1、 第 6 卷 第 4 期2007 年 8 月 江 南 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 )Journal of Jiangnan University( Natural Science Edition) Vol. 6 No. 4Aug. 2007文 章 编 号 :1671 - 7147 (2007) 04 - 0463 - 04收 稿 日 期 :2006 - 01 - 17 ; 修 订 日 期 :2006 - 06 - 28.作 者 简 介 : 张 美 娟 (1977 - ) ,女 ,江 苏 泰 兴 人 ,机 械 设 计 及 理 论 专 业 硕 士 研 究 生 .3 通 讯 联 系 人 :
2、 尤 丽 华 (1955 - ) ,女 ,江 苏 淮 安 人 ,副 教 授 . 主 要 从 事 测 控 技 术 及 图 像 处 理 方 面 的 研 究 .Email : wywylh public1. wx. js. cn高 压 共 轨 式 电 控 柴 油 机 共 轨 压 力 的 控 制 方 法张 美 娟 , 尤 丽 华 3(江 南 大 学 机 械 工 程 学 院 ,江 苏 无 锡 214122)摘 要 :为 了 对 柴 油 机 高 压 共 轨 式 燃 油 喷 射 系 统 的 共 轨 燃 油 压 力 进 行 准 确 、 实 时 的 控 制 以 及 满 足喷 油 量 和 喷 油 压 力 柔 性
3、控 制 的 需 要 ,在 对 系 统 建 模 的 基 础 上 ,提 出 并 设 计 了 共 轨 燃 油 压 力 神 经 网络 模 糊 PID 控 制 方 法 ,并 与 其 他 控 制 方 法 进 行 比 较 . 仿 真 结 果 表 明 :采 用 神 经 网 络 模 糊 PID 控 制器 效 果 好 ,跟 踪 速 度 快 ,无 静 差 ,抗 扰 动 性 强 .关 键 词 : 共 轨 ;燃 油 压 力 ;神 经 网 络 ;模 糊 PID 控 制中 图 分 类 号 : T K 421 文 献 标 识 码 : AStudy on the Control Method of Injection Pres
4、sure of ElectronicallyControlled HighOPressure Common Rail Fuel Injection SystemZHAN G MeiOjuan , YOU LiOhua 3(School of Mechanical Engineering ,Jiangnan University ,Wuxi 214122 ,China)Abstract :In order to meet t he demands of flexible control of f uel injection quantity and pressurefor highOpressu
5、re common rail f uel injection system of diesel engine. The paper establishs t hemat hematical model of t he controlled object ,p ut forwards and designs t he neuralOnetworks f uzzyPID control met hod. The simulation result s show that t he neuralOnetworks f uzzy PID controller isbetter in effection
6、 ,quicker in track speed and stronger in antiOjamming ability than normal PIDand f uzzy PID ,wit h no static error.Key words : common rail ; f uel pressure ; neuralOnetwork ; f uzzy PID control高 压 共 轨 式 燃 油 喷 射 系 统 1 (以 下 简 称 “ 共 轨系 统 ” ) ,是 为 了 满 足 日 益 严 格 的 排 放 法 规 而 研 制 的新 型 喷 油 系 统 . 该 系 统 是 一 个
