一种基于主动扰动观测的燃油压力控制器及其控制方法技术

本发明专利技术涉及一种基于主动扰动观测的燃油压力控制方法，针对内燃机燃油喷射系统的时变性、非线性及传统PID控制在燃油压力控制中应用不理想等问题，提出采用基于模型的前馈控制和基于状态观测的反馈控制来实现燃油压力的控制。主要包括：目标燃油压力计算、燃油压力传感器实际燃油压力采集计算、燃油计量单元燃油体积流率反馈调节量计算、燃油计量单元燃油体积流率前馈控制量计算、燃油计量单元燃油体积流率转化为电流、燃油计量单元电流转化为PWM占空比、燃油计量单元实际工作电流测量计算、燃油计量单元电流反馈调节器、燃油计量单元PWM调制频率计算、燃油计量单元PWM驱动、燃油计量单元、燃油喷射系统和燃油压力主动扰动观测器。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于内燃机控制
，涉及内燃机燃油喷射系统，是一种内燃机燃油喷射系统的燃油压力控制方法，特别是一种基于主动扰动观测的燃油压力控制方法。
技术介绍
内燃机是目前被产业化应用的各种动力机械中热效率最高、能量利用率最好、最节能的机型，已被广泛应用于发电、灌溉、船舶动力、车辆动力等广阔的领域，尤其在车用动力方面的优势最为明显，全球车用动力“内燃机化”趋势业已形成。按照着火方式的不同，内燃机可分为火花点火式发动机(如汽油发动机，即汽油机)和压燃式发动机(如柴油发动机，即柴油机)。众所周知，汽油机和柴油机都具有燃油喷射系统，而燃油喷射系统的性能是影响内燃机燃烧过程的关键。现如今燃油系统绝大部分为电控燃油喷射系统，由于电控燃油喷射系统能够柔性控制喷油参数，有效地降低内燃机排放，已成为内燃机电控技术的主要手段。在电控燃油喷射系统(以下简称燃油喷射系统)中，燃油压力不仅决定了燃油喷射压力的高低，而且还是燃油计量的重要参数，燃油压力的波动直接影响了燃油喷射压力、循环喷油量以及喷油速率等参数的变化，因此对于燃油喷射系统中燃油压力控制方法的开发研究是内燃机控制的关键技术问题。燃油喷射系统通常由输油泵、供油泵、燃油计量单元、高压蓄能器、燃油压力传感器、高压油管和电控喷油器组成。燃油喷射系统燃油压力控制器是由电控单元(Electronic Control Unit，以下简称ECU)、燃油压力传感器、燃油计量单元三部分组成的控制回路，如图1所示。电控喷油器通过各自连接的高压油管与高压蓄能器保持流动连接，并且需要不断地重复开启与关闭，以便于提供经过精确计量的燃油给发动机。燃油计量单元安装在供油泵的进油位置，用来调节由输油泵进入供油泵柱塞腔的燃油量，以控制高压蓄能器内燃油压力的大小，而其具体的调整是需要受到ECU控制。ECU通过脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，以下简称PWM)信号控制燃油计量单元内部控制线圈(即电磁阀)的电流，从而改变供油泵进油截面积来增大或者减小供油量。其中，燃油计量单元的供油特性曲线示意图如图2所示。当燃油计量单元在控制线圈未通电时，柱塞上的燃油流通截面对应于供油泵的进油口开度最大，可以向供油泵柱塞腔提供最大流量的燃油，即燃油计量单元处于常开状态。当燃油计量单元在控制线圈通电时，通过调节ECU控制输出的PWM脉冲信号的占空比和调制频率，来控制燃油计量单元内部线圈的电流，使得燃油计量单元的开度(相应于供油泵进油截面积)发生改变，从而实现对高压蓄能器中燃油压力的控制。在一次喷射过程中，喷油器提供的燃油量由喷油器开启时候的燃油喷射压力和喷油器的喷射脉宽决定，其中喷射脉宽值指喷油器由开启到关闭之间的时间。该燃油喷射压力是指喷油器开启时候燃油喷射系统中的燃油压力，通常需要借助于安装在高压蓄能器上的燃油压力传感器来进行测量。其中，燃油压力传感器的特性曲线示意图如图3所示。燃油压力传感器是燃油喷射系统中最为关键的传感器，其主要作用是以足够的精度和在相应较短的时间内，测量燃油喷射系统中的实时燃油压力，并将其转化为电压信号提供给发动机电控单元。然而，高压蓄能器上的燃油压力不总是相对应于燃油喷射压力，因为燃油压力受到众多因素的影响，总是呈现出一直在压力波动的现象。由于燃油压力受到供油过程和喷油过程的共同影响，因而其控制方法比较复杂。主要体现在两方面：(1)稳态过程中燃油压力的变化是一个脉动过程。在稳态过程中，高压蓄能器中的燃油压力主要由供油量和喷油量共同决定，而供油量和喷油量的工作周期都与发动机的工作周期相关，且都是脉动变化的，所以燃油压力受进油量和出油量的影响而存在脉动变化。(2)瞬态过程中燃油压力变化剧烈且频繁。