CN114893315A - 一种基于在线感知为基础的高压共轨燃油喷射器燃油喷射量控制***及其mpc闭环 - Google Patents

一种基于在线感知为基础的高压共轨燃油喷射器燃油喷射量控制***及其mpc闭环 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高压共轨燃油喷射器燃油喷射量控制***及其控制方法。步骤1：将喷油器(1‑4)的高压油管(1‑6)的喷油器端安装压力传感器(2‑1)，并通过压力传感器电荷放大器(4‑1)对信号进行放大，用数据采集卡对入口压力进行采集；步骤2：基于步骤1采集的压力，根据黎曼不变理论得到质量流量变化率dG与压力变化率dP的关系；步骤3：根据步骤2的质量流量变化率dG与压力变化率dP的关系，计算燃油喷射量；步骤4：将步骤3的燃油喷射量，通过MPC模型来预测***在某一未来的时间段内的表现来进行优化控制。本发明用以解决燃油喷射量无法进行精确在线测量及控制的问题。

Description

一种基于在线感知为基础的高压共轨燃油喷射器燃油喷射量 控制***及其MPC闭环
技术领域
本发明属于动力能源领域，具体涉及一种基于在线感知为基础的高压共轨燃油喷射器燃油喷射量控制***及其MPC闭环控制方法。
背景技术
船用大功率柴油机作为船舶主机或辅机，在国民经济中一直占据重要地位。随着化石燃料日益枯竭和全球环境日益恶化，船舶对柴油机的动力性、经济性和环保指标等提出了更高的要求。要求船用柴油机功率大、热效率高、污染物排放低，因此适应大功率船用柴油机发展的电控高压共轨燃油喷射技术、废气排放处理技术、燃烧控制技、以及尾气余热回收技术等成为船用柴油机发展的重要方向。其中，电控高压共轨燃油喷射技术作为继高压喷射技术和增压技术之后的第三次柴油机技术飞跃而成为世界各国在船用柴油机技术方面竞争的热点。
随着高压共轨技术的燃油喷射压力逐渐升高，以及压电晶体喷油器大大提高了针阀的运动速度，使得高压共轨燃油喷射***的燃油喷射策略越来越灵活。喷油器工作压力以及开关速度越来越高，使得燃油喷射控制技术面临着新的挑战。
发明内容
本发明提供一种基于在线感知为基础的高压共轨燃油喷射器燃油喷射量控制***及其MPC闭环控制方法，用以解决燃油喷射量无法进行精确在线测量及控制的问题。
本发明通过以下技术方案实现：
一种基于在线感知为基础的高压共轨燃油喷射器燃油喷射量控制***，所述控制***包括数据采集单元、信号放大单元、喷油器驱动单元、燃油***单元、 PXI实时处理器、MPC控制单元、电源单元和上位机；
所述数据采集单元，用于采集压力传感器、针阀升程传感器信号；
所述信号放大单元，用于放大压力传感器以及针阀升程传感器的原始信号；
所述喷油器驱动单元，用于将5V方波转换为喷油器的驱动电流波形，并驱动喷油器动作；
所述燃油***单元，用于喷油量闭环控制***的燃油供给；
所述PXI处理器用于通过入口压力信号计算喷油量、以及运算喷油量MPC 控制算法；
所述MPC控制单元，用于控制燃油***的燃料喷射量；
所述电源单元，用于为所有的设备提供相应的电压；
所述上位机，用于将入口压力转换为喷油量的算法及MPC控制算法加载到 PXI处理器，开启和关闭采集***、喷射***，并对PXI处理器进行实时监控。
所述控制***，所述燃油***单元1包括油泵1-1、电机1-2、高压油轨 1-3和喷油器1-4，所述电机1-2与油泵1-1相连接，所述油泵1-1分别与油源 1-5和高压油轨1-3相连接，所述高压油轨1-3通过高压油管与喷油器1-4相连接；
所述数据采集单元2包括压力传感器2-1和针阀升程传感器2-2；
所述MPC控制单元3包括PXI控制器3-1和采集板卡和驱动单元ipod3-3；
所述信号放大单元4包括压力传感器电荷放大器4-1以及针阀升程传感器电荷放大器；
所述PXI控制器3-1通过电荷放大器3-3与喷油器1-4的压力传感器2-1 和针阀升程传感器2-2相连接。
一种基于在线感知为基础的高压共轨燃油喷射器燃油喷射量控制***的 MPC闭环控制方法，所述的控制方法包括以下步骤：