7、 典 型 的 压 力 - 时 间 控制 系 统 ,柴 油 机 的 喷 油 量 是 由 喷 油 压 力 和 喷 油 持 续时 间 共 同 决 定 的 . 供 油 系 统 的 压 力 稳 定 ,已 成 为 能否 精 确 控 制 喷 油 量 的 重 要 基 础 2 . 所 以 在 高 压 共 轨燃 油 喷 射 系 统 的 研 究 与 开 发 中 ,共 轨 燃 油 压 力 (以下 简 称 “ 轨 压 ” )的 控 制 是 关 键 技 术 之 一 .共 轨 系 统 中 由 凸 轮 泵 建 立 起 来 的 轨 压 是 脉 动变 化 的 . 同 时 ,在 变 工 况 时 喷 油 量 的 突 然 波 动 也
8、会直 接 影 响 轨 压 的 稳 定 性 ,所 以 对 轨 压 的 控 制 算 法 不能 采 用 传 统 的 PID 控 制 3 . 目 前 ,采 用 的 控 制 方 法有 智 能 开 关 型 模 糊 PID 控 制 4 、 模 糊 PID 控 制 等 ,这 些 控 制 方 法 规 则 表 需 占 用 大 量 的 内 存 空 间 ,反 应速 度 慢 ,且 只 能 按 照 已 经 编 入 的 规 则 进 行 控 制 ,不够 理 想 . 运 用 神 经 网 络 模 糊 PID 控 制 可 以 有 效 解 决这 些 问 题 ,可 在 不 考 虑 喷 油 量 、 喷 油 正 时 、 喷 油 规 律与
9、转 速 的 条 件 下 ,精 确 柔 性 地 控 制 轨 压 ,这 有 望 成为 今 后 更 为 优 越 的 控 制 方 法 .1 共 轨 系 统 的 轨 压 控 制 系 统1. 1 轨 压 控 制 原 理图 1 为 共 轨 系 统 结 构 图 . 轨 压 由 高 压 泵 产 生 ,并 由 高 压 泵 供 给 的 油 量 控 制 . 高 压 泵 供 油 量 的 大 小由 比 例 节 流 阀 开 度 进 行 控 制 ,控 制 器 通 过 脉 冲 调 宽信 号 控 制 比 例 节 流 阀 的 开 度 , 达 到 控 制 轨 压 的目 的 .图 1 共 轨 系 统 结 构Fig. 1 Structu
10、re of common rail system1. 2 共 轨 系 统 控 制 框 图图 2 为 共 轨 系 统 轨 压 控 制 系 统 框 图 . G 1 ( S) 和G4 ( S) 分 别 为 数 字 控 制 器 和 压 力 传 感 器 的 传 递 函数 . R ( S) 为 目 标 轨 压 指 令 , Y ( S) 是 实 际 轨 压 值 . 被控 对 象 为 比 例 节 流 阀 G1 ( S) 、 高 压 变 量 泵 G2 ( S) 和共 轨 油 管 G3 ( S) 组 成 的 串 联 系 统 . 在 数 字 控 制 器中 ,根 据 轨 压 控 制 的 需 要 ,由 控 制 器 输
11、出 PWM 脉 冲信 号 , 经 驱 动 电 路 输 出 驱 动 比 例 节 流 阀 .图 2 共 轨 系 统 轨 压 控 制 系 统 框 图Fig. 2 Control system structure of common rail pressure2 轨 压 神 经 网 络 模 糊 PID 控 制 器 的设 计2. 1 神 经 网 络 模 糊 PID 控 制 器 的 设 计 方 案神 经 网 络 具 有 并 行 计 算 、 分 布 式 信 息 存 贮 、 容错 能 力 强 以 及 具 备 自 适 应 学 习 功 能 ,而 模 糊 逻 辑 比较 适 合 于 表 达 那 些 模 糊 或 定 性
12、 的 知 识 . 其 推 理 方 式较 类 似 于 人 的 思 维 模 式 ,所 以 可 将 神 经 网 络 和 模 糊系 统 适 当 结 合 起 来 ,吸 取 两 者 的 长 处 5 . 轨 压 神 经网 络 模 糊 PID 控 制 是 利 用 离 线 训 练 好 的 网 络 ,通 过在 线 计 算 得 到 最 佳 的 输 出 . 这 种 控 制 模 式 的 反 应 速度 快 ,表 现 灵 活 ,又 能 根 据 不 同 偏 差 E 和 偏 差 变 化率 Ec 实 现 对 PID 参 数 在 线 自 整 定 ,非 常 适 用 于 共轨 燃 油 压 力 闭 环 控 制 . 图 3 是 文 中 提