由于发动机工作过程中存在较多剧烈变化的瞬态过程，导致燃油压力目标值与喷油量在短时间内都会有较大的变化，这都会导致燃油压力控制的瞬态过程频繁而又剧烈。因此，需要采取相应的措施来平衡燃油压力波动，实现对燃油压力的精确控制，进而提高内燃机的动力性能和经济性能。ECU根据由发动机转速和循环喷油量确定的目标燃油压力与由燃油压力传感器采集的燃油喷射系统当前燃油压力进行燃油压力控制器的设计，并经过其控制方法的控制与优化，通过调节燃油计量单元PWM脉冲信号的占空比和调制频率，从而控制实际进入供油泵的燃油流量，最终实现对燃油压力的精确控制。先进的控制系统都是采用前馈控制和反馈控制组合的综合控制方式来实现的。目前燃油压力闭环控制方法都是采用比例积分微分控制器(Proportion Integration Differentiation，以下简称PID)调节的方式来实现的，如图4和图5所示。这一类控制方法利用了PID控制器的比例、积分和微分三个环节来进行燃油压力的调节，但是PID控制器的三个控制参数整定过程比较复杂。目前对于PID控制器的控制参数整定则有多种实现方式，如：固定参数、模糊控制、自适应控制、神经网络、滑模变结构等，这样不可避免存在一定的响应性、超调和振荡等问题，且难以在嵌入式控制系统中实现。PID控制本质上是一种基于误差来消除误差的控制方法，但是在实际工程应用中，控制系统的性能指标通常是要根据工业生产过程对控制的具体要求来制定，这个可以概括为快速性、准确性和稳定性。由于内燃机燃油喷射系统的复杂性、时变性、非线性等问题突出，随着发动机转速、负荷及其它运行条件的变化，其内部参数发生了较大的变化，这就使得PID控制性能不足以补偿燃油喷射系统参数的变化，导致其性能下降，甚至引起系统运行不稳定。由于PID控制总是在误差已经产生之后才进行调节，如果扰动已经发生，但是没有产生偏差，PID控制器是不会工作并进行调节，所以PID控制器的调节过程总是落后于干扰作用，而存在一个滞后环节。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，为了提高燃油喷射系统的控制性能，增强其快速性和准确性，先进的燃油压力控制方法和控制器就显得尤为重要，因此一种可靠性高、算法简单且性能良好的控制器是燃油喷射系统燃油压力控制器设计所追求的目标。但由于燃油喷射系统的复杂性，依靠燃油压力传感器只能测量到上一时刻燃油喷射系统的燃油压力状态特性，对于燃油压力的实际变化率和扰动等情况是难以直接测量的。如果能够用一种简单的基于数学模型的状态观测器可以等价替换燃油喷射系统变化特性，则可以预测出燃油喷射系统的扰动情况实现直接补偿，并可以开展对燃油喷射系统的状态特征进行更加细化的研究工作，实现对燃油压力的精确控制。为了克服内燃机燃油喷射系统中传统燃本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于主动扰动观测的燃油压力控制方法，其特征在于，采用基于模型的前馈控制和基于状态观测的反馈控制来实现燃油压力的控制，包括以下步骤：燃油压力传感器实际燃油压力采集计算步骤，用于采集并计算燃油喷射系统中当前的燃油压力；燃油压力主动扰动观测步骤，根据燃油喷射系统当前的燃油压力，构造燃油喷射系统中燃油压力主动扰动观测器，所述燃油压力主动扰动观测器的数学模型等效替换燃油喷射系统的物理模型，借此来观测燃油喷射系统中燃油压力估计值、燃油压力变化率估计值和燃油计量单元燃油体积流率扰动补偿量；目标燃油压力计算步骤，用于计算当前工况点所需要的目标燃油压力；燃油计量单元燃油体积流率前馈控制量计算步骤，用于计算当前工况点所需要的燃油计量单元燃油体积流率前馈控制量；燃油计量单元燃油体积流率反馈调节量计算步骤，用于根据目标燃油压力与当前实际燃油压力的偏差，确定燃油计量单元燃油体积流率反馈调节量，与燃油计量单元燃油体积流率前馈控制量相加后，经燃油计量单元燃油体积流率转化为燃油计量单元电流；燃油计量单元燃油体积流率转化为电流步骤，用于根据燃油计量单元的供油特性，将燃油计量单元燃油体积流率转化为燃油计量单元需求电流；燃油计量单元电流转化为PWM占空比步骤，用于根据燃油计量单元的电气特性，将燃油计量单元需求电流转化为燃油计量单元PWM占空比；燃油计量单元PWM调制频率计算步骤，用于计算燃油计量单元PWM调制频率；燃油计量单元控制执行步骤，将计算出的燃油计量单元PWM占空比和燃油计量单元PWM调制频率，发送给燃油计量单元PWM驱动，并通过燃油压力控制器硬件功率驱动进行实际设定，用来驱动燃油计量单元工作，从而调节燃油喷射系统中的燃油压力，实现燃油压力的精确控制。...

