CN116136196B 一种基于观测器的高压共轨系统喷油量pi闭环控制方法 （哈尔滨工程大学）

(19)国家知识产权局(12)发明专利(10)授权公告号CN116136196B(21)申请号202310170021.7(22)申请日2023.02.27(65)同一申请的已公布的文献号申请公布号CN116136196A(43)申请公布日2023.05.19知识产权办公室F02D41/40(2006.F02D41/14(2006.(56)对比文件(74)专利代理机构哈尔滨市工宇船程知识产权(54)发明名称一种基于观测器的高压共轨系统喷油量PI闭环控制方法(57)摘要本发明的目的在于提供一种基于观测器的高压共轨系统喷油量PI闭环控制方法，包括如下步骤：采集压力信号；设计喷油规律观测器；将实时观测的喷油率在喷油时刻内进行积分得到观测的喷油量；设计喷油量PI闭环控制系统；喷油脉宽的变化量加上初始脉宽，得到当前的喷油脉宽，由电磁阀控制喷油器中的针阀开启和关闭时刻，从而控制喷油过程，喷油过程引起共轨管内的燃油压力波动，输入到喷油规律观测器中，如此循环往复构成喷油量闭环观测和闭环控制过程。本发明不需要加装传感器，也不需要破环发21.一种基于观测器的高压共轨系统喷油量PI闭环控制方法，其特征是：(1)采集高压共轨系统共轨管的压力信号；油率的变化率Q,以实测的共轨压力为观测器的输入，利用实测轨压与观测的轨压之差作(3)将实时观测的喷油率Q在喷油时刻内进行积分得到观测的喷油量；(4)设计喷油量PI闭环控制系统，以观测的喷油量m作为反馈构成喷油量闭环，将目标喷油量与观测的喷油量相减，得到的喷油量误差输入到PI控制器中，控制器的输出为喷油脉宽的变化量；喷油量闭环控制具体为：i.计算单次喷油量的误差根据目标喷油量与观测的喷油量来计算喷油量的误差ii.喷油量PI闭环控制器设计PI控制器，根据喷油量的误差计算控制器的输出，及喷油脉宽的变化量其中，△w(t)为喷油脉宽变化量，即电磁阀开启持续时间；k,为比例系数，k;为积分系数，在每个喷油周期，计算喷油脉宽变化量△w(t),加上初始脉宽w。(t),得到当前的喷油脉(5)喷油脉宽的变化量加上初始脉宽，得到当前的喷油脉宽，由电磁阀控制喷油器中的针阀开启和关闭时刻，从而控制喷油过程，喷油过程引起共轨管内的燃油压力波动，输入到喷油规律观测器中，如此循环往复构成喷油量闭环观测和闭环控制过程。2.根据权利要求1所述的一种基于观测器的高压共轨系统喷油量PI闭环控制方法，其特征是：所述步骤(2)设计喷油规律观测器包括：a.建立基于瞬时共轨压力的喷油规律数学模型：高压共轨系统工作过程中，燃油从高压油泵输送至共轨管，然后经高压油管分配至各个喷油器，进入喷油器的燃油一部分进入控制腔进行回油过程，另一部分进入盛油腔进行喷油过程，根据上述物理过程，给出共轨管的燃忽略工作过程中燃油温度变化，燃油弹性模量E与轨压p有关，E的经验公式表示为：在高压燃油作用下，共轨管控制容积V随p发生变化，设V由共轨管容积V及其变化量△V表示为：3式中V为共轨管容积；△V(p)为共轨管容积的变化量，在高压燃油作用下引起的△V(p)另外，Q1eak由两部分组成：喷油器控制腔回油率和针阀偶方程和环形间隙泄露方程得到：将Emrek),化简得到燃油流动过程的数学模型：令得到基于瞬时共轨压力的喷油规律数学模型为：式中K(p)随轨压p变化而变化；b.工作点模型参数辨识：用一个线性模型来描述共轨管内燃油流动与压力变化之间的关系此时，模型中有一个待定的系数K,上式转换为将dp与Qn项在喷油期间进行积分，得到喷油量与轨压变化量的关系式，即式中：△p为喷油期间轨压变化量，Vn;为喷油器在喷油期间内的喷油量，喷油过程对应轨压下降阶段，通过喷油阶段的轨压降和喷油量信息辨识模型参数K;c.