13、 出 的 轨 压 神 经网 络 模 糊 PID 控 制 器 设 计 方 案 .图 3 共 轨 燃 油 压 力 神 经 网 络 模 糊 PID 控 制 器Fig. 3 Common rail fuel pressure PID controler of fuzzyneural network在 轨 压 闭 环 的 控 制 过 程 中 ,采 用 增 量 式 PID 算法 6 如 下 : U k = Kp ( ek - ek - 1 ) + K1 ek +KD ( ek - 2ek - 1 + ek - 2 ) (1)U K = U K - 1 + U k (2)E = ek = rk - Y k
14、(3)Ec = ek - ek - 1 (4)式 中 : U k 为 本 次 控 制 量 的 增 量 ; E = ek 为 本 次 轨 压的 偏 差 ; ek - 1 和 ek - 2 为 前 两 次 轨 压 偏 差 ; U k - 1为 上 一 次 的 控 制 量 ; U k 为 本 次 的 控 制 量 ; Rk为 理 想 的 轨 压 值 ; Y k 为 本 次 实 测 的 轨 压 值 ; Ec为 轨 压 偏 差 变 化 率 .2. 2 输 入 量 模 糊 化 和 归 一 化神 经 网 络 模 糊 PID 控 制 的 输 入 语 言 变 量 有 2 个 :轨 压 偏 差 的 绝 对 值 |
15、E | 和 轨 压 偏 差 变 化 率 的 绝 对 值| EC| .控 制 器 将 轨 压 信 号 进 行 A/ D 转 换 ,根 据 实 际 计算 结 果 ,2 个 输 入 语 言 变 量 的 论 域 都 为 0 150 ,如果 大 于 150 ,则 取 值 为 150. 2 个 输 入 语 言 变 量 的 模 糊464 江 南 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 ) 第 6 卷 集 都 为 零 小 中 大 ,用 符 号 表 示 为 Z S M B . 2 个输 入 语 言 变 量 的 隶 属 度 函 数 采 用 铃 形 ,见 图 4.轨 压 偏 差 的 绝 对 值 | E| / MPa
16、;轨 压 偏 差 变 化 率 的 绝 对 值 | EC| / MPa s - 1图 4 输 入 语 言 变 量 的 隶 属 函 数Fig. 4 Subjection function of input larguage variable2. 3 轨 压 控 制 系 统 的 神 经 网 络文 中 应 用 的 是 前 向 型 BP (Back Propagation)神经 网 络 7 ,其 结 构 见 图 5. 它 是 1 个 3 层 的 神 经 网络 ,包 含 输 入 层 、 隐 含 层 和 输 出 层 . 其 中 有 8 个 输 入节 点 、 16 个 隐 层 节 点 和 3 个 输 出 节
17、点 . 输 入 节 点 对应 | E | 和 | Ec | 经 模 糊 量 化 处 理 后 的 系 统 状 态 变量 ;输 出 节 点 分 别 对 应 PID 控 制 器 的 3 个 可 调 参 数KP , KI , KD . 由 于 KP , KI , KD 不 能 为 负 值 ,所 以 输出 层 神 经 元 的 活 化 函 数 取 非 负 的 Sigmoid 函 数 ,而隐 含 层 神 经 元 的 活 化 函 数 取 正 负 对 称 的 Sigmoid 函数 ,学 习 规 则 函 数 采 用 learnbp m. 模 型 的 训 练 和 仿真 由 Matlab 软 件 实 现 .图 5 B
18、P神 经 网 络 ( NN)结 构Fig. 5 Structure chart of BP neural network2. 4 神 经 网 络 模 糊 PID 控 制 器 的 软 件 实 现在 离 线 训 练 好 网 络 之 后 ,作 者 设 计 了 1 个 神 经网 络 模 糊 PID 控 制 模 块 ,该 模 块 的 输 入 量 为 轨 压 偏差 及 其 变 化 率 ,输 出 量 为 比 例 节 流 阀 控 制 信 号 的 占空 比 . 该 模 块 的 程 序 流 程 见 图 6.3 仿 真 分 析3. 1 阶 跃 响 应 特 性将 被 控 对 象 的 模 型 简 化 成 如 下 形 式
