直喷汽油机燃油共轨系统轨压主动抗扰控制

谢 辉，尹连浩，凌 健

直喷汽油机燃油共轨系统轨压主动抗扰控制

谢 辉，尹连浩，凌 健

(天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072)

直喷汽油机共轨管内压力的稳定控制对发动机经济性、动力性及排放性有着重要意义．发动机运行工况复杂，转速变化和喷油量变化剧烈是影响轨压稳定性的主要问题．为研究此问题，建立了共轨系统物理模型，并利用台架实验数据验证了模型的准确性，从机理上分析了系统的动态特性．在物理模型分析的基础上，应用主动抗扰控制原理，设计了包含扩张轨压观测器和前馈控制的轨压控制器，并获得了基础控制参数，主动抵抗转速及喷油量变化带来的扰动，控制轨内压力稳定．在台架和仿真测试中，针对共轨系统中转速和喷油带来的扰动，测试该方法的控制效果．结果表明，控制系统在稳定工况及变工况中，可主动抵抗转速和喷油量变化及控制目标阶跃带来的扰动，控制轨内压力稳定在0.35,MPa内，表明此控制方法具有较好的快速响应性与鲁棒性．

共轨系统；扩张观测器；主动抗扰控制(ADRC)

为满足排放法规要求及用户对驾驶性追求，越来越多先进技术应用到现代车辆发动机上，包括直喷系统、可变气门机构、可变增压器等．文献[1]研究表明，对小排量四冲程汽油机，燃油直喷共轨系统在提高燃油经济性、排放性及动力性方面有很大潜力．

燃油共轨系统控制问题主要为共轨系统轨内压力的控制问题，共轨系统内压力的变化直接影响了单次喷油量以及燃油穿透率和雾化效果，其精确与稳定的控制对发动机动力性和排放性能有重要意义[2-4]．

文献[5]建立了用于控制的共轨系统模型，但共轨系统模型基于有限的实验数据，没有包含系统的原理信息，该模型采用数据拟合方式得到现象型模型，可以在一定范围内应用于控制，但对于瞬态过程没有验证．

文献[6]建立了较为详细的共轨系统数学模型，并利用台架实验进行验证，采用滑膜控制方法稳定轨压，但滑膜方式对信号质量要求较高，信号干扰会造成控制系统振荡．

实际的共轨系统中油泵、共轨管、喷油器由于老化等原因，系统参数发生变化，控制参数需要进行调整才能保持较好的控制效果[6-7]．

本文建立了共轨系统物理模型，分析系统特性，确定系统可以由一阶系统及其他已知的非线性部分和未知的信号干扰组成，利用扩张的状态观测器，不需要系统详细的物理模型，便可主动观测系统扰动，还原轨压信号，进行主动的抗扰控制，同时控制系统的标定量小，能够适用于不同发动机运行工况，可抵抗系统内外部扰动，鲁棒性好．

1 直喷汽油机建模分析

1.1 直喷汽油机燃油共轨系统原理分析

直喷汽油机共轨系统由燃油箱、油泵、驱动凸轮、共轨管、喷油器以及连接管路构成(见图1)．发动机曲轴通过链传动带动凸轮轴转动，柱塞在凸轮轴及弹簧共同作用下往复运动，在吸油行程，控制器通过输出控制脉宽，控制电磁阀开启的相位及持续相位(相位关系以发动机第1缸上止点为0°起始，凸轮轴1转为720°)，控制吸入燃油腔中的油量；在泵油行程，电磁阀关闭，连接共轨管的单向阀打开，油泵向共轨管内泵油，喷油器根据发动机运行工况从共轨管向外喷射燃油，共轨管尾部装有轨压传感器，发出轨压信号．控制器根据共轨管内压力与目标轨压，计算电磁阀开启相位及持续相位，调节向共轨管内泵入的燃油量，以此调节轨内压力．

图1 直喷汽油机共轨系统轨压控制原理Fig.1 Principle of common rail control system for gasoline direct injection

1.2 共轨系统模型

根据共轨系统物理结构及工作原理，在Matlab/ Simulink中建立共轨系统的物理模型(如图2所示)，包括油泵模型、喷油器模型、共轨管模型、系统参数等模块．

图2 直喷发动机燃油共轨系统模型Fig.2 Fuel common rail system model for directed engine

1.2.1 油泵模型

油泵模型设计中，将凸轮轴型线简化为正弦函数，将电磁阀全开时，柱塞腔内充油量随转速变化的关系表示为充入量与柱塞腔容量的效率系数pumpη，瞬时充油量为

式中：Vmax为柱塞下行至底时柱塞腔容积；θcontrol为电磁阀控制信号的持续相位；θcam为凸轮轴转角.