构建状态空间模型：选取共轨管的瞬时压力p、喷油率Qn;喷油率的变化率2m三个变量作为状态变量，即x₁=D,x₂=Q₁nj,x;(t)=Q,考虑到Qm近似为常数，因此₃=Q=0,根据式,得到态空间模型如下：x=Ax4x=Ax然后判断系统的可观测性，模型y=Cx可观测矩阵Ro计算如下：d.设计闭环观测器：观测器的状态变量为x=[pQ]T,设对应的反馈增益矩阵为H=[H₁,H₂,H₃],应用极点配置方法确定，闭环观测器的状态空间模型为式中，为闭环观测器的输出，其中喷油率的观测方程为：当观测器的状态x与系统实际状态x不相等时，反映到它们的输出与y也不相等，利用二者之间的偏差对观测状态进行实时校正，滚动优化，构成闭环状态观测器。3.根据权利要求1所述的一种基于观测器的高压共轨系统喷油量PI闭环控制方法，其特征是：步骤(3)喷油量m的积分公式为：5一种基于观测器的高压共轨系统喷油量PI闭环控制方法技术领域[0001]本发明涉及的是一种柴油机喷油控制方法，具体地说是高压共轨系统喷油控制方背景技术[0002]随着国际排放法规日渐严格，柴油机作为船舶的主要动力源，对提高其经济性和排放性的要求日益迫切。高压共轨燃油喷射技术在船用柴油机领域有着广阔的应用前景。目前，柴油机高压共轨系统的喷油量控制都是基于试验标定的MAP图进行开环控制，通过轨压闭环与转速闭环间接调节喷油过程。但是，由于高压共轨系统液力影响复杂，随着工作环境、运行工况变化以及系统结构参数退化等因素影响，这种方法在柴油机工作过程中难以保证循环喷油性能的一致性和可靠性。[0003]要实现喷油量闭环控制，实时获得喷油量信息是关键。目前，常用的喷油量测试方柴油机实际运行过程。喷油过程中，燃油在管路内流动，喷射引起的压力变化在液压网络内传播，燃油压力的瞬时波动可以反映喷油过程信息。发明内容[0004]本发明的目的在于提供可以实现柴油机高压共轨系统的喷油量闭环控制，从而有力的保证循环喷油性能的一致性和可靠性的一种基于观测器的高压共轨系统喷油量PI闭环控制方法。[0005]本发明的目的是这样实现的：[0006]本发明一种基于观测器的高压共轨系统喷油量PI闭环控制方法，其特征是：[0007](1)采集高压共轨系统共轨管的压力信号；[0008](2)设计喷油规律观测器，观测器包括三个观测的状态变量：瞬时压力p、喷油率Qin、喷油率的变化率2m,以实测的共轨压力为观测器的输入，利用实测轨压与观测的轨压之差作为反馈，实现观测器的闭环修正；[0009](3)将实时观测的喷油率Qm在喷油时刻内进行积分得到观测的喷油量；[0010](4)设计喷油量PI闭环控制系统，以观测的喷油量m作为反馈构成喷油量闭环，将目标喷油量与观测的喷油量相减，得到的喷油量误差输入到PI控制器中，控制器的输出为喷油脉宽的变化量；[0011](5)喷油脉宽的变化量加上初始脉宽，得到当前的喷油脉宽，由电磁阀控制喷油器中的针阀开启和关闭时刻，从而控制喷油过程，喷油过程引起共轨管内的燃油压力波动，输入到喷油规律观测器中，如此循环往复构成喷油量闭环观测和闭环控制过程。6[0018]忽略工作过程中燃油温度变化，燃油弹性模量E与轨压p有关，E的经验公式表示7[0045]选取共轨管的瞬时压力p、喷油率Qn喷油率的变化率Qm三个变量作为状态变量，即x₁=p,x₂=Qinj,x₃(t)=Qm,考虑到Q近似为常数，因此₃=Qm=0,根据式[0052]观测器的状态变量为x=[pO0.],设对应的反馈增益矩阵为H=[H₁,H₂,H₃],[0057]当观测器的状态x与系统实际状态x不相等时，反映到它们的输出与y也不相等，8[0061]3、步骤(4)中喷油量闭环控制具体为：[0062]i.