19、 :G( S) = 0. 6(1 + 0. 12 S) 3 (5)利 用 Matlab/ Simulink 建 模 仿 真 ,分 别 采 用 传统 PID 控 制 器 、 模 糊 PID 控 制 器 和 神 经 网 络 模 糊PID 控 制 器 进 行 控 制 . 对 轨 压 发 生 阶 跃 响 应 的 仿真 8 ,要 求 系 统 超 调 量 小 于 3 %. 从 图 7 的 仿 真 结 果可 知 ,模 糊 PID 控 制 的 上 升 时 间 为 1. 4 s ,峰 值 时 间为 2. 6 s ,调 整 时 间 为 2. 6 s ,无 超 调 . 传 统 PID 控 制方 式 的 上 升 时
20、间 为 3. 2 s ,峰 值 时 间 为 5 s ,调 整 时 间为 5 s ,无 超 调 . 而 神 经 网 络 模 糊 PID 控 制 的 上 升 时间 仅 有 0. 085 s ,峰 值 时 间 为 0. 23 s ,调 整 时 间 为0. 27 s ,无 超 调 . 由 仿 真 结 果 可 知 :在 相 近 的 超 调 量下 ,神 经 网 络 模 糊 PID 控 制 的 稳 态 精 度 高 ,尤 其 是动 态 响 应 快 ,调 整 时 间 短 .图 6 神 经 网 络 模 糊 PID 控 制 模 块 程 序 流 程Fig. 6 Control module program flow
21、of fuzzy neuralnetwork PID图 7 阶 跃 响 应 曲 线Fig. 7 Step answering curve3. 2 扰 动 抑 制 性在 共 轨 系 统 中 ,喷 油 器 瞬 间 喷 油 对 轨 压 造 成 的 扰动 以 及 系 统 中 其 他 负 载 参 数 发 生 变 化 都 会 对 轨 压 造成 影 响 ,因 此 有 必 要 对 其 抗 扰 动 性 作 出 验 证 . 在 保 持系 统 超 调 量 小 于 3 %时 的 控 制 器 参 数 ,分 别 以 正 弦 波和 脉 冲 作 为 系 统 的 扰 动 信 号 ,分 别 对 3 种 控 制 方 式 仿真 ,并
22、 分 析 这 3 种 控 制 方 式 对 扰 动 信 号 的 抑 制 能 力 .由 图 8 可 知 ,在 正 弦 波 扰 动 下 ,模 糊 PID 控 制 和 传 统PID 控 制 方 式 时 响 应 曲 线 波 动 很 大 ,而 神 经 网 络 模 糊PID 控 制 器 几 乎 不 受 影 响 . 由 图 9 可 知 ,在 脉 冲 扰 动564 第 4 期 张 美 娟 等 :高 压 共 轨 式 电 控 柴 油 机 共 轨 压 力 的 控 制 方 法下 ,传 统 PID 控 制 和 模 糊 PID 控 制 恢 复 不 到 原 平 衡位 置 ,而 神 经 网 络 模 糊 PID 控 制 很 快
23、就 恢 复 到 稳 态 .所 以 ,神 经 网 络 模 糊 PID 控 制 比 模 糊 PID 控 制 和 传统 PID 控 制 的 抗 扰 动 性 强 .图 8 正 弦 波 扰 动Fig. 8 Sine wave disturbing图 9 脉 冲 扰 动Fig. 9 Pulse disturbing4 结 语1) 轨 压 控 制 中 ,神 经 网 络 模 糊 PID 控 制 器 的 跟随 性 、 稳 定 性 和 鲁 棒 性 均 优 于 传 统 的 PID 控 制 器 和模 糊 PID 控 制 器 ;2) 神 经 网 络 模 糊 PID 控 制 的 抗 扰 动 性 明 显 优于 传 统 的
24、PID 控 制 器 和 模 糊 PID 控 制 器 ,非 常 适 合柴 油 机 轨 压 控 制 ;3) 神 经 网 络 模 糊 PID 控 制 无 须 查 表 ,节 省 内 存空 间 ,只 需 通 过 在 线 计 算 ,便 可 得 到 合 适 的 PID 参数 ,但 需 对 其 在 线 计 算 时 间 作 进 一 步 分 析 ;4) 神 经 网 络 模 糊 PID 控 制 具 有 较 强 的 适 应 能力 和 联 想 能 力 ,对 未 出 现 过 的 样 本 ,可 通 过 控 制 器记 忆 ,联 想 产 生 合 适 的 PID 参 数 ;5) 针 对 共 轨 系 统 建 模 的 不 精 确 性
