一种基于LQR的电控燃油系统喷油规律观测器设计方法技术方案

本发明专利技术的目的在于提供一种基于LQR的电控燃油系统喷油规律观测器设计方法，包括如下步骤：建立基于瞬时共轨压力的喷油规律数学模型，工作点模型参数辨识，构建状态空间模型，基于LQR的喷油规律闭环观测器设计。本发明专利技术建立了基于瞬时轨压的喷油规律非线性模型，并在工作点处进行线性化及模型参数识别。通过选取共轨管的瞬时压力、喷油率、喷油率的变化率三个变量，建立可观测的状态空间模型。基于建立的状态空间模型，提出了基于LQR的喷油规律实时观测方法。通过状态误差加权矩阵、输出误差反馈控制加权矩阵调节观测器性能，实现对闭环观测器反馈增益的优化设计。测器反馈增益的优化设计。测器反馈增益的优化设计。

【技术实现步骤摘要】
一种基于LQR的电控燃油系统喷油规律观测器设计方法


[0001]本专利技术涉及的是一种柴油机燃油系统，具体地说是电控燃油系统喷油规律观测方法。

技术介绍

[0002]目前，柴油机高压共轨系统的喷油量控制都是基于标定的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]在柴油机实际运行过程中，如果能实时监测喷射信息，从而对喷油规律进行闭环调整与修正，可以大大提高喷油控制的精确性。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。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供能实现高压共轨系统循环喷油量的实时观测与闭环修正的一种基于LQR的电控燃油系统喷油规律观测器设计方法。
[0005]本专利技术的目的是这样实现的：
[0006]本专利技术一种基于LQR的电控燃油系统喷油规律观测器设计方法，其特征是：
[0007](1)建立基于瞬时共轨压力的喷油规律数学模型：
[0008]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，根据上述过程，给出共轨管的燃油连续方程：
[0009][0010]式中，Q
pump
为高压油泵供入共轨管的燃油流率，Q
inj
为喷油率，Q
Leak
为喷油器的燃油泄漏率，E为燃油体积弹性模量，V为共轨管的控制容积，p为共轨管瞬时压力，即轨压；
[0011]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：
[0012]E＝1.2
×
104(1+0.001p)
[0013]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
c
及其变化量ΔV表示为：
[0014]V＝V
c
+ΔV(p)
[0015]式中V
c
为共轨管容积，ΔV(p)为共轨管容积的变化量，在高压燃油作用下引起的ΔV(p)与p有关，将其表示为。
[0016]ΔV＝C1(p)
·
p
[0017]式中：C1(p)为体积补偿系数；
[0018]另外，Q
leak
由两部分组成：喷油器控制腔回油率和针阀偶件间隙泄露率，根据喷孔流量方程和环形间隙泄露方程得到：
[0019]Q
leak
＝C
leak
(p)
·
Q
inj
[0020]其中，C
leak
(p)为燃油泄漏系数；
[0021]将E＝1.2
×
104(1+0.001p)
、
V＝V
c
+ΔV(p)
、
ΔV＝C1(p)
·
p式代入化简得到燃油流动过程的数学模型：
[0022][0023]令
[0024][0025]得到基于瞬时共轨压力的喷油规律数学模型为：
[0026][0027](2)工作点模型参数辨识：
[0028]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
[0029][0030]上式可以转换为
[0031]dp＝K
·
Q
inj
·
dt
[0032]将dp与Q
inj
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
[0033]∫dp＝K
·
∫Q
inj
dt
[0034]Δp＝K
·
V
inj
[0035]式中：Δp为喷油期间轨压变化量，V
inj
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；
[0036](3)构建状态空间模型：
[0037]选取共轨管的瞬时压力p、喷油率Q
inj
、喷油率的变化率三个变量作为状态变量，即x1＝p，x2＝Q
inj
，考虑到近似为常数，因此根据式得到态空间模型如下:
[0038][0039]式中，C＝[1 00]，y为系统的输出；
[0040]判断系统的可观测性，模型可观测矩阵Ro计算如下：
[0041][0042]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，通过输出信号观测每一个状态变量；
[0043](4)基于LQR的喷油规律闭环观测器设计：
[0044]闭环观测器设计：
[0045]观测器的状态变量为设对应的观测器反馈增益矩阵H＝[H1,H2,H3]T
，则闭环观测器的模型为
[0046][0047][0048]式中，为闭环观测器模型的输出，y为传感器测得的信号，这里为瞬时轨压信号，当观测器的状态与系统实际状态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；
[0049]其中喷油率的观测方程为：
[0050][0051]将观测得到的喷油率在喷油阶段内进行积分，得到喷油量的观测值
[0052][0053]式中：t0为喷油开始时刻；t
n
为喷油结束时刻；
[0054]基于LQR的反馈增益优化：
[0055]闭环观测器的状态观测误差定义为
[0056][0057]则二次型目标函数为
[0058][0059]式中：Q为状态误差加权矩阵；R为输出误差反馈控制加权矩阵；
[0060]Q为半正定阵，设Q＝diag[q
1 q
2 q3]，q1、q2、q3分别为三个状态变量观测误差的权重系数，R为正定阵，可测输出只有轨压p，因而R是1x1维矩阵，设R＝[r]；
[0061]通过求解代数Riccati方程得到正定矩阵P
[0062]AP+PA
T
‑
PC
T
R
‑1CP+Q＝0
[0063]则闭环观测器最优误差反馈矩阵H为
[0064]H
T
＝R
‑1CP
[0065]基于LQR的观测器通过Q、R的选取来调节观测器的观测性能。
[0066]本专利技术的优势在于：
[0067]1、建立了基于瞬时轨压的喷油规律非线性模型，并在工作点处进行线性化及模型参数识别。通过选取共轨管的瞬时压力p、喷油率Q
inj
、喷油率的变化率三本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于LQR的电控燃油系统喷油规律观测器设计方法，其特征是：(1)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，根据上述过程，给出共轨管的燃油连续方程：式中，Q
pump
为高压油泵供入共轨管的燃油流率，Q
inj
为喷油率，Q
Leak
为喷油器的燃油泄漏率，E为燃油体积弹性模量，V为共轨管的控制容积，p为共轨管瞬时压力，即轨压；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：E＝1.2
×
104(1+0.001p)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
c
及其变化量ΔV表示为：V＝V
c
+ΔV(p)式中V
c
为共轨管容积，ΔV(p)为共轨管容积的变化量，在高压燃油作用下引起的ΔV(p)与p有关，将其表示为。ΔV＝C1(p)
·
p式中：C1(p)为体积补偿系数；另外，Q
leak
由两部分组成：喷油器控制腔回油率和针阀偶件间隙泄露率，根据喷孔流量方程和环形间隙泄露方程得到：Q
leak
＝C
leak
(p)
·
Q
inj
其中，C
leak
(p)为燃油泄漏系数；将E＝1.2
×
104(1+0.001p)、V＝V
c
+ΔV(p)、ΔV＝C1(p)
·
p式代入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：(2)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上式可以转换为dp＝K
·
Q
inj
·
dt
将dp与Q
inj
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：费红姿，刘冰鑫，尹克奔，韩圣，王浚哲，石忠心，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：