基于紅嘴藍(lán)鵲算法的高壓共軌燃油噴射控制研究

【摘" 要】文章針對(duì)柴油機(jī)高壓共軌系統(tǒng)燃油噴射精確度不高的問題，提出一種基于紅嘴藍(lán)鵲算法的高壓共軌燃油噴射控制方法。首先，對(duì)高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模;其次，構(gòu)建一套柴油機(jī)高壓共軌燃油噴射控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用模糊PID算法實(shí)現(xiàn)對(duì)燃油噴射的控制;在此基礎(chǔ)上，針對(duì)模糊PID控制算法中的模糊論域，運(yùn)用紅嘴藍(lán)鵲算法進(jìn)行優(yōu)化。最后，利用MATLAB/Simulink對(duì)傳統(tǒng)PID、模糊PID和基于紅嘴藍(lán)鵲算法的模糊PID控制算法這三者進(jìn)行仿真對(duì)比。研究結(jié)果表明，經(jīng)紅嘴藍(lán)鵲算法優(yōu)化后，燃油噴射量的控制更加精確，可以有效提升高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的性能。

【關(guān)鍵詞】高壓共軌;噴油量;紅嘴藍(lán)鵲算法;模糊PID

中圖分類號(hào)：U464.172" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " 文章編號(hào)：1003-8639（ 2024 ）12-0063-03

A Study on High-pressure Common-rail Fuel Injection Control Based

on the Red-billed Blue Magpie Algorithm

【Abstract】This paper addresses the problem of low fuel injection precision in diesel engines with high-pressure common-rail systems. It proposes a high-pressure common-rail fuel injection control method based on the Red-billed Blue Magpie algorithm. First，the high-pressure common-rail fuel injection system is mathematically modeled. Then，a diesel engine high-pressure common-rail fuel injection control system is established，which utilizes the fuzzy PID algorithm to control the fuel injection. Based on this，the fuzzy PID control algorithm's fuzzy domain is optimized using the Red-billed Blue Magpie algorithm. Finally，the traditional PID，fuzzy PID，and fuzzy PID controlled by the Red-billed Blue Magpie algorithm are simulated and compared using MATLAB/Simulink. The research results show that after optimization by the Red-billed Blue Magpie algorithm，the control of fuel injection volume is more precise，and the performance of the high-pressure common-rail fuel injection system can be effectively improved.

【Key words】high-pressure common-rail;fuel injection volume;red-billed blue magpie algorithm;fuzzy PID

現(xiàn)代柴油機(jī)噴射技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和研究方向主要集中在兩個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域：直噴技術(shù)和高壓噴射技術(shù)。在高壓噴射技術(shù)當(dāng)中，電控單體泵與電控共軌技術(shù)成為兩種占據(jù)主導(dǎo)地位的技術(shù)路徑。特別是電控共軌燃油噴射技術(shù)，能夠獨(dú)立調(diào)控噴油時(shí)機(jī)，實(shí)現(xiàn)高噴射壓力，并允許噴油速率靈活調(diào)整。這些特性對(duì)于提升柴油機(jī)的動(dòng)力性能、經(jīng)濟(jì)性和排放性能有著顯著的促進(jìn)作用。

在高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)研究領(lǐng)域，郭建波[1]以提高柴油機(jī)的燃油效率和排放性能為目標(biāo)，成功研發(fā)出一套涵蓋軟件、硬件和開發(fā)環(huán)境的完整高壓共軌噴射系統(tǒng)。王好戰(zhàn)[2]等人則通過建立物理和數(shù)學(xué)模型，對(duì)共軌管內(nèi)燃油壓力進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真模擬，驗(yàn)證了在高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)中，共軌油壓電子控制策略的有效性。林鐵堅(jiān)[3]等人提出一種多脈沖復(fù)合控制均質(zhì)壓燃燃燒系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)NOx和碳煙的超低排放。肖文雍[4]等人設(shè)計(jì)了基于GD-1高壓共軌電控燃油噴射系統(tǒng)的燃油噴射壓力控制策略，并通過實(shí)機(jī)試驗(yàn)證明了該策略的可行性。田小江[5]通過模糊PID控制算法，對(duì)高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)軌壓控制進(jìn)行了仿真研究，有效提升了共軌壓力的穩(wěn)定性與控制精度。裴海靈[6]等人構(gòu)建了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的部分微分PID共軌壓力控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了共軌壓力的平穩(wěn)控制。王本亮[7]等人針對(duì)高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)中多次噴射的協(xié)調(diào)問題，提出了一套協(xié)調(diào)控制策略，并通過試驗(yàn)研究進(jìn)行了驗(yàn)證。符毅[8]等人則對(duì)高壓共軌柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)的故障進(jìn)行了分析，為該機(jī)型柴油機(jī)管理提供了參考。這些研究不但推動(dòng)了高壓共軌燃油噴射技術(shù)的發(fā)展，也為柴油機(jī)性能的提升和故障管理提供了重要的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

