基于参数自调整模糊PID算法的前馈共轨压力控制

第35卷第3期2005年5月东南大学学报(自然科学版)J OURNAL OF SOUTHEA ST UN I V ERS I TY (Natural S ci en ce Ed iti on)V o l 35N o 3M ay 2005基于参数自调整模糊PI D 算法的前馈共轨压力控制宋国民1,2黄茂杨3季晓华2陆召振2(1清华大学汽车安全与节能国家重点实验室,北京100084)(2第一汽车集团无锡油泵油嘴研究所,无锡214063)(3东南大学仪器科学与工程系,南京210096)摘要:阐述了电控共轨燃油喷射系统结构及压力调节基本原理,针对压力控制传统PI D 算法的不足,引入参数自调整模糊PI D 算法,通过M atlab 仿真确定了不同误差输入时的参数调整规律.为提高压力控制动态响应,设计了前馈参数自调整模糊PI D 算法,并通过试验确定了前馈量与相关影响因素的定量关系,最后进行了系统对比试验.结果表明,该算法在工况过渡时的性能优于常规PI D 控制,压力控制超调量及稳态误差精度得到明显改善,从而为电控共轨系统精确喷油计量和控制奠定了基础.关键词:共轨;模糊PI D ;参数自调整;前馈中图分类号:TK421 文献标识码:A 文章编号:1001-0505(2005)03 0465 04Feed for ward press ure control of co mmon rail syste m based on para m eters self t uni ng fuzzy PI D algorith mSong G uom in 1,2Huang M aoyang 3 JiX iaohua 2 Lu Zhao zhen2(1S t ate Key Labo rat o ry o f Au t om o ti ve S afet y and En ergy ,T si n ghua U n i versity ,B eiji ng 100084,C h i na)(2W ux i Fuel In jecti on E quip m ent Res earch In stit u te ,F i rstA utom obil eW o r k s ,W ux i 214063,C h i na)(3D epart m en t o f Instrum en t S ci en ce and Techno l ogy,Sou t heastU n i versit y ,Nanji ng 210096,Ch i na)Abst ract :The fra m e w o r k of co mm on rail fue l sy ste m and pressure regulating pri n ciple arei n troduced .The para m eters se lf tun i n g fuzzy PI D (propo rtiona l integ ra l deriva ti v e )algo rithm is app lied to ov ercom e the sho rtcom ing s of trad itiona l PI D,and adjusti n g rules under d ifferent errors are studied .The feed fo r w ard algo rithm o f para m eters self tuning fuzzy PI D is presented to i m prov e pressure dyna m ic respon se ,and quantita tive re lationship bet w een feed fo r w ard va l u es and infl u ential facto rs is carried out through experi m en ts .Fina ll y som e tests are m ade and results show tha t the algo rithm s hav e good effects over PI D pressure contro l for transitiona l state .B esi d e s ov er adjust m ent and error of steady state are a lso i m pro ved greatly .Therefo re it can lay a so li d fo undati o n fo r i n jecti o n m easure m ent and contro.l K ey w ords :comm on ra i;l fuzzy PI D (propo rtiona l integ ra l deriva ti v e );para m eter se lf tun i n g ;feed for w ar d 收稿日期:2004 08 05.作者简介:宋国民(1972 ),男,博士,高级工程师,sg m @w fi er.icom.近年来国际上对环保问题的日益关注促进了清洁柴油机研究与开发,在降低排放的各项先进技术中,高压共轨燃油喷射技术可有效减少碳烟与颗粒排放,在改善直喷式柴油机燃烧方面具有独特优势,实现了燃油计量和喷射的完全分离,并具有灵活的多段喷射和无需改变发动机基本结构等优势,因此成为电控柴油机发展热点之一[1,2].