共軌壓力PID控制器的實(shí)現(xiàn)與仿真

尹社會(huì)，曹輝，王記昌

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南南陽(yáng)473000)

廢氣排放法規(guī)日益嚴(yán)格和柴油機(jī)電控技術(shù)不斷進(jìn)步，高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)已成為現(xiàn)代車(chē)用柴油機(jī)技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)之一，研究高壓共軌柴油機(jī)電控系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。高壓共軌系統(tǒng)能使柴油機(jī)在不同工況下的燃燒達(dá)到最佳狀態(tài)，有效改善了柴油車(chē)的排放性能，顯著提高柴油機(jī)的動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能，同時(shí)可降低柴油機(jī)的燃燒噪聲。高壓共軌系統(tǒng)適合于全電子柔性控制，采用壓力－時(shí)間式燃油計(jì)量方法，即燃油噴射量由噴射油壓和噴油脈寬共同決定，在實(shí)現(xiàn)高壓噴射同時(shí)可獨(dú)立控制噴油量、噴射壓力、噴油正時(shí)及噴油規(guī)律。系統(tǒng)能在柴油機(jī)的不同工況下實(shí)現(xiàn)高壓噴射，而不受柴油機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)荷的控制。在高壓共軌系統(tǒng)中，共軌壓力是系統(tǒng)最重要的控制參數(shù)之一，是系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，不僅影響噴油量，而且對(duì)燃油霧化和燃燒也起著重要的作用。各國(guó)的汽車(chē)生產(chǎn)廠家認(rèn)知到高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)是目前及今后柴油機(jī)供油系統(tǒng)的主要發(fā)展趨勢(shì)［1－3］。

1 共軌壓力控制原理與影響因素

能否對(duì)高壓共軌系統(tǒng)共軌壓力進(jìn)行精確控制，使其能夠適應(yīng)不同工況的需要且響應(yīng)性和波動(dòng)性都能達(dá)到理想的要求，顯得尤其重要。電控柴油機(jī)高壓共軌系統(tǒng)壓力控制的試驗(yàn)研究是涵蓋柴油機(jī)電控技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、高壓共軌燃油噴射技術(shù)、PID 控制算法于一體的試驗(yàn)研究。

應(yīng)用電磁閥和數(shù)字流量計(jì)作為噴油量檢測(cè)設(shè)備，通過(guò)軟件設(shè)計(jì)對(duì)噴油量進(jìn)行檢測(cè)，彌補(bǔ)了采用固定容積法存在的不足［4］。采用PID 控制算法，結(jié)合高壓共軌噴油系統(tǒng)的特點(diǎn)，在不同的工況下，設(shè)置不同的PID 參數(shù)，完成共軌壓力的閉環(huán)控制，使壓力波動(dòng)控制在許可的范圍內(nèi)。設(shè)計(jì)高精度控制算法，在CPLD中完成了噴油量的檢測(cè)。采用閉環(huán)控制方法，通過(guò)對(duì)共軌壓力調(diào)節(jié)閥的控制，達(dá)到穩(wěn)定共軌壓力的目的。為有效控制噴油量，在CPLD 器件中完成了高精度的流量檢測(cè)，從而更有效地控制噴油器電磁閥。

智能控制是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)的自動(dòng)控制，也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

在單片機(jī)的基礎(chǔ)上，采用CPLD 集成外圍硬件邏輯，使控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)更為靈活，可以同時(shí)產(chǎn)生多路PWM 信號(hào)對(duì)電磁閥實(shí)施控制。在噴油量的檢測(cè)過(guò)程中，應(yīng)用CPLD 芯片產(chǎn)生控制信號(hào)，完成高精度測(cè)量。根據(jù)功能要求，選用AT89C52 型單片機(jī)和CPLD器件XC95108。使用MCU+CPLD 控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能，MCU 和CPLD 的接口電路如圖2 所示。

圖2 MCU 與CPLD 的接口電路

柴油機(jī)電控燃油噴射系統(tǒng)的核心是要準(zhǔn)確地控制噴油量和噴油正時(shí)。針對(duì)高壓共軌電控燃油噴射系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了壓力－時(shí)間式的燃油計(jì)量方法，在實(shí)現(xiàn)預(yù)定的噴油量的過(guò)程中，共軌管的噴射油壓和ECU 電控單元發(fā)出的噴油脈寬共同決定噴油量的多少。柴油機(jī)的整體性能很大程度上受燃油噴射壓力的控制，共軌壓力的高低和共軌壓力的穩(wěn)定程度成為評(píng)判高壓共軌系統(tǒng)好壞的重要指標(biāo)。

高壓共軌噴油系統(tǒng)中的燃油壓力大小是通過(guò)控制高壓泵輸入到共軌管中油量的多少實(shí)現(xiàn)的。電控單元ECU 通過(guò)控制泵控制閥PCV 的開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)供油量的控制，最終進(jìn)行共軌壓力的調(diào)節(jié)，使壓力穩(wěn)定在最佳的壓力數(shù)值下。