1" 高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)建模

高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)包括油箱、高壓油泵、共軌管、濾清器、噴油器、電控單元ECU及多個(gè)傳感器部件，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1" 高壓油泵模型

柱塞腔作為高壓油泵內(nèi)部的核心組件之一，直接影響油泵的工作性能。柱塞壓油油腔和與其相連的凸輪軸相位的關(guān)系為[9]：

式中：V——供油腔最大容積;Vφ——當(dāng)前第i個(gè)供油腔容積;φ——凸輪角度。

由液體伯努利方程可知，進(jìn)入第i個(gè)供油軌道的體積流量為：

式中：Qi ——流入共軌管的體積流量;Cp——出油閥的流量系數(shù);Δp——出油閥兩端的燃油壓力;K——供油體積系數(shù)。

總供油量Q的計(jì)算公式為：

1.2" 共軌管模型

共軌管作為燃油的壓力存儲(chǔ)器，在存儲(chǔ)高壓燃油的同時(shí)，還用于平衡各個(gè)噴油器之間的壓力波動(dòng)。

式中：p——軌道壓力;Qt——流經(jīng)噴油器的有效體積流量;Kt——燃油體積彈性模量。

1.3" 噴油器模型

共軌系統(tǒng)噴油器噴油速率由軌壓和閥門開啟時(shí)間決定：

式中：m——噴射燃油質(zhì)量：C——噴油流量系數(shù);Ah——噴油孔面積;Δpt——噴油器與氣缸壓差。

參考張美娟[10]等人對(duì)高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的研究，最終得到系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：

2" 基于紅嘴藍(lán)鵲算法優(yōu)化的高壓共軌系統(tǒng)模糊PID控制器設(shè)計(jì)

2.1" 模糊PID控制器設(shè)計(jì)

模糊PID控制器是一種智能控制系統(tǒng)，它將模糊邏輯融入傳統(tǒng)的PID控制器之中。與傳統(tǒng)的PID控制器相比，模糊PID控制器能夠更有效地處理不明確或模糊的輸入信息，展現(xiàn)出更高的適應(yīng)性和穩(wěn)定性。

模糊PID控制器的設(shè)計(jì)原理充分利用了模糊集合理論和模糊邏輯推理方法。其核心思想在于將PID控制器的3個(gè)關(guān)鍵參數(shù)——比例增益（Kp）、積分增益（Ki）和微分增益（Kd）轉(zhuǎn)化為模糊集合，并為它們?cè)O(shè)定適宜的隸屬函數(shù)，從而能夠根據(jù)實(shí)時(shí)情況動(dòng)態(tài)地調(diào)整這些參數(shù)。模糊PID控制器的關(guān)鍵在于構(gòu)建一個(gè)模糊規(guī)則庫(kù)，該規(guī)則庫(kù)依據(jù)系統(tǒng)的誤差（e）和誤差的變化率（ec）來指導(dǎo)控制參數(shù)的調(diào)整方向和調(diào)整幅度。圖2為模糊PID設(shè)計(jì)示意圖。

2.2" 紅嘴藍(lán)鵲算法

紅嘴藍(lán)鵲啟發(fā)式算法（Red-billed Blue Magpie Optimization，RBMO）是一種模仿自然界紅嘴藍(lán)鵲生物群體的智能優(yōu)化方法[10]。這種算法的設(shè)計(jì)靈感汲取自紅嘴藍(lán)鵲在捕食過程中所展現(xiàn)的搜索、追逐、攻擊和食物儲(chǔ)存行為。其優(yōu)化過程主要分為：種群初始、群組覓食、協(xié)作狩獵、食物貯藏。

