基于离散事件的直喷发动机轨压自适应抗扰控制_付亚豪.pdf

柴油机设计与制造Design and Manufacture of Diesel Engine2023 年第 2 期 第29 卷（总第183 期）设计与计算基于离散事件的直喷发动机轨压自适应抗扰控制付亚豪1，2，3，闫凯1，杨帅1，陈以林4，耿伟2，3，张彬2，3，吴名芝5（1.同济大学 汽车学院，上海 201804；2.长城汽车股份有限公司，河北 保定 071000；3.河北省汽车工程技术研究中心（筹），河北 保定 071000；4.浙江新柴股份有限公司，浙江 新昌 312500；5.南昌智能新能源汽车研究院，江西 南昌 330052）摘要：为了使直喷发动机在工况复杂且多扰动的运行环境中快速精确地响应相应目标轨压，提出了基于离散事件的轨压自适应抗扰控制算法。基于GTPower平台建立被控对象的一维数字模型，通过仿真试验对喷油器和高压泵进行参数辨识，并与试验数据对比以确保模型的准确性。结合泵油、喷油和嵌入式控制器的离散系统，设计扩张状态观测器，利用自适应算法识别总扰动。设计抗扰控制算法，利用得到的总扰动对控制进行补偿。在发动机转速为1 500 r/min时，设定5 ms喷油脉宽、8 MPa压力阶跃输入系统，进行仿真试验分析。仿真结果表明：被控对象压力的上升时间为80 ms，即在1个发动机循环内完成；调节时间为100 ms，比单独使用比例积分（PI）控制降低了50%；稳态误差为0.2 MPa，比单独使用PI控制降低了60%。关键词：直喷发动机；高压油轨；自适应抗扰控制；离散事件Adaptive disturbance rejection control of direct injection engine rail pressure based on discrete eventFU Yahao1，2，3，YAN Kai1，YANG Shuai1，CHEN Yilin4，GENG Wei2，3，ZHANG Bin2，3，WU Mingzhi5（1.College of Automotive Studies，Tongji University，Shanghai 201804，China；2.Great Wall Motor Co.，Ltd.，Baoding 071000，Hebei，China；3.Hebei Automotive Engineering Technical Center（under preparation），Baoding 071000，Hebei，China；4.Zhejiang Xinchai Co.，Ltd.，Xinchang 312500，Zhejiang，China；5.Nanchang Automotive Institute of Intelligence and New Energy，Nanchang 330052，Jiangxi，China）Abstract：An adaptive disturbance rejection control algorithm of rail pressure based on discrete events is proposed in order to make the direct injection engine quickly and accurately respond to the corresponding target rail pressure in the complex and multidisturbance operating environment.A onedimensional digital model of the controlled object is established based on GTPower platform.The parameters of the fuel injector and highpressure pump are identified through the simulation test，and the accuracy of the model is ensured by comparing with the test data.An extended state observer is designed combined with the discrete system nature of pumping，injection and embedded system，and the adaptive algorithm is used to identify the total disturbance.A disturbance rejection control algorithm is designed to compensate for the total disturbance.基金项目：上海市技术性贸易措施应对专项项目（2022TBT010）；南昌智能新能源汽车研究院前瞻技术资助项目（TPD-TC202110-06）；同济大学精品实验项目（2023002）。作者简介：付亚豪（1991），男，硕士研究生，主要研究方向为车用动力系统及其控制。通信作者：杨帅（1981），男，博士，副教授，主要研究方向为车用动力系统。