供油量的多少是通過(guò)控制泵控制閥PCV 的延遲角度Toff實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)高壓油泵的凸輪運(yùn)轉(zhuǎn)到延遲角度Toff時(shí)，此時(shí)泵控制閥PCV 開(kāi)始關(guān)閉，壓油行程開(kāi)始工作，經(jīng)壓縮的低壓油轉(zhuǎn)化為高壓油進(jìn)入共軌管中，在這一過(guò)程可以看出泵控制閥PCV 的延遲角度Toff最終決定供油量的大小。電控單元ECU 對(duì)泵控制閥PCV 的控制過(guò)程是通過(guò)獲取某一工況下的脈譜(MAP)計(jì)算出對(duì)應(yīng)的延遲角度Toff實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)查出延遲角度Toff就決定了進(jìn)入共軌管的油量，其進(jìn)油量的多少就控制了高壓燃油的壓力，可以說(shuō)對(duì)泵控制閥PCV 的控制實(shí)質(zhì)上就是對(duì)燃油噴射壓力的控制。

對(duì)共軌壓力的控制就是控制進(jìn)入共軌管中的油量，從上節(jié)的高壓油泵的工作原理可以得到，調(diào)節(jié)泵控制閥PCV 的延遲角度Toff就可以有效地改變供油量，從而控制共軌壓力。所以說(shuō)對(duì)泵控制閥PCV 的有效控制是調(diào)節(jié)共軌壓力的關(guān)鍵。針對(duì)柴油機(jī)的不同工況，對(duì)泵控制閥PCV 實(shí)施不同的控制方式。最終輸出量是一定頻率和一定占空比的PWM 波［5］。穩(wěn)態(tài)工況下共軌壓力控制策略見(jiàn)圖3。

圖3 穩(wěn)態(tài)工況下共軌壓力控制策略

在柴油機(jī)高壓共軌系統(tǒng)中，制約共軌壓力控制的主要因素有燃油溫度、燃油中氣泡的存在及壓力波動(dòng)、壓力響應(yīng)等，其中壓力波動(dòng)問(wèn)題是高壓共軌技術(shù)中的一個(gè)瓶頸。共軌壓力的響應(yīng)速度與高壓油路的容積、柴油機(jī)高壓共軌系統(tǒng)的油路匹配情況及電控系統(tǒng)有密切的關(guān)系。

2 共軌壓力PID 控制器的實(shí)現(xiàn)

采用增量式PID 控制算法，其中增量是指對(duì)位置取其增量，采用這種控制算法后，由于只取其增量，這樣外部干擾所引起的誤差將相互抵消，控制精度明顯提高。針對(duì)增量式PID 控制算法，在具體實(shí)施的過(guò)程中，需對(duì)該控制算法進(jìn)行離散化處理。

模擬PID 控制算法的數(shù)學(xué)模型為:

其中:kp為比例系數(shù)，kd為微分系數(shù)，T 為采樣周期，ki為積分系數(shù)。

在PID 控制器的設(shè)計(jì)中，控制效果的好壞取決于控制參數(shù)的選取是否合適。PID 控制參數(shù)的數(shù)據(jù)值，需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定，以確定最佳的控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速性、準(zhǔn)確性的要求。

在柴油機(jī)高壓共軌系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性及快速性是區(qū)別于普通控制系統(tǒng)的一個(gè)重要特征。通過(guò)分析臺(tái)架試驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)可知:采樣周期的選取對(duì)共軌壓力的有效控制起著重要的影響。在共軌壓力數(shù)據(jù)采集的過(guò)程中，采樣周期應(yīng)盡可能地小于最小振蕩周期。

圖4 衰減曲線

采用衰減曲線法，在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，把調(diào)節(jié)器置于純比例作用，從大到小逐漸調(diào)節(jié)比例度，加擾動(dòng)做調(diào)節(jié)系統(tǒng)試驗(yàn)，直到系統(tǒng)出現(xiàn)近似4∶ 1 衰減過(guò)程為止。此時(shí)比例度稱(chēng)4∶ 1 衰減比例度δs，兩波峰間的距離稱(chēng)為4∶ 1 衰減周期Ts，如圖4 所示。然后根據(jù)表1 中的計(jì)算公式求出調(diào)節(jié)器參數(shù)δ、TI、TD值。

表1 衰減曲線法計(jì)算公式

在軌壓調(diào)節(jié)中，要達(dá)到穩(wěn)定軌壓的目的，就要設(shè)定合適的PID 參數(shù)。可以通過(guò)程序設(shè)計(jì)，完成PID 參數(shù)整定。

流量檢測(cè)精度的高低和控制器的選取與控制算法有關(guān)，在MCU+CPLD 控制器中，MCU 和CPLD 都能完成流量檢測(cè)，但CPLD 的測(cè)量精度更高。在試驗(yàn)中，采用了高精度定閘門(mén)測(cè)量法與量化延時(shí)法相結(jié)合的方法［6］來(lái)實(shí)現(xiàn)噴油量的測(cè)量。