步骤1：将喷油器1-4的高压油管1-6的喷油器端安装压力传感器2-1，并通过压力传感器电荷放大器4-1对信号进行放大，用数据采集卡对入口压力进行采集；
步骤2：基于步骤1采集的压力，根据黎曼不变理论得到质量流量变化率dG 与压力变化率dP的关系；
步骤3：根据步骤2的质量流量变化率dG与压力变化率dP的关系，计算燃油喷射量；
步骤4：将步骤3的燃油喷射量，通过MPC模型来预测***在某一未来的时间段内的表现来进行优化控制。
所述控制方法，所述步骤2具体为，将高压共轨端看做等压反射端，将燃油***内的入口压力信号压力波动视为一维非定常管流，忽略摩擦力以及流体的粘性影响，根据声速方程和守恒方程，可得到质量流量变化率dG与压力变化率dP 的直接关系如下：
Figure BDA0003590224520000031
其中，A为高压油管的截面面积，a为燃油声速，G为质量流率。
所述控制方法，所述步骤3具体为，
当喷油脉宽很短时，喷油结束时刻早于反射波W3回到测量点处的时刻，通过下式对燃油喷射量进行计算：
Figure BDA0003590224520000032
其中W1为控制腔泄压产生的左行膨胀波，Ptest为测试的燃油***入口压力；
当反射波W3在喷射过程中回到测量点处，但是针阀在喷射过程中没有运动到最大限位处，燃油喷射量通过下式进行计算：
Figure BDA0003590224520000033
当针阀在喷射过程中达到最大限位处，燃油喷射量通过下式进行计算；
Figure BDA0003590224520000034
Figure BDA0003590224520000035
其中A为油管内径，a为当前燃油声速，Ptest为传感器实测压力，PW1为球阀开启产生的膨胀波，PW3为油轨处的反射波，t0为喷油器激励电流起始时刻；Δt 为t2-t1，ts为延迟时间，tc及t3为针阀关闭时刻，t1为针阀刚达到最大升程的时刻，t2为针阀刚离开最大升程的时刻。
所述控制方法，所述步骤4具体为，
步骤4.1：测量读取当前***状态，对设定时间的未来状态Xk进行预测；
步骤4.2：基于uk，uk+1，……uk+N，来进行滚动优化控制量u(k)；
步骤4.3：对于***施加步骤4.2优化后的控制量u(k)，待下一次优化时，对***的状态变量以及状态输入变量重新进行预测，从而进行滚动优化。
所述控制方法，所述步骤4.1具体为，
先对实际燃油喷射***的喷油量、喷油脉宽进行采集，用***辨识建立二者之间的关系，其传递函数表示为：
Figure BDA0003590224520000041
其中，a、b、T1、T2、T3为燃料喷射量传递函数模型的系数，a,b为二阶积分环节的系数，T1、T2、T3为三阶微分环节的系数；
由传递函数转化得到***的状态空间方程：
x(k+1)＝Ax(k)+Bu(k)
k为非负整数，x()为***的状态变量，此***中为喷射器喷油量；
由传递函数计算出其中的A,B；读取当前***状态x(k|k)，利用MPC对未来***的状态进行预测，记未来N个控制周期内预测的***状态变量Xk为：
Figure BDA0003590224520000042
N称为预测时域，(k+i|k)表示在当前k时刻预测k+i时刻的***状态。另外，预测动态***未来状态时，需获取预测时域内的控制输出变量Uk:
Figure BDA0003590224520000043
通过离散化状态方程依次对未来N个控制周期的***转态进行预测，整合成矩阵的形式为：
X(k)＝Mx(k)+Cu(k) (11)
其中：
Figure BDA0003590224520000051
所述控制方法，所述步骤4.2具体为，引入一个损失函数，将其定义为：
Figure BDA0003590224520000052
其中，第一项为误差加权和，第二项为输入加权和，第三项为终端矩阵，Q 为误差损失函数，R为输入损失矩阵，F为终端误差损失矩阵，消除损失函数中的未来状态变量，使得损失函数中只含有k时刻预测的控制量U(k)以及当前***状态变量x(k)：
