀关闭时刻，ts为针阀开启时刻，G为质量流率，m为燃油喷射量。
8.根据权利要求1所述一种基于在线感知为反馈信息的高压共轨柴油机燃油喷射系统的PID闭环控制方法，其特征在于，所述步骤4具体为，以步骤3中得出的燃油喷射量为初始PID算法的输入信号，喷油器电磁阀的喷油脉宽ET作为输出信号，传递函数为：
Figure FDA0004047122270000033
其中u(t)为输出信号；e(t)为输入误差信号；
建立电控喷油器喷油量控制的全局变量，生成控制参数的初始种群M，染色体S(Kp，Ki，Kd)和遗传迭代的最大次Gmax，采用二进制编码方式初始种群进行编码，每个参数用6位无符号的二进制编码表示，Kp、Ki、Kd三个参数依次串接构成样本，样本串长度l＝18；
参数的译码公式如下式所示：
Figure FDA0004047122270000041
式中，a，b，c为三个参数的取值范围，r为二进制编码值；Kp为比例系数；Ki为积分系数；Kd为“微分系数；
由入口压力信号，根据步骤3得出的燃油喷油量做为输入，确定个体适应度函数为
Figure FDA0004047122270000042
式中，Pi为个体被选择进入下一代种群的概率，fi为个体的适应度；
种群个体经过适应度判断后生成新种群，种群个数为：
Figure FDA0004047122270000043
最后根据进行遗传与变异产生新种群，对新种群译码，求解PID控制参数的最优解，通过最优参数控制喷油器电磁阀，最终输出喷油量。
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