基于离散时间积分MCS算法的共轨系统自适应跟踪控制
马亚玲
摘 要： 为了获取燃油共轨压力动态参数，采用离散时间积分MCS自适应算法设计了一个全新的模型。通过实验，证明了离散时间积分自适应作用可以提高CR闭环回路的性能，并确定了新算法的有效性。该算法可以有效解决CR压力监控和调节的问题，对于CR闭环控制具有借鉴意义。
关键词： 共轨系统； 离散时间积分； 跟踪控制； MCS算法
中图分类号： TN820.4?34； TB123 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）18?0110?04
Adaptive tracking control of a common rail system based on discrete?time integral minimal control synthesis algorithm
MA Yaling
（Henan University of Chinese Medicine， Zhengzhou 450008， China）
Abstract： In order to acquire the dynamic parameter of fuel oil common rail （CR） pressure， a novel model was designed with the discrete?time minimal control synthesis adaptive algorithm. The experimental results indicate the discrete?time integral adaptive effect can improve closed?loop performance of CR， and confirm the effectiveness of the novel algorithm， which can solve both the monitoring and regulation of CR pressure effectively. It has a referential significance for CR closed?loop control.
Keywords： common rail system； discrete?time integral； tracking control； MCS algorithm
0 引 言
共轨（CR）系统将燃油喷射压力的产生和喷射过程分开，高压的燃油喷射使雾化喷射效果更加理想，并显著改善了燃烧质量。油轨压力是共轨系统重要的参数，稳定的油压可以确定不同负荷下的燃油喷注量，而且也能预期油滴尺寸、分布、渗透特性。然而发动机工作复杂以及喷油器开闭合作用影响油压的变化，CR压力的调节控制较为不易。本文利用欧拉离散方法提出了一种新的离散时间积分自适应压力控制策略：最小控制合成（MCS）算法[1?2]。离散时间积分MCS算法在连续时间情况下，通过添加一个显性离散时间自适应积分控制项[3]，在稳定或非稳定控制时起到补偿非零均值偏差作用。实验证明，基于离散时间积分MCS算法控制系统能够有效控制和调节CR压力[4]。该控制系统在进气歧管压力、发动机转速、CR压力与燃油喷射之间，建立了连续时间变化的关系函数。
1 共轨系统
共轨系统组成如图1所示。
燃油从油箱1被齿轮泵2吸出，经过油水分离器3到燃油高压泵4，燃油经过高压泵加压后进入共轨5中。共轨管将高压燃油分配到各喷油器6中。共轨管起蓄压器的作用，它的容积应削减高压油泵的供油压力波动和每个喷油器由喷油过程引起的压力震荡。共轨管上还安装了压力传感器7和压力调节器8。压力传感器向ECU提供油轨的压力信号，压力调节器保证油轨在出现压力异常时，迅速将油轨中的压力进行放泄[5]。
5 喷射持续时间的计算
系统干扰[η（t）]取决于发动机转速（或高压泵转速）和喷射持续时间，喷射控制如图3所示。
图中：[md]喷注量为[mac（S?Ncyl）]；[mac]为发动机空气进气量；[Ncyl]为气缸数。对于2.0 L 4缸发动机，基于转速[Ne]和进气歧管压力[Pi]的速度密度法函数[fsdNe，Pi]用于保证空燃比值S为14.56的喷注燃油量[Tinj]也被确定，它通过喷射器[gmd，Pa]模型求逆得到喷射持续时间。为了在控制变量和干扰源之间计算喷射持续时间，共轨燃油平均估计压力[Pa]的反馈引入了非线性耦合计算。
6 实验结果
为了证明共轨控制平均估计压力的有效性，本节将对设计的控制器进行实验测试[7]。实验测试平台建立在Bosch高压喷射系统GDI发动机上，高压泵驱动为1.5 kW的三相异步电控电机（型号为SE23400220）。每18°曲轴转角时进行采样。如图4所示。
从图4可以看到当进气歧管压力增加，发动机转速可以提高至6 000 r/min；当进气歧管压力下降时，发动机转速也随之降低。
图5为引入时间离散MCS算法时，共轨模型参考压力与平均估计压力值随时间变化的曲线图。当发动机转速增加时，喷射需求压力也随之增加，在转速为6 000 r/min时，共轨压力需求达到最大值100 bar。图6为压力跟踪误差百分比，其误差范围在3.5%以内。图7为模型参考压力调节和跟踪性能。
图8为自适应增益变化曲线，由于参考输入的持续激励和模型参数的变化而引起图中的漂移。AD高阶累积量同步积分或参数映射方法可以实现控制增益变化保持在预定范围内。
7 结 论
本文基于離散时间积分MAC算法设计的共轨系统自适应控制模型，其优点是无任何基于模型的前馈补偿，并且非线性压力扰动具有鲁棒性。经过实验研究，证明了本文所提出的自适应算法能够有效控制共轨压力。该算法在不增加反馈时间并兼顾控制复杂度和性能前提下，是一种更标准的增益调节控制方案。
参考文献
[1] DI BERNARDO M， DI GENNARO F， OLM J M， et al. Discrete?time minimal control synthesis adaptive algorithm [J]. International journal of control， 2010， 12： 2641?2657.