计算单次喷油量的误差[0063]根据目标喷油量与观测的喷油量来计算喷油量的误差[0066]ii.喷油量PI闭环控制器[0067]设计PI控制器，根据喷油量的误差计算控制器的输出，及喷油脉宽的变化量系数，在每个喷油周期，计算喷油脉宽变化量△w(t),加上初始脉宽w。(t),得到当前的喷油[0070]本发明的优势在于：本发明提出的一种基于观测器的高压共轨电控喷油器喷油量闭环控制方法，以观测的喷油量作为闭环控制的反馈信号，将目标喷油量与观测喷油量的误差作为PI控制器的输入，电磁阀的喷油脉宽变化量作为PI控制器的输出，从而控制整个喷油过程，实现了实际工况下的喷油量闭环控制过程。该方法能够根据采集的轨压信号实时观测喷油器的燃油喷射量，由于整机运行时，共轨管通常安装轨压传感器，因此不需要加装传感器，也不需要破环发动机喷油器及燃烧室的整体结构，设备简单，可以实现发动机缸外测量。附图说明[0071]图1为基于观测器的喷油量闭环控制原理框图；[0072]图2为本发明的流程图；[0073]图3为喷油率观测值与实际值对比；[0074]图4为循环喷射的喷油率观测值与实际值对比；[0075]图5为喷油量观测值与实际值对比；[0076]图6为闭环控制系统的喷油量输出响应；[0077]图7为PI控制器的输出响应。具体实施方式[0078]下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：[0079]结合图1-7,本发明提出了基于观测器的喷油量PI闭环控制方法，包括以下步骤：步骤S1,采集高压共轨系统共轨管的压力信号；步骤S2,设计喷油规律观测器，观测器包括三个观测的状态变量：瞬时压力p、喷油率Qn、喷油率的变化率2m,以实测的共轨压力为观测器的输入，利用实测轨压与观测的轨压之差作为反馈，实现观测器的闭环修正；步骤S3,将实时观测的喷油率Qm在喷油时刻内进行积分得到观测的喷油量；步骤S4,设计喷油量PI闭环控制系统，以观测的喷油量作为反馈构成喷油量闭环，将目标喷油量与观测的喷油量相减，得到的喷油量误差输入到PI控制器中，控制器的输出为喷油脉宽的变化量；步骤9至各个喷油器。进入喷油器的燃油一部分进入控制腔进行回[0085]忽略工作过程中燃油温度变化，燃油弹性模量E与轨压p有关，E的经验公式表示射造成的轨压波动在较小，由此引起的K值变化较小。因此，在一定设定轨压下，可将在K近似为常数，用一个线性模型来描述共轨管内燃油流动与压力变化之间的关系[0106]将dp与Qn;项在喷油期间进行积分，得到喷油量与轨压变化量的关系式，即[0107]ʃdp=K·ʃQin;dt(11)[0109]式中：△p为喷油期间轨压变化量，Vin;为喷油器在喷油期间内的喷油量。由于喷油过程对应轨压下降阶段，通过喷油阶段的轨压降和喷油量信息可以辨识模型参数K。[0110]步骤203.构建状态空间模型[0111]选取共轨管的瞬时压力p、喷油率Qin、喷油率的变化率0m三个变量作为状态变到态空间模型如下：x=Ax考虑到Qm近似为常数，因此x₃=Qm;=0。根据式(9),得[0114]然后判断系统的可观测性。模型(13)可观测矩阵Ro计算如下：[0116]Ro为满秩，说明该系统的所有状态变量是可观测的，可以设计闭环观测器。[0117]步骤S204.