1.2.2 喷油器模型

根据伯努利方程和流体连续性方程，可以得到喷油器口处燃油流量的计算公式为

式中：ηinj为喷射使能，θ=θinj时,ηinj=1,θ≠θinj时 , ηinj=0；tinj为喷射脉宽；Cinj为喷孔流量系数；Ainj为喷孔截面积总和；prail为轨内压力；pcylinder为缸内压力；ρ为燃油密度．

1.2.3 共轨管模型

根据文献[8]，利用液体的体积弹性模量表达燃油的可压缩性，并将压力与体积变化量的关系线性化为一次函数，即

忽略共轨管容积的变化，只考虑泵入油量pumpQ及喷射油量injQ，则轨压变化量为

1.2.4 轨内压力系统表达

综合式(1)～式(4)得到共轨系统模型输出的轨内压力表达式为

其中

由此建立了共轨燃油系统的物理模型．

1.3 直喷汽油机共轨系统控制目标

共轨系统中轨内压力应尽量不受转速和喷射油量变化的影响．在发动机工况变化过程中，轨内压力能够稳定在目标轨压，偏差尽可能小．压在稳态工况下是波动的，工程中轨压信号采集过程，通常会采集一段时间的峰值轨压取平均值，如此采集的轨压信号是不稳定且略高于实际喷射过程的平均轨压，造成喷油量的偏差．

图3 不同转速下共轨系统阶跃测试Fig.3 Order jump test of common rail system at different engine speeds

图4 不同喷油脉宽下共轨系统阶跃测试Fig.4 Order jump test of common rail system at different injection pulses

2 阶跃测试及系统分析

共轨系统在不同转速和喷射脉宽下进行阶跃测试(如图3和图4所示)，根据阶跃测试结果，分析共轨系统特性．

一方面，在不同转速及不同喷油量的测试中，系统反映出一阶系统的特性，系统特性b0、a0随转速和喷射脉宽变化，控制系统需要根据不同转速及喷射脉宽匹配不同控制参数，才可对系统进行有效控制．

另一方面，由于喷射和供油的间歇性，使实际轨

系统总体反映出一阶特性，但在局部以非线性为主．在具体控制过程中，局部的非线性波动会在一定程度干扰控制输入，需要进行滤波．而主动抗扰控制可以很好地解决这两方面问题．控制器可以根据整体反映出的一阶系统特性进行设计．

3 主动抗扰控制器

主动抗扰控制为此控制问题提供了新的解决途径，能够观测系统未知的扰动，并在控制输出中将扰动抵消，不需要获得系统的详细参数，只需要知道系统阶数，便可对系统进行控制，而抗扰控制器中的信号观测器将系统局部非线性部分过滤，很好地解决了第2节中提到的两方面问题．

3.1 分离系统

利用Taylor级数展开公式，将轨压系统表达式(5)中正弦部分展开，并整理为一阶线性部分和扰动部分之和，即

式中：t为喷油脉宽；a4为正弦展开的余项；a5为轨压信号采集扰动.

令系统输出量y=prail，控制量u=θcontrol，w为信号扰动，获得轨压系统常微分方程为

其中

式中N为转速．

如此，共轨压力系统中泵油喷油的间歇性、转速以及喷油量对系统参数的影响，都归入到扰动f(y,w,t,N)中．

3.2 扩张观测器及控制输出

根据主动抗扰控制的基本原理[9-12]，将控制输出和扰动记为状态方程的状态，即：x1=y，x2= f(y,w,t,N)，扰动变化记为．

增量模型为

其中

扩张观测器为

观测的轨压与实际轨压不同(如图4(b)所示)，观测轨压为将喷油和供油线性化后轨内压力，滤除了喷油和供油引起的轨内扰动，更接近实际喷射过程中的平均轨内压力．

获得观测轨压与观测扰动后，设计控制器，表达式为

其中

式中：pk为状态反馈比例项系数；aimy为输出量的目标值．

4 轨压控制系统构架及仿真结果

4.1 轨压控制系统构架

系统实际运行过程中，观测器对扰动的求解速度有限，扰动估计速度较慢，造成控制效果变差，根据式(11)中扰动表达式，将部分与物理模型相关的扰动计算设计为查表形式，形成扰动前馈，利用扰动前馈弥补观测器相对较慢的计算速度．扰动前馈与前面提到的观测器和控制输出，形成如图5所示的轨压控制系统构架．

图5 轨压控制系统构架Fig.5 Schematic of rail pressure control system

4.2 仿真结果

共轨系统模型中考虑了实际物理模型中非线性部分，将本文设计的控制系统与PID控制器分别应用于共轨系统模型，通过对控制效果的验证，了解抗扰控制与PID方式的区别．

图6 PID和主动抗扰控制在不同喷射脉宽下对比Fig.6 Comparison of PID and ADRC control effect under different injection pulses

目标轨压设为8,MPa，喷射脉宽从1.0,ms到1.2,ms变化．从图6中可以看出，系统参数发生变化后，原有PID参数无法满足系统变化后的控制要求，轨内压力从目标轨压降到7.6,MPa左右，而本文设计的抗扰控制系统可根据系统变化，估计出系统变化后的扰动，通过扰动补偿，最终轨内压力维持在8.0,MPa，偏差0.1,MPa．