对于共轨燃油喷射系统,共轨压力不仅决定了喷射压力高低,也是喷油计量的重要参数,其稳定性及过渡响应直接影响发动机起动、怠速、加速等动力性能,其中喷油量主要受喷射压力及脉宽影响,因此,为进行喷油精确计量,压力控制很重要,压力控制也是共轨系统的核心算法,由于常规PI D 控制算法参数固定,因此很难满足大滞后、非线性发动机系统的要求.基于以上情况,本文在常规PI D 控制算法的基础上,结合模糊控制提出参数自调整PI D 算法,并引入前馈控制,不但提高了稳态及过渡过程控制效果,而且在喷油量突变时,大大减小了压力波动,实际试验效果良好[3].1 共轨系统及调压原理共轨燃油系统有一蓄压器(共轨),其作用是吸收高压油泵供油及燃油喷射引起的压力波动,保证喷油器在稳定压力下喷油.电控单元(ECU )根据转速脉冲确定发动机活塞位置,并发出信号控制压力及喷油器喷油,共轨燃油系统如图1所示.图1 共轨燃油系统示意图共轨系统压力由高压油泵压力控制阀(PCV )调节.在柱塞吸油行程中,低压燃油经PCV 进入压油腔,在柱塞压油行程中,若PCV 不驱动,则燃油重新经过PCV 流出压油腔;若在柱塞压油行程中PCV 被驱动,则低压回路关闭,压油腔内燃油压缩而增压,并经由出油阀进入共轨腔.由于PCV 为外开型结构,因此在压油行程中若PCV 被驱动,则在高压燃油作用下一直保持关闭,PCV 关闭后的有效行程决定了供油量,即PCV 供油持续时间T on ,由于供油持续时间根据转速可换算成角度,因此为叙述方便,本文用T on 或T off 表示供油持续角度.T on 直接控制了高压油泵输出到共轨腔的油量,因此,控制T on (实际为控制供油始点)就能控制压力,其原理如图2所示.图2 PCV 压力控制原理2 参数自调整模糊PI D 算法2 1 传统PI D 控制PI D 控制以其结构简单、控制稳态精度高等特点,长期以来在控制领域得到广泛应用,其算法基本公式为[4]U =K P e (t)+1T Ie (t )dt +T D de (t)dt(1)式中,e (t )为测量值与给定值偏差;T D ,T I ,K P 分别为微分项、积分项和比例项调节常数.目前柴油机调压普遍采用PI D 控制,参数确定采用经验或试凑法,这种选择需要一定的技巧,但对系统内部参数变化有一定的适应能力,设计也简单,所以在一定范围内使用广泛.但由于发动机的非线性及时变性问题很突出,随着转速、负荷及其他运行条件的变化,其内部参数发生较大变化,这使得PI D 控制性能不足以补偿参数的变化,导致性能下降,甚至引起系统运行不稳定.因此,为达到较好的控制效果,参数应根据实际情况调整,其取值规律如下.1)比例项系数K P K P 大,系统响应快,调节精度高;但K P 过大时,易造成系统超调,甚至不稳定.因此在大误差时采用大K P 值以提高系统响应速度;当系统接近稳态区域时,要减小K P 值以防止超调,稳态时K P 值应适中.2)积分项系数T I 积分的作用主要是消除稳态误差,以提高系统调节精度.T I 值大,误差消除能力强,但在起动过程中易出现积分饱和现象,调节超调量增加.因此要求T I 在大误差时为0,以消除积分饱和现象;在中误差时,采用较小的积分系数;进入稳态区域时,相对加大积分系数.这样可实现变系数积分,既保证稳态时对积分的要求,又避免了积分饱和现象.3)微分项系数T D 其主要作用是通过它对系统变化的抑制,达到改善系统动态特性的目的,即起阻尼作用.T D 值大,阻尼性增强,因此在大误差时应使T D 为零,即去掉阻尼作用以加快系统响应;当误差接近稳态区域时,应使T D 值为最大以抑制变化趋势,从而起到减少超调的目的;当系统进入稳态区域时,应选择适当的T D 使控制稳定.2 2 参数自调整模糊推理常规PI D 参数相对固定,很难适应发动机工况的变化,因此,为提高控制效果必须根据实际情况对参数进行调整[5~7],控制输入为压力差,控制输出为压力实测值,设目标压力为P ob j ,实际压力为P,e (t), e (t)分别为输出偏差和偏差变化.e (t)=P obj -P (t)(2) e (t )=e (t )-e (t-1)(3)式中,t 为采样时刻.通常模糊推理要经过模糊化、模糊推理、模糊裁决和反模糊化4个步骤,首先根据误差466东南大学学报(自然科学版)第35卷e (t)(![0,100])基本论域进行模糊化,即确定各模糊子集隶属函数.输入变量取零(Z ero )、小(Sm a)、中(M i d )、较大(Re l B ig )、大(B ig )5个模糊子集,输出变量K P ,K D ,K I 取Z ero ,Sm a ,M i d ,B i g 四个模糊子集.由于正态分布是自然界普遍存在的统计规律,符合人对模糊概念的决策过程,且模型计算时隶属函数以表格形式存储,大大提高了计算效率,因此,利用分布确定模糊子集隶属函数,正态分布特征参数据实际情况选择.参数自调整模糊控制规则采用自然语言形式表示,由于模糊性是人类自然属性的本质属性,因此,模糊推理过程符合人类自然语言习惯,根据2 1节所述参数自调整规律,确定表1所示的模糊推理规则.例如对于参数K P ,其推理规则用数学形式表示为If e (t )isu z (x ),then K P isu z (y )其中,u z (x ),u z (y )为模糊子集Z 对应的隶属函数.