Figure BDA0003590224520000053
J＝x(k)T Gx(k)+U(k)THU(k)+2x(k)TEU(k) (15)
Figure BDA0003590224520000054
令损失函数趋向最小值，并得出该条件下的u(k)，u(k+1)，u(k+2)，...u(k+N)。
所述控制方法，所述步骤4.3具体为，仅对***施加控制输出变量u(k)，待下一次优化时，对***的状态变量以及状态输入变量重新进行预测，从而进行滚动优化。
一种电子设备，包括处理器、通信接口、存储器和通信总线，其中，处理器，通信接口，存储器通过通信总线完成相互间的通信；
存储器，用于存放计算机程序；
处理器，用于执行存储器上所存放的程序时，实现上述所述的方法步骤。
本发明的有益效果是：
本发明将高压共轨燃油喷射器的电磁阀驱动电流的持续时间作为控制优化量，相较于传统的PID算法，MPC算法的响应速度快，达到稳态的时间短，超调小，鲁棒性较高。
本发明所述方式不仅考虑到喷油器本身结构参数对喷油规律的影响，而且能够根据实时的入口压力预测喷油器燃油喷射量。
本发明不需要破坏发动机喷油器及燃烧室的整体结构，只需在高压油管上加装一个轨压传感器，设备简单，且可以实现缸外测量。
本发明反馈信号的来源为入口压力传感器，工作环境更加舒缓，传感器寿命长，成本低。
附图说明
图1是本发明的不同喷射条件下喷油器入口处燃油压力波动信号，其中(a) -10MPa到10MPa喷射条件下喷油器入口处燃油压力波动信号图，(b)-20MPa到 20MPa喷射条件下喷油器入口处燃油压力波动信号图。
图2是本发明的MPC控制框图。
图3是本发明的方法流程图。
图4是本发明的实验装置图.
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
基于油压闭环的喷油量控制技术由于其采用喷油器入口压力为感知信号，传感器的安装位置位于高压油管处。相对于安装在发动机缸壁上的缸压传感器，高压油管处的压力传感器的工作环境较为温和，且相对于其他燃油喷射量的测量方式如动量法、容积法，油压闭环方式对燃油***的结构破坏很小，不受实验台的环境限制，可以在发动机正常运行的时候进行在线监测具体为：
一种基于在线感知为基础的高压共轨燃油喷射器燃油喷射量控制***，所述控制***包括数据采集单元、信号放大单元、喷油器驱动单元、燃油***单元、 PXI实时处理器、MPC控制单元、电源单元和上位机；
所述数据采集单元，用于采集压力传感器、针阀升程传感器信号；
所述信号放大单元，用于放大压力传感器以及针阀升程传感器的原始信号；
所述喷油器驱动单元，用于将5V方波转换为喷油器的驱动电流波形，并驱动喷油器动作；
所述燃油***单元，用于喷油量闭环控制***的燃油供给；
所述PXI处理器用于通过入口压力信号计算喷油量、以及运算喷油量MPC 控制算法；
所述MPC控制单元，用于控制燃油***的燃料喷射量；
所述电源单元，用于为所有的设备提供相应的电压；
所述上位机，用于将入口压力转换为喷油量的算法及MPC控制算法加载到 PXI处理器，开启和关闭采集***、喷射***，并对PXI处理器进行实时监控。
所述控制***，所述燃油***单元1包括油泵1-1、电机1-2、高压油轨 1-3和喷油器1-4，所述电机1-2与油泵1-1相连接，所述油泵1-1分别与油源 1-5和高压油轨1-3相连接，所述高压油轨1-3通过高压油管与喷油器1-4相连接；
所述数据采集单元2包括压力传感器2-1和针阀升程传感器2-2；
所述MPC控制单元3包括PXI控制器3-1和采集板卡和驱动单元ipod3-3；
所述信号放大单元4包括压力传感器电荷放大器4-1以及针阀升程传感器电荷放大器；
所述PXI控制器3-1通过电荷放大器3-3与喷油器1-4的压力传感器2-1 和针阀升程传感器2-2相连接。
一种基于在线感知为基础的高压共轨燃油喷射器燃油喷射量控制***的 MPC闭环控制方法，所述的控制方法包括以下步骤：