(1)高精度定閘門(mén)測(cè)量法

通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)進(jìn)行分頻產(chǎn)生定閘門(mén)信號(hào)，實(shí)際閘門(mén)信號(hào)是通過(guò)定閘門(mén)信號(hào)與被測(cè)信號(hào)同步實(shí)現(xiàn)的，開(kāi)啟和關(guān)閉標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)計(jì)數(shù)器是通過(guò)定閘門(mén)信號(hào)實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)定閘門(mén)信號(hào)的上升沿開(kāi)啟計(jì)數(shù)器后，在下一次定閘門(mén)信號(hào)的上升沿到來(lái)時(shí)關(guān)閉標(biāo)準(zhǔn)頻率計(jì)數(shù)器，在此時(shí)間段中，獲取標(biāo)準(zhǔn)頻率計(jì)數(shù)值，并將計(jì)數(shù)值進(jìn)行存儲(chǔ)。等到定閘門(mén)信號(hào)的上升沿再次到來(lái)時(shí)，在對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)計(jì)數(shù)器清零的同時(shí)再次開(kāi)始計(jì)數(shù)。要想關(guān)閉標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)的計(jì)數(shù)器T2要等到實(shí)際實(shí)際閘門(mén)信號(hào)的上升沿到來(lái)，同時(shí)存儲(chǔ)計(jì)數(shù)值n0i+1，如此就獲得了所要的數(shù)據(jù)。頻率測(cè)量波形圖見(jiàn)圖5。

圖5 頻率測(cè)量波形圖

這種測(cè)量方法的顯著優(yōu)點(diǎn)就是測(cè)量分辨率的高低與選取的被測(cè)信號(hào)頻率大小無(wú)關(guān)，通過(guò)控制實(shí)際閘門(mén)時(shí)間和選取標(biāo)頻信號(hào)就能保證測(cè)量精度。實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)信號(hào)的連續(xù)、高速、高準(zhǔn)確度頻率測(cè)量，是多周期同步測(cè)頻方法的發(fā)展。

(2)量化時(shí)延法

量化時(shí)延方法的設(shè)計(jì)思路就是利用了時(shí)間和頻率信號(hào)在線路中傳播非常穩(wěn)定、且在線路中信號(hào)傳播的速度非常快這一特性，正是該特性使其非常適合作為短時(shí)間間隔的測(cè)量。假如所要測(cè)量的時(shí)間間隔與器件組的時(shí)間延遲相一致，并可以對(duì)其進(jìn)行量化的話，就能對(duì)這一較短的時(shí)間間隔進(jìn)行精確測(cè)量。采用量化延時(shí)法可以提高總體測(cè)量的精度。量化時(shí)延法測(cè)量原理見(jiàn)圖6。

圖6 量化時(shí)延法測(cè)量原理

(3)兩種方法的結(jié)合

從兩種測(cè)量方法原理看，要將量化時(shí)延級(jí)聯(lián)鏈法與一種從多周期同步法發(fā)展而來(lái)的高精度、定閘門(mén)、連續(xù)測(cè)頻法相結(jié)合，在電路設(shè)計(jì)的過(guò)程中，運(yùn)用電路單元應(yīng)有大量的控制電路、地址譯碼器、高速計(jì)數(shù)器。采用大規(guī)模集成芯片CPLD，具有開(kāi)發(fā)周期短、測(cè)量精度較高、方便調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)。

3 控制信號(hào)仿真

利用EDA 開(kāi)發(fā)工具Quartus II 對(duì)Verilog HDL 的設(shè)計(jì)進(jìn)行編譯、適配、優(yōu)化和邏輯綜合，能夠自動(dòng)地把Verilog HDL 描述轉(zhuǎn)變?yōu)殚T(mén)級(jí)控制電路，進(jìn)而完成電路分析、自動(dòng)布局布線、糾錯(cuò)和驗(yàn)證、仿真等各項(xiàng)工作［7－9］。將一種從多周期同步法發(fā)展而來(lái)的高精度、定閘門(mén)、連續(xù)測(cè)頻法與量化時(shí)延法相結(jié)合，完成信號(hào)的采集。為了驗(yàn)證編程思想的正確性，先進(jìn)行了模擬仿真。原理圖輸入如圖7 所示，仿真結(jié)果如圖8—9 所示。

仿真結(jié)果中，設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)周期為6.62 ns，理論分析表明，將兩條豎線的數(shù)據(jù)取出代入可得被測(cè)信號(hào)的周期值為:

圖7 原理圖輸入

圖8 控制信號(hào)仿真結(jié)果

圖9 整體仿真結(jié)果

4 結(jié)論

使用量化時(shí)延法與高精度定閘門(mén)法相結(jié)合的方法進(jìn)行測(cè)量，在不提高閘門(mén)時(shí)間與頻率的情況下，通過(guò)控制器可以達(dá)到更高的測(cè)量精度，也提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。

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