[2] DI BERNARDO M， DI GAETA A， MONTANARO U， et al. Discrete?time MRAC with minimal controller synthesis of an electronic throttle body [C]// Proceedings of 18th IFAC World Congress. Italy： [s.n.]， 2011： 5064?5069.
[3] STOTEN D. The adaptive minimal control synthesis algorithm with integral action [C]// Proceedings of IEEE 21st International Conference on Ind Electronics， Control， Instruments. [S.l.]： IEEE， 1995： 1646?1651.
[4] DI GAETA A， MONTANARO U， FIENGO G. A model?based gain scheduling approach for controlling the common?rail system for GDI engines[J]. International journal of control， 2012，85（4）：419?436.
[5] 林学东，王霆.车用发动机电子控制技术[M].北京：机械工业出版社，2008：230?248.
[6] 刘兴堂.应用自适应控制[M].西安：西北工业大学出版社，2003：246?260.
[7] 连国钧.动力控制工程[M].西安：西安交通大学出版社，2001：51?79.
[8] 黄琳.稳定性与鲁棒性的理论基础[M].北京：科学出版社，2003.
[9] 赵金辉，李冬伟，辛周.高压共轨喷油器响应时间的仿真分析[J].计算机仿真，2014，31（11）：231?235.
[10] 宋宇，曹树良.复合隐式时间积分格式的非线性问题仿真研究[J].计算机仿真，2012，29（11）：180?184.
[11] 罗金玲.太阳能光伏发电自动跟踪控制系统设计[J].物联网技术，2015，5（12）：70?71.
摘 要： 为了获取燃油共轨压力动态参数，采用离散时间积分MCS自适应算法设计了一个全新的模型。通过实验，证明了离散时间积分自适应作用可以提高CR闭环回路的性能，并确定了新算法的有效性。该算法可以有效解决CR压力监控和调节的问题，对于CR闭环控制具有借鉴意义。
关键词： 共轨系统； 离散时间积分； 跟踪控制； MCS算法
中图分类号： TN820.4?34； TB123 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）18?0110?04
Adaptive tracking control of a common rail system based on discrete?time integral minimal control synthesis algorithm
MA Yaling
（Henan University of Chinese Medicine， Zhengzhou 450008， China）
Abstract： In order to acquire the dynamic parameter of fuel oil common rail （CR） pressure， a novel model was designed with the discrete?time minimal control synthesis adaptive algorithm. The experimental results indicate the discrete?time integral adaptive effect can improve closed?loop performance of CR， and confirm the effectiveness of the novel algorithm， which can solve both the monitoring and regulation of CR pressure effectively. It has a referential significance for CR closed?loop control.