【技术特征摘要】
1.一种基于主动扰动观测的燃油压力控制方法，其特征在于，采用基于模型的前馈控制
和基于状态观测的反馈控制来实现燃油压力的控制，包括以下步骤：
燃油压力传感器实际燃油压力采集计算步骤，用于采集并计算燃油喷射系统中当前的
燃油压力；
燃油压力主动扰动观测步骤，根据燃油喷射系统当前的燃油压力，构造燃油喷射系统
中燃油压力主动扰动观测器，所述燃油压力主动扰动观测器的数学模型等效替换燃油喷射
系统的物理模型，借此来观测燃油喷射系统中燃油压力估计值、燃油压力变化率估计值和
燃油计量单元燃油体积流率扰动补偿量；
目标燃油压力计算步骤，用于计算当前工况点所需要的目标燃油压力；
燃油计量单元燃油体积流率前馈控制量计算步骤，用于计算当前工况点所需要的燃油
计量单元燃油体积流率前馈控制量；
燃油计量单元燃油体积流率反馈调节量计算步骤，用于根据目标燃油压力与当前实际
燃油压力的偏差，确定燃油计量单元燃油体积流率反馈调节量，与燃油计量单元燃油体积
流率前馈控制量相加后，经燃油计量单元燃油体积流率转化为燃油计量单元电流；
燃油计量单元燃油体积流率转化为电流步骤，用于根据燃油计量单元的供油特性，将
燃油计量单元燃油体积流率转化为燃油计量单元需求电流；
燃油计量单元电流转化为PWM占空比步骤，用于根据燃油计量单元的电气特性，将燃
油计量单元需求电流转化为燃油计量单元PWM占空比；
燃油计量单元PWM调制频率计算步骤，用于计算燃油计量单元PWM调制频率；
燃油计量单元控制执行步骤，将计算出的燃油计量单元PWM占空比和燃油计量单元
PWM调制频率，发送给燃油计量单元PWM驱动，并通过燃油压力控制器硬件功率驱动进
行实际设定，用来驱动燃油计量单元工作，从而调节燃油喷射系统中的燃油压力，实现燃
油压力的精确控制。
2.根据权利要求1所述基于主动扰动观测的燃油压力控制方法，其特征在于，该控制方
法还包括燃油计量单元实际工作电流测量计算步骤和燃油计量单元电流反馈调节步骤；具
体内容是：
判断测量燃油压力控制器是否具备电流检测功能，若控制器硬件驱动电路和软件驱动
程序具备测量燃油计量单元工作电流功能时，则依次执行燃油计量单元实际工作电流测量
计算步骤和燃油计量单元电流反馈调节步骤；所述燃油计量单元电流反馈调节步骤用于根
据燃油计量单元需求电流和实际工作电流的偏差，经过PID控制器的调节，确定燃油计量
单元PWM占空比修正系数。
3.根据权利要求1或2所述基于主动扰动观测的燃油压力控制方法，其特征在于，所述

\t燃油压力主动扰动观测步骤中，所述燃油压力主动扰动观测器的数学模型为以下数学方程：
ADSOz1(1)=z1(0)+z2(0)+bOu(0)+2wO(y-z1(0))z2(1)=z2(0)+TOwO2(y-z1(0))uADSO=(wC(y-z1(1))-z2(1))/bO]]>其中，
TO为燃油压力控制器执行周期，单位为s，TO的取值范围为0.005～0.1s；
bO为燃油喷射系统的物性系数，bO的取值范围为30～2000；
u(0)为燃油喷射系统燃油计量单元上一时刻PWM占空比，单位为％；
y为燃油喷射系统输出的实际燃油压力，单位为MPa；
ωO为燃油压力主动扰动观测器的观测频率，单位为rad/s，该观测频率的取值范围为
0.1～100rad/s；
ωC为燃油压力主动扰动观测器的控制频率，单位为rad/s，该控制频率等于上述观测频
率ωO平方的2～5倍；
z1(1)为燃油压力主动扰动观测器当前时刻输出的燃油压力估计值，单位为MPa；
z1(0)为燃油压力主动扰动观测器上一时刻输出...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢辉，凌健，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12