步骤1：将喷油器1-4的高压油管1-6的喷油器端安装压力传感器2-1，并通过压力传感器电荷放大器4-1对信号进行放大，用数据采集卡对入口压力进行采集；
步骤2：基于步骤1采集的压力，根据黎曼不变理论得到质量流量变化率dG 与压力变化率dP的关系；
步骤3：根据步骤2的质量流量变化率dG与压力变化率dP的关系，计算燃油喷射量；
步骤4：将步骤3的燃油喷射量，通过MPC模型来预测***在某一未来的时间段内的表现来进行优化控制。
所述控制方法，所述步骤2具体为，将高压共轨端看做等压反射端，将燃油***内的入口压力信号压力波动视为一维非定常管流，忽略摩擦力以及流体的粘性影响，根据声速方程和守恒方程，可得到质量流量变化率dG与压力变化率dP 的直接关系如下：
Figure BDA0003590224520000081
其中，A为高压油管的截面面积(单位：mm2)，a为燃油声速(单位：m/s)， G为质量流率(mg/ms)。
所述控制方法，所述步骤3具体为，
当喷油脉宽很短时如图1(a)所示，喷油结束时刻早于反射波W3回到测量点处的时刻，通过下式对燃油喷射量进行计算：
Figure BDA0003590224520000082
其中W1为控制腔泄压产生的左行膨胀波，Ptest为测试的燃油***入口压力；
当反射波W3在喷射过程中回到测量点处，如图1(b)所示，但是针阀在喷射过程中没有运动到最大限位处，燃油喷射量通过下式进行计算：
Figure BDA0003590224520000083
当针阀在喷射过程中达到最大限位处，燃油喷射量通过下式进行计算；
Figure BDA0003590224520000084
Figure BDA0003590224520000091
其中A为油管内径，a为当前燃油声速，Ptest为传感器实测压力，PW1为球阀开启产生的膨胀波，PW3为油轨处的反射波，t0为喷油器激励电流起始时刻；Δt 为t2-t1，ts为延迟时间，tc及t3为针阀关闭时刻，t1为针阀刚达到最大升程的时刻，t2为针阀刚离开最大升程的时刻。
所述控制方法，所述步骤4具体为，
步骤4.1：测量读取当前***状态，对设定时间的未来状态Xk进行预测；
步骤4.2：基于uk，uk+1，……uk+N，来进行滚动优化控制量u(k)；
步骤4.3：对于***施加步骤4.2优化后的控制量u(k)，待下一次优化时，对***的状态变量以及状态输入变量重新进行预测，从而进行滚动优化。
所述控制方法，所述步骤4.1具体为，
先对实际燃油喷射***的喷油量(由入口压力计算得到)、喷油脉宽进行采集，用***辨识建立二者之间的关系，其传递函数表示为：
Figure BDA0003590224520000092
其中，a、b、T1、T2、T3为燃料喷射量传递函数模型的系数，a,b为二阶积分环节的系数，T1、T2、T3为三阶微分环节的系数；
由传递函数转化得到***的状态空间方程：
x(k+1)＝Ax(k)+Bu(k)
k为非负整数，x()为***的状态变量，此***中为喷射器喷油量；
由传递函数计算出其中的A,B；读取当前***状态x(k|k)，利用MPC对未来***的状态进行预测，记未来N个控制周期内预测的***状态变量Xk为：
Figure BDA0003590224520000101
N称为预测时域，(k+i|k)表示在当前k时刻预测k+i时刻的***状态。另外，预测动态***未来状态时，需获取预测时域内的控制输出变量Uk:
Figure BDA0003590224520000102
通过离散化状态方程依次对未来N个控制周期的***转态进行预测，整合成矩阵的形式为：
X(k)＝Mx(k)+Cu(k) (11)
其中：
Figure BDA0003590224520000103
所述控制方法，所述步骤4.2具体为，引入一个损失函数，将其定义为：
Figure BDA0003590224520000104