表1 模糊推理规则e (t )Zero S m a M i d Rel B i g B i g K P Zero S m a M i d M i d B i g K D B i g M i d M i d Sm a Z ero K IB i gM i dSm aSm aZ ero根据表1推理规则,利用M a tlab 的Fuzzy 工具箱建立模糊推理模型,用重心法进行反模糊化,得到不同误差输入时控制参数K P ,K D 和K I 的推理输出,如图3所示.图3 K P ,K D ,K I 随输入误差自调整曲线3 前馈控制算法通常控制系统都属于反馈控制,这种控制作用总是在发现输出偏离目标后再作出响应,因此对时滞较大、控制要求高的场合往往不能满足要求[8,9].如发动机工作时,若油门突然增大,据调速控制算法其喷油量迅速增大,若没有前馈作用,在油量突增时轨压必然瞬时下降;反之若油门突然减小,轨压会瞬时升高.前馈控制是按照扰动作用的大小进行控制,即事先加入控制量以抵消系统扰动.本系统把喷油量作为系统扰动输入,即根据油门开度及发动机转速查表得到喷射油量,然后根据油量及转速查表得到前馈量,模型最终输出量作为T on 驱动执行器.前馈、反馈控制系统结构如图4所示.图4 前馈、反馈参数自调整模糊P I D 控制高压油泵工作时,油泵每冲程供油量Q 满足:Q = (Q in j +Q back )(4)式中, 为油泵工作效率;Q in j 为发动机工作时需要的油量;Q b ack 为喷油器回油量.回油量及油泵供油效率受转速影响,图5为固定PCV 关闭持续时间T o ff (曲轴角度)时油泵每冲程供油量与转速试验曲线.从图5可见,固定T on (T on +T off 对应120∀曲轴角度)时每冲程供油量受转速影响较大,因此,前馈控制中若给定供油量作为扰动,T on 同样受转速影响.图6为试验确定的某高压油泵T on (油泵角度)、转速及供油量之间的关系.图5 固定T o ff时油泵冲程供油量与转速关系图6 PCV 供油持续角、转速及油量关系467第3期宋国民,等:基于参数自调整模糊PI D 算法的前馈共轨压力控制4 试验及结论试验控制系统ECU 为Infi n eon C167,利用CAN 通讯技术建立监控平台[10].图7为压力从60M Pa 阶跃到90M Pa 时的控制对比,图8为油门从40%阶跃到90%开度时的压力控制对比曲线.图7 常规PI D 控制和前馈、反馈P I D控制对比图8 油门阶跃时常规P I D 和前馈、反馈P I D 控制对比从图7和图8可见,采用前馈、反馈参数自调整模糊PI D 控制后,由于在不同误差时采用了不同调节参数,因此调节过程比常规PI D 平稳,同时超调量大大下降.而喷射油量突然增大时,加入前馈后表现出更好的事先控制效果,压力下降幅值明显减小.5 结 语压力控制在共轨燃油系统开发中非常关键,直接关系到共轨发动机性能,由于常规PI D 控制算法对不同误差区域采用相同控制参数,因此,很难在发动机变工况时得到较好的控制精度.本文利用模糊推理的基本原理,根据不同的误差区域确定相应的控制参数,即参数自调整模糊PI D 控制,为提高油量突变时的动态影响,引入前馈控制算法,试验结果表明控制效果良好.参考文献(References)[1]王钧效,陆家祥,谭丕强,等.柴油机高压共轨喷油系统的发展动态[J].柴油机,2001(5):111.W ang Junx iao,L u Ji ax i ang,T an P i q i ang,e t a.l D eve l op i ng trend o f d i e se l h igh press ure comm on ra il sy ste m [J].D ie sel Eng i ne,2001(5):111.(in Ch i nese)[2]钱人一.日本电装公司的ECD U 2柴油机共轨喷油系统[J].汽车与配件,2003(21):2931.Q i an R eny.i ECD U 2diese l comm on ra il sy stem o f Japanese D E N SO [J].Automo bile and A ccesso ry,2003(21):2931.(i n C hi nese)[3]段晖辉,卓 斌,高世伦.模糊P I D 控制在柴油机数字式电子调速器中的应用[J].内燃机工程,1998,19(4):6571.D uan H uihu,i Z huo B in ,G ao Shil un .A ppli ca tion o f fuzzy P I D con tro l on d i g it a l e l ec tron ic gov erno r fo r diese l eng i ne [J].Ch i nese Interna l C o m bu sti on Eng ine Engineering,1998,19(4):6571.(i n C hine se)[4]林岳松,金学波.神经网络与参数自寻优P I D 在柴油机转速控制系统中的应用[J].电气传动自动化,2000,22(1):3234.L i n Y uesong ,Ji n X uebo .A pp licati o n o f neura l net 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