-12柴油机设计与制造Design and Manufacture of Diesel Engine2023 年第 2 期 第29 卷（总第183 期）At the engine speed of 1 500 r/min，the input system is simulated and analyzed with 5 ms injection pulse width and 8 MPa pressure step input.The results show that the pressure rise time of the controlled object is 80 ms，which is completed in one engine cycle.The adjustment time is 100 ms，which is 50%lower than that of using proportionalintegral（PI）control alone.The steadystate error is 0.2 MPa，which is 60%lower than that of using PI control alone.Key words：direct injection engine；high pressure fuel rail；adaptive disturbance rejection control；discrete eventDOI：10.3969/j.issn.1671-0614.2023.02.0030前言直喷发动机以其快速的响应和较低的排放，在乘用车上已经得到大规模的应用。随着混合动力系统在乘用车上的应用，直喷发动机依然具备强大的生命力和优化可能。然而发动机工况复杂多变，轨压的瞬态响应性能成为影响其性能和排放的重要因素。针对直喷发动机轨压动态过程建模及优化控制问题展开研究，对于改善直喷发动机的燃油消耗率和降低污染物排放具有重要意义 1。直喷发动机的轨压动态变化是一个比较复杂的物理过程，具有非线性、时变性、扰动性的动力学特征。因此，直喷发动机轨压的建模和控制研究引起了国内外研究人员的重视，并取得了一定的研究成果。在轨压建模方面，目前有2种方法，一种是对模型简化后采用数学公式进行建模 2，另一种是利用仿真软件中的数学组件搭建对应的数学模型或更直观的元件模型 3。现阶段，直喷发动机的前馈控制与比例积分微分（PID）反馈控制结合的复合控制也是模块嵌入式系统采用的常规策略。为了提高PID控制的鲁棒性，凌健 4 采用了前馈控制结合分段反馈控制方案，前馈控制主要对喷油与泄漏量进行补偿，反馈控制使用非线性PID控制方法。为了控制系统的输入输出及状态值，JI等 5 基于神经网络设计了一种自适应 PID 控制器。同时也有相关研究采用非PID的方式，如杨荣彬等 6 针对直喷发动机共轨系统的轨压控制要求，采用滑模控制方法。但是上述研究依然需要运算大量的离线数据，无法适用于对实时控制要求很高的发动机控制系统。发动机运行工况的瞬态变化会导致喷油量产生波动，可以被认为是一种扰动，这对轨压控制会有很大的影响。近年来逐渐流行的自适应抗扰控制（ADRC）是解决这一问题的有效途径。在识别扰动方面，凌健等 7 建立了轨压波形群特征数据库，并揭示了不同工况下瞬时轨压波动的规律。谢辉等 8 应用ADRC原理，设计了包含扩张轨压观测和前馈控制的轨压控制器。在无标定控制方面，董奥等 9 采用精确前馈模型和自抗扰控制器，提高了系统的自抗扰能力。相关研究没有考虑到发动机工作过程和嵌入式系统软件执行的离散本质，也没有实现仿真软件平台和控制软件平台的数字化联合开发。鉴于此，本文从泵油和喷油过程机理出发，依据嵌入式系统和发动机泵油的离散特征，结合自适应抗扰的控制手段，明确了各项控制参数的工程意义，并在先进的仿真和设计平台上展开研究工作，从而为现代控制理论的工程化提供案例依据。1共轨系统建模和验证1.1 共轨系统硬件结构和工作原理共轨系统分为3个部分：低压油路部分、高压油路部分和电子控制部分，如图1所示。低压油路部分由油箱、燃油泵及相关管路组成，燃油泵通常将低压油路相对压力维持在0.5 MPa左右。高压油路部分由驱动凸轮、高压泵、高压油轨和喷油器组成，驱动凸轮固定在凸轮轴上。凸轮轴驱动高压泵进行吸油和泵油，将燃油压缩推入高压油轨，产生持续-13柴油机设计与制造Design and Manufacture of Diesel Engine2023 年第 2 期 第29 卷（总第183 期）的高压，如图2所示。电子控制部分由控制器、轨压传感器和高压泵内部的溢流阀组成，传感器将测量到的轨压发送给控制器，与控制器内部计算得到的目标轨压进行比较，然后计算并控制溢流阀的通电时刻和通电时长，通过控制泵入的燃油量来调节高压油轨内的压力。1.2 共轨系统建模和参数辨识为建立有效的模型，结合硬件结构和工作原理，作出如下假设：燃油可压缩且只存在液相；不考虑电磁阀打开延时和关闭延时；忽略电磁阀的开启和关闭过程；低压油路压力源稳定，保持在0.5 MPa；高压油轨入口单向阀和高压泵回油缓冲腔用2组弹簧阻尼模型代替。所采用的共轨系统参数见表1。在GTpower平台的建模如图3所示。1.3 喷油模型参数识别实际喷射过程中，喷油器单次喷射喷入气缸的燃油质量为：minj=f1(tinj,prail)（1）式中：minj为单次喷油质量，单位mg；f1为喷油模型函数；tinj为喷油脉宽，单位ms；prail为轨压，单位MPa。在发动机转速为2 000 r/min时，对喷油器开展试验设计（DOE），结果如图4所示。由图4可知：同等喷油脉宽下，随着轨压的增高，喷油质量呈现增加的趋势；同时，与试验数据进行对比，误差在3%以内的数据占到80%以上，总体误差不超过5%。1.4 泵油模型参数识别基于离散事件进行分析，油泵单次泵入高压油轨内的燃油质量 9 为：mpmp=f2(pmp,ppmp)（2）式中：mpmp为单次泵油质量，单位mg；f2为泵油模型函数；pmp为泵油曲轴相位角度，单位（）；ppmp为泵油压力，单位MPa。图1共轨系统硬件结构图2高压油轨泵油工作原理表1共轨系统参数参数泵油凸轮凸桃数量喷油器数量最大泵油曲轴相位角度/（）转速/（rmin1）轨压/MPa低压油路压力/MPa参数值341206004 5000.518.00.5图3共轨系统一维仿真模型图4喷油器特性参数辨识-14柴油机设计与制造Design and Manufacture of Diesel Engine2023 年第 2 期 第29 卷（总第18