其中，第一项为误差加权和，第二项为输入加权和，第三项为终端矩阵，Q 为误差损失函数，R为输入损失矩阵，F为终端误差损失矩阵，消除损失函数中的未来状态变量，使得损失函数中只含有k时刻预测的控制量U(k)以及当前***状态变量x(k)：
Figure BDA0003590224520000111
J＝x(k)T Gx(k)+U(k)THU(k)+2x(k)TEU(k) (15)
Figure BDA0003590224520000112
令损失函数趋向最小值，并得出该条件下的u(k)，u(k+1)，u(k+2)，...u(k+N)。
所述控制方法，所述步骤4.3具体为，仅对***施加控制输出变量u(k)，待下一次优化时，对***的状态变量以及状态输入变量重新进行预测，从而进行滚动优化。
一种电子设备，包括处理器、通信接口、存储器和通信总线，其中，处理器，通信接口，存储器通过通信总线完成相互间的通信；
存储器，用于存放计算机程序；
处理器，用于执行存储器上所存放的程序时，实现上述所述的方法步骤。

Claims (10)

1.一种基于在线感知为基础的高压共轨燃油喷射器燃油喷射量控制***，其特征在于，所述控制***包括数据采集单元、信号放大单元、喷油器驱动单元、燃油***单元、PXI实时处理器、MPC控制单元、电源单元和上位机；
所述数据采集单元，用于采集压力传感器、针阀升程传感器信号；
所述信号放大单元，用于放大压力传感器以及针阀升程传感器的原始信号；
所述喷油器驱动单元，用于将5V方波转换为喷油器的驱动电流波形，并驱动喷油器动作；
所述燃油***单元，用于喷油量闭环控制***的燃油供给；
所述PXI处理器用于通过入口压力信号计算喷油量、以及运算喷油量MPC控制算法；
所述MPC控制单元，用于控制燃油***的燃料喷射量；
所述电源单元，用于为所有的设备提供相应的电压；
所述上位机(7)，用于将入口压力转换为喷油量的算法及MPC控制算法加载到PXI处理器，开启和关闭采集***、喷射***，并对PXI处理器进行实时监控。
2.根据权利要求1所述控制***，其特征在于，所述燃油***单元(1)包括油泵(1-1)、电机(1-2)、高压油轨(1-3)和喷油器(1-4)，所述电机(1-2)与油泵(1-1)相连接，所述油泵(1-1)分别与油源(1-5)和高压油轨(1-3)相连接，所述高压油轨(1-3)通过高压油管与喷油器(1-4)相连接；
所述数据采集单元(2)包括压力传感器(2-1)和针阀升程传感器(2-2)；
所述MPC控制单元(3)包括PXI控制器(3-1)和采集板卡和驱动单元ipod(3-3)；
所述信号放大单元(4)包括压力传感器电荷放大器(4-1)以及针阀升程传感器电荷放大器；
所述PXI控制器(3-1)通过电荷放大器(3-3)与喷油器(1-4)的压力传感器(2-1)和针阀升程传感器(2-2)相连接。
3.根据权利要求1-2任一所述一种基于在线感知为基础的高压共轨燃油喷射器燃油喷射量控制***的MPC闭环控制方法，其特征在于，所述的控制方法包括以下步骤：
步骤1：将喷油器(1-4)的高压油管(1-6)的喷油器端安装压力传感器(2-1)，并通过压力传感器电荷放大器(4-1)对信号进行放大，用数据采集卡对入口压力进行采集；
步骤2：基于步骤1采集的压力，根据黎曼不变理论得到质量流量变化率dG与压力变化率dP的关系；
步骤3：根据步骤2的质量流量变化率dG与压力变化率dP的关系，计算燃油喷射量；
步骤4：将步骤3的燃油喷射量，通过MPC模型来预测***在某一未来的时间段内的表现来进行优化控制。
4.根据权利要求3所述控制方法，其特征在于，所述步骤2具体为，将高压共轨端看做等压反射端，将燃油***内的入口压力信号压力波动视为一维非定常管流，忽略摩擦力以及流体的粘性影响，根据声速方程和守恒方程，可得到质量流量变化率dG与压力变化率dP的直接关系如下：
Figure FDA0003590224510000021
其中，A为高压油管的截面面积，a为燃油声速，G为质量流率。
5.根据权利要求3所述控制方法，其特征在于，所述步骤3具体为，
当喷油脉宽很短时，喷油结束时刻早于反射波W3回到测量点处的时刻，通过下式对燃油喷射量进行计算：