闭环观测器设计[0118]观测器的状态变量为x=[pQ0..]T,设对应的反馈增益矩阵为H=[H₁,H₂,H₃],x=Axx=Ax+H(y-)[0120]式中，为闭环观测器的输出。其中喷油率的观测方程为：[0122]当观测器的状态x与系统实际状态x不相等时，反映到它们的输出与y也不相等，利用二者之间的偏差对观测状态进行实时校正，滚动优化，构成闭环状态观测器。[0123]进一步地，所述步骤S3,将观测得到的喷油率在喷油阶段内进行积分，得到观测的喷油量m[0127]步骤401.计算单次喷油量的误差[0128]根据目标喷油量与观测的喷油量来计算喷油量的误差[0131]步骤402.喷油量PI闭环控制器[0132]设计PI控制器，根据喷油量的误差计算控制器的输出，及喷油脉宽的变化量系数。在每个喷油周期，计算喷油脉宽变化量△w(t),加上初始脉宽w。(t),得到当前的喷油[0136]图1所示为基于观测器的喷油量闭环控制原理框图。从图中可以看出，控制过程包括喷油量闭环控制和喷油量闭环观测两个闭环系统。以观测的喷油量作为反馈，将目标喷油量与观测的喷油量相减，得到喷油量误差输入到PI控制器中，控制器的输出为电磁阀喷油脉宽的变化量，加上初始脉宽，得到当前的喷油脉宽，再根据喷油脉宽，由电磁阀控制针阀开启和关闭时刻，从而控制喷油过程，构成喷油量闭环控制。电控喷油器喷油过程引起共轨管内的燃油压力波动，输入到喷油规律观测器中，根据实测的轨压与观测的轨压之差，对观测状态进行实时校正，得到观测的喷油率Qm,构成闭环状态观测器。通过积分得到观测的喷油量而，反馈到喷油量控制闭环中。[0137]如图2所示为高压共轨系统喷油量闭环控制流程图。包括以下步骤：[0138]所述步骤S1,采集高压共轨系统共轨管的压力信号。[0140]步骤201.建立基于瞬时共轨压力的喷油规律数学模型[0141]高压共轨系统工作过程中，燃油从高压油泵输送至共轨管，然后经高压油管分配至各个喷油器。进入喷油器的燃油一部分进入控制腔进行回油过程，另一部分进入盛油腔进行喷油过程。根据上述物理过程，给出共轨管的燃油连续方程：[0143]式中，Qpum为高压油泵供入共轨管的燃油流率，在喷油过程其数值为0;Qn;为喷油[0144]忽略工作过程中燃油温度变化，燃油弹性模量E与轨压p有关，E的经验公式表示动与压力变化之间的关系脉宽/ms喷油量[0175]选取共轨管的瞬时压力p、喷油率Qn、喷油率的变化率Qm三个变量作为状态变x=Ax[0182]观测器的状态变量为x=[分0],设对应的观测器反馈增益矩阵H=[H₁,x=Ax+H(y-)得到反馈增益矩阵为H=[3556-387-32]。将三个状态变量初始状态设置为x0=[160000],进行仿真，图3～5为喷油规律观测结果。[0187]从图3、4可以看出，轨压与喷油率的观测值与仿真数据具有较高一致性。观测的喷油量如图5所示，连续喷油50次，单次喷油量观测值与实际值之间平均误差为4.46%。[0188]进一步地，所述步骤S3,将观测得到的喷油率在喷油阶段内进行积分，得到观测的[0192]步骤401.计算单次喷油量的误差[0193]根据目标喷油量与观测的喷油量来计算喷油量的误差[0196]步骤402.喷油量PI闭环控制器[0197]设计PI控制器，根据喷油量的误差计算控制器的输出，及喷油脉宽的变化量系数。在每个喷油周期，计算喷油脉宽变化量△w(t),加上初始脉宽w。(t),得到当前的喷油[0200]根据高压共轨系统喷油量闭环控制原理框图建立仿真模型，目标喷油量为62.9mm³(对应1.2ms脉宽),设计PI控制器参数为k₀=0