5 模型验证及台架实验

5.1 模型验证

选取转速2,000,r/min、喷油脉宽1.2,ms、水温80,℃工况，调整轨内压力，获得实际系统数据，将模拟数据与真实数据进行对比，确认模型与真实系统相似性．如图7所示，实际油泵控制相位与模拟的控制相位趋势一致，在局部轨压下有1°,CA偏差，由此可以确认此模型与实际系统相近，可利用Simulink模拟获得的控制参数进行实验研究．获得控制参数如表1所示．

图7 模型验证Fig.7 Model test and verification

表1 控制器控制参数Tab.1 Control parameters of controller

5.2 控制平台及实验系统

控制系统如图8所示，由3部分组成：观测器用于观测轨内压力及内外部扰动；控制器根据观测量与目标量计算控制脉宽；扰动前馈计算扰动的前馈量以缓解观测器计算量，提高控制响应性．

凸轮轴信号、曲轴信号接收位置信息，观测器运行在曲轴转角触发的任务中，1.5°,CA触发1次观测器计算任务，180°,CA触发1次轨压控制任务，在轨压控制实施前有120个步长，观测器在120个步长内收敛．

控制系统硬件平台为dSPACE公司MicroAuto Box及RapidPro工具，在一台大众EA111系列的直喷增压发动机上进行测试，发动机参数见表2．

图8 控制系统及台架实验系统Fig.8 Schematic of control system and experimental system

表2 发动机参数Tab.2 Engine parameters

5.3 台架实验

5.3.1 响应性测试

在1,000,r/min、10,N·m工况下，目标轨压从8.0,MPa阶跃到10.0,MPa，以此测试控制响应性，扰动计算的稳定时间2,s，在调整过程中，轨内压力控制偏差在0.35,MPa内，估计扰动跟随实际扰动，并进行抗扰控制，稳定后偏差控制在0.2,MPa内，基本满足控制要求，如图9所示．扰动在2,s内收敛，其原因在于观测器求解速度较慢，而观测器求解速度由控制器硬件决定，所以提高控制器求解速度是后续的主要研究工作．

图9 轨压控制响应测试Fig.9 Rail pressure response test

5.3.2 转速扰动及喷油扰动测试

对于图10中扭矩10,N·m、转速从1,400,r/min到1,000,r/min的变化过程以及图11中1,000,r/min下喷油脉宽从1.5,ms增加至2.5,ms的变化过程，控制参数0b、ow在控制过程中不需要进行调整，观测器就能够观测到转速波动及喷油引起的内外扰动，实现轨压的稳定控制，可将轨内压力稳定控制在0.2,MPa偏差内，控制效果较好，且表现出较强的鲁棒性．

图10 转速扰动下轨压控制效果Fig.10 Control results under influence of engine speed

图11 喷油量扰动下控制效果Fig.11 Control results under influence of injection quantity

6 结 论

(1) 建立了直喷汽油机燃油共轨系统物理模型，将仿真模型与实际系统进行对比，结果表明模型与实际系统相近，可以反映实际轨压波动特性，并用于控制器分析研究

(2) 采用主动抗扰的轨压控制方法，设计了观测器和控制器，并在仿真模型中获得观测器和控制器参数，此套控制参数可满足所有工况的应用，大大减少了标定量．在与PID控制方法的仿真对比中发现，主动抗扰控制方法较PID方法更能适应系统变化，不需修改控制参数便可以满足不同工况下的控制需求.

(3) 在发动机实验台架上对主动抗扰控制器进行测试．测试结果表明，轨压控制响应迅速，可将轨压偏差控制在0.35,MPa以内；并且能够经受住转速和喷油扰动，将轨压偏差控制在0.2,MPa以内．

(4) 仿真和实验结果表明该主动抗扰控制系统的控制精度、抗扰能力及响应性能够满足目前发动机变工况中对喷射压力的要求．

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(责任编辑：孙立华)

Adaptive Disturbance Rejection Control for Common Rail System on Gasoline Directed Engine

Xie Hui，Yin Lianhao，Ling Jian
(State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

It is of great significance to stable fuel common rail pressure to maintain engines’ dynamic，economy and emission performance. Control problems are mainly the influence of the complex operation condition，speed dynamic and fuel injection dynamic. In this paper，physical model of fuel common rail system is built and verified by the experience data. Theoretically，the dynamic of model and main influence factors are analyzed on this model. Based on adaptive disturbance rejection control(ADRC)theory. Common rail system is linearized into first-order system，corresponding second-order extended observer is designed to detect system disturbance. Proportional feedback controller is used to control rail pressure actively. Controller is tested on the engine bench under the disturbance of speed changing and fuel injection changing. Testing resultsshow that the controller can reject the disturbance actively and maintain rail pressure at the target with deviation within 0.35,MPa，showing good responsiveness and robustness.

common rail system；extended observer；adaptive disturbance rejection control(ADRC)

TK417

A

0493-2137(2014)10-0879-07

10.11784/tdxbz201209077

2012-09-06；

2013-05-27.

谢 辉（1970— ），男，教授.

谢 辉，xiehui@tju.edu.cn.