25、 和 系 统 自 身 的强 时 变 性 ,神 经 网 络 模 糊 PID 具 有 很 强 的 实 用 性 .6) 对 神 经 网 络 模 糊 PID 控 制 的 研 究 目 前 还 在仿 真 阶 段 ,需 要 进 一 步 对 所 采 用 的 硬 件 和 相 应 软 件进 行 研 究 ,高 速 控 制 的 实 用 还 有 待 于 神 经 网 络 芯 片的 发 展 .参 考 文 献 : 1 Catalano L A , Tondolo V A , Dadone A. Dynamic rise of pressure in the commonOrail fuel injection System
26、C/ Detroit :SA E Paper , Sociey of Aitomotive Engineers , 2002. 2 Ulrich Flaig , Wilhelm Polach , Gerhard Ziegler. Common rail system (CROSystem) for passenger car dI diesel engines ,Experiences with Applications for Series Production Projects C/ Detroit :SAE paper , Sociey of Aitomotive Engineers ,
27、1999. 3 周 文 华 . 高 压 共 轨 电 控 喷 油 系 统 控 制 算 法 研 究 J . 内 燃 机 工 程 ,2002 ,23 (4) :30O33.ZHOU WenOhua. The algorithm research on an electronic controlled high pressure common rail fuel injection systemJ .Chinese Internal Combustion Engine Engineering ,2002 ,23 (4) :30O33 (in Chinese) . 4 杨 林 ,冒 晓 建 ,郭 海 涛
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29、琳 .模 糊 神 经 网 络 钳 式 吊 车 行 走 力 矩 跟 随 系 统 J . 工 业 安 全 与 环 ,2005 ,31 (8) :37O38.L IU HuiOkang , HU ShiOyong ,CHAI Lin. Base on fuzzy neural networks in load equilibrium control system of tong cranecart treadingJ . Industrial Safety and Dust Control ,2005 ,31 (8) :37O38 (in Chinese) . 6 张 红 光 ,刘 兴 华 , 程
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31、Journal of Beijing PolytechnicUniversity ,2002 ,28 (3) :308O312 (in Chinese) . 7 陶 永 华 . 新 型 PID 控 制 及 其 应 用 M .北 京 :机 械 工 业 出 版 社 ,2005. 8 熊 文 ,谢 剑 刚 ,张 光 德 ,等 . 共 轨 柴 油 机 调 速 器 的 PID 参 数 模 糊 自 整 定 控 制 J . 拖 拉 机 与 农 用 运 输 车 ,2005 ,8 (4) :29O32.XION G Wen , XIE JianOgang , ZHAN G GuangOde , et al. Fuzzy selfOadjusting of digital governor PID parameters for dieselengine with commonOrail fuel injection systemJ . Tractor and Farm Transporter ,2005 ,8 (4) :29O32 (in Chinese) .(责 任 编 辑 :彭 守 敏 )664 江 南 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 ) 第 6 卷