Keywords： common rail system； discrete?time integral； tracking control； MCS algorithm
0 引 言
共轨（CR）系统将燃油喷射压力的产生和喷射过程分开，高压的燃油喷射使雾化喷射效果更加理想，并显著改善了燃烧质量。油轨压力是共轨系统重要的参数，稳定的油压可以确定不同负荷下的燃油喷注量，而且也能预期油滴尺寸、分布、渗透特性。然而发动机工作复杂以及喷油器开闭合作用影响油压的变化，CR压力的调节控制较为不易。本文利用欧拉离散方法提出了一种新的离散时间积分自适应压力控制策略：最小控制合成（MCS）算法[1?2]。离散时间积分MCS算法在连续时间情况下，通过添加一个显性离散时间自适应积分控制项[3]，在稳定或非稳定控制时起到补偿非零均值偏差作用。实验证明，基于离散时间积分MCS算法控制系统能够有效控制和调节CR压力[4]。该控制系统在进气歧管压力、发动机转速、CR压力与燃油喷射之间，建立了连续时间变化的关系函数。
1 共轨系统
共轨系统组成如图1所示。
燃油从油箱1被齿轮泵2吸出，经过油水分离器3到燃油高压泵4，燃油经过高压泵加压后进入共轨5中。共轨管将高压燃油分配到各喷油器6中。共轨管起蓄压器的作用，它的容积应削减高压油泵的供油压力波动和每个喷油器由喷油过程引起的压力震荡。共轨管上还安装了压力传感器7和压力调节器8。压力传感器向ECU提供油轨的压力信号，压力调节器保证油轨在出现压力异常时，迅速将油轨中的压力进行放泄[5]。
5 喷射持续时间的计算
系统干扰[η（t）]取决于发动机转速（或高压泵转速）和喷射持续时间，喷射控制如图3所示。
图中：[md]喷注量为[mac（S?Ncyl）]；[mac]为发动机空气进气量；[Ncyl]为气缸数。对于2.0 L 4缸发动机，基于转速[Ne]和进气歧管压力[Pi]的速度密度法函数[fsdNe，Pi]用于保证空燃比值S为14.56的喷注燃油量[Tinj]也被确定，它通过喷射器[gmd，Pa]模型求逆得到喷射持续时间。为了在控制变量和干扰源之间计算喷射持续时间，共轨燃油平均估计压力[Pa]的反馈引入了非线性耦合计算。
6 实验结果
为了证明共轨控制平均估计压力的有效性，本节将对设计的控制器进行实验测试[7]。实验测试平台建立在Bosch高压喷射系统GDI发动机上，高压泵驱动为1.5 kW的三相异步电控电机（型号为SE23400220）。每18°曲轴转角时进行采样。如图4所示。
从图4可以看到当进气歧管压力增加，发动机转速可以提高至6 000 r/min；当进气歧管压力下降时，发动机转速也随之降低。
图5为引入时间离散MCS算法时，共轨模型参考压力与平均估计压力值随时间变化的曲线图。当发动机转速增加时，喷射需求压力也随之增加，在转速为6 000 r/min时，共轨压力需求达到最大值100 bar。图6为压力跟踪误差百分比，其误差范围在3.5%以内。图7为模型参考压力调节和跟踪性能。
图8为自适应增益变化曲线，由于参考输入的持续激励和模型参数的变化而引起图中的漂移。AD高阶累积量同步积分或参数映射方法可以实现控制增益变化保持在预定范围内。
7 结 论
本文基于離散时间积分MAC算法设计的共轨系统自适应控制模型，其优点是无任何基于模型的前馈补偿，并且非线性压力扰动具有鲁棒性。经过实验研究，证明了本文所提出的自适应算法能够有效控制共轨压力。该算法在不增加反馈时间并兼顾控制复杂度和性能前提下，是一种更标准的增益调节控制方案。
参考文献
[1] DI BERNARDO M， DI GENNARO F， OLM J M， et al. Discrete?time minimal control synthesis adaptive algorithm [J]. International journal of control， 2010， 12： 2641?2657.
[2] DI BERNARDO M， DI GAETA A， MONTANARO U， et al. Discrete?time MRAC with minimal controller synthesis of an electronic throttle body [C]// Proceedings of 18th IFAC World Congress. Italy： [s.n.]， 2011： 5064?5069.
[3] STOTEN D. The adaptive minimal control synthesis algorithm with integral action [C]// Proceedings of IEEE 21st International Conference on Ind Electronics， Control， Instruments. [S.l.]： IEEE， 1995： 1646?1651.
[4] DI GAETA A， MONTANARO U， FIENGO G. A model?based gain scheduling approach for controlling the common?rail system for GDI engines[J]. International journal of control， 2012，85（4）：419?436.
[5] 林学东，王霆.车用发动机电子控制技术[M].北京：机械工业出版社，2008：230?248.
[6] 刘兴堂.应用自适应控制[M].西安：西北工业大学出版社，2003：246?260.
[7] 连国钧.动力控制工程[M].西安：西安交通大学出版社，2001：51?79.
[8] 黄琳.稳定性与鲁棒性的理论基础[M].北京：科学出版社，2003.
[9] 赵金辉，李冬伟，辛周.高压共轨喷油器响应时间的仿真分析[J].计算机仿真，2014，31（11）：231?235.
[10] 宋宇，曹树良.复合隐式时间积分格式的非线性问题仿真研究[J].计算机仿真，2012，29（11）：180?184.
[11] 罗金玲.太阳能光伏发电自动跟踪控制系统设计[J].物联网技术，2015，5（12）：70?71.