Figure FDA0003590224510000022
其中W1为控制腔泄压产生的左行膨胀波，Ptest为测试的燃油***入口压力；
当反射波W3在喷射过程中回到测量点处，但是针阀在喷射过程中没有运动到最大限位处，燃油喷射量通过下式进行计算：
Figure FDA0003590224510000023
当针阀在喷射过程中达到最大限位处，燃油喷射量通过下式进行计算；
Figure FDA0003590224510000031
其中A为油管内径，a为当前燃油声速，Ptest为传感器实测压力，PW1为球阀开启产生的膨胀波，PW3为油轨处的反射波，t0为喷油器激励电流起始时刻；Δt为t2-t1，ts为延迟时间，tc及t3为针阀关闭时刻，t1为针阀刚达到最大升程的时刻，t2为针阀刚离开最大升程的时刻。
6.根据权利要求3所述控制方法，其特征在于，所述步骤4具体为，
步骤4.1：测量读取当前***状态，对设定时间的未来状态Xk进行预测；
步骤4.2：基于uk，uk+1，……uk+N，来进行滚动优化控制量u(k)；
步骤4.3：对于***施加步骤4.2优化后的控制量u(k)，待下一次优化时，对***的状态变量以及状态输入变量重新进行预测，从而进行滚动优化。
7.根据权利要求6所述控制方法，其特征在于，所述步骤4.1具体为，
先对实际燃油喷射***的喷油量、喷油脉宽进行采集，用***辨识建立二者之间的关系，其传递函数表示为：
Figure FDA0003590224510000032
其中，a、b、T1、T2、T3为燃料喷射量传递函数模型的系数，a,b为二阶积分环节的系数，T1、T2、T3为三阶微分环节的系数；
由传递函数转化得到***的状态空间方程：
x(k+1)＝Ax(k)+Bu(k)
k为非负整数，x()为***的状态变量，此***中为喷射器喷油量；
由传递函数计算出其中的A,B；读取当前***状态x(k|k)，利用MPC对未来***的状态进行预测，记未来N个控制周期内预测的***状态变量Xk为：
Figure FDA0003590224510000041
N称为预测时域，(k+i|k)表示在当前k时刻预测k+i时刻的***状态。另外，预测动态***未来状态时，需获取预测时域内的控制输出变量Uk:
Figure FDA0003590224510000042
通过离散化状态方程依次对未来N个控制周期的***转态进行预测，整合成矩阵的形式为：
X(k)＝Mx(k)+Cu(k) (11)
其中：
Figure FDA0003590224510000043
8.根据权利要求6所述控制方法，其特征在于，所述步骤4.2具体为，引入一个损失函数，将其定义为：
Figure FDA0003590224510000044
其中，第一项为误差加权和，第二项为输入加权和，第三项为终端矩阵，Q为误差损失函数，R为输入损失矩阵，F为终端误差损失矩阵，消除损失函数中的未来状态变量，使得损失函数中只含有k时刻预测的控制量U(k)以及当前***状态变量x(k)：
Figure FDA0003590224510000051
J＝x(k)TGx(k)+U(k)THU(k)+2x(k)TEU(k) (15)
Figure FDA0003590224510000052
令损失函数趋向最小值，并得出该条件下的u(k)，u(k+1)，u(k+2)，...u(k+N)。
9.根据权利要求7所述控制方法，其特征在于，所述步骤4.3具体为，仅对***施加控制输出变量u(k)，待下一次优化时，对***的状态变量以及状态输入变量重新进行预测，从而进行滚动优化。
10.一种电子设备，其特征在于，包括处理器、通信接口、存储器和通信总线，其中，处理器，通信接口，存储器通过通信总线完成相互间的通信；
存储器，用于存放计算机程序；
处理器，用于执行存储器上所存放的程序时，实现权利要求1-9任一所述的方法步骤。
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