2.2.1" 種群初始化

產(chǎn)生初始隨機(jī)位置如下所示。

式中：n——種群規(guī)模;dim——被優(yōu)化變量個(gè)數(shù);xi，j——個(gè)體位置。

xi，j=（ub-lb）×Rand1+lb

式中：ub——上限;lb——下限;Rand——從0到1的隨機(jī)數(shù)。

2.2.2" 群組覓食

當(dāng)紅嘴藍(lán)鵲按照小組搜尋食物時(shí)采用以下公式：

2.2.3" 協(xié)作狩獵

紅嘴藍(lán)鵲在追捕獵物時(shí)采用快速啄食、跳躍捕捉或飛行捕食等戰(zhàn)術(shù)。其數(shù)學(xué)模型為：

2.2.4" 食品貯藏

紅嘴藍(lán)鵲將狩獵得到的多余食物進(jìn)行儲(chǔ)存，其數(shù)學(xué)模型為：

式中：fitnessiold——第i只紅嘴藍(lán)鵲位置更新前的適應(yīng)度值;fitnessinew——第i只紅嘴藍(lán)鵲位置更新后的適應(yīng)度值。

2.3" 紅嘴藍(lán)鵲算法優(yōu)化模糊PID控制器設(shè)計(jì)

紅嘴藍(lán)鵲優(yōu)化算法可用來優(yōu)化模糊PID控制器中的模糊論域，進(jìn)而提高模糊控制系統(tǒng)的適應(yīng)性和精確度。同時(shí)，使用平方積分誤差（ISE）作為優(yōu)化算法的適應(yīng)度函數(shù)。其數(shù)學(xué)模型為：

式中：e——期望值與實(shí)際值之差。

3" 試驗(yàn)仿真

為驗(yàn)證該優(yōu)化算法的有效性，采用MATLAB/Simulink搭建仿真試驗(yàn)系統(tǒng)。Simulink仿真模型如圖3所示。與此同時(shí)，設(shè)計(jì)了傳統(tǒng)PID、模糊PID和基于紅嘴藍(lán)鵲算法的模糊PID控制算法三者的仿真對(duì)比。優(yōu)化算法仿真設(shè)置參數(shù)見表1。

4" 結(jié)果分析

將軌壓期望值設(shè)定為：在0s時(shí)階躍為80MPa。不同控制策略下的高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)階躍響應(yīng)如圖4所示。

由圖4可知，在基于紅嘴藍(lán)鵲優(yōu)化算法的模糊PID控制策略下，系統(tǒng)在0.5s時(shí)可以由0MPa平滑過渡到80MPa，幾乎無超調(diào)量。其效果相較于模糊PID和傳統(tǒng)PID算法均有顯著提升，充分驗(yàn)證了紅嘴藍(lán)鵲優(yōu)化算法的模糊PID控制效果的優(yōu)越性。

5" 結(jié)論

本研究聚焦柴油機(jī)高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)燃油噴射精確度不足的問題，提出一種基于紅嘴藍(lán)鵲算法優(yōu)化的模糊PID控制方法。經(jīng)由對(duì)高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，構(gòu)建模糊PID控制算法，并運(yùn)用紅嘴藍(lán)鵲算法對(duì)模糊論域予以優(yōu)化。仿真試驗(yàn)結(jié)果顯示，所提出的控制策略在噴油量控制精度方面優(yōu)勢(shì)顯著，有效提升了系統(tǒng)整體性能。本研究不僅為高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的精確控制開辟了新視角與新方法，也為智能優(yōu)化算法在工程控制領(lǐng)域的應(yīng)用提供了有益參考。隨著控制理論與優(yōu)化算法的持續(xù)發(fā)展，預(yù)期該研究將為柴油機(jī)性能提升與排放控制帶來更廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1] 郭建波. 高壓共軌柴油機(jī)電控燃油噴射系統(tǒng)及開發(fā)環(huán)境的研究[D]. 杭州：浙江大學(xué)，2002.

[2] 王好戰(zhàn)，肖文雍，冒曉建，等. 車用電控柴油機(jī)共軌油壓模擬及其控制策略分析[J]. 柴油機(jī)，2002（5）：17-20.

[3] 林鐵堅(jiān)，蘇萬華，裴毅強(qiáng). 基于電控高壓共軌燃油系統(tǒng)的多脈沖復(fù)合控制燃燒系統(tǒng)[J]. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2002（6）：475-480.

[4] 肖文雍，楊林，梁鋒. GD-1高壓共軌式電控柴油機(jī)燃油噴射壓力控制策略的研究[J]. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2004（3）：235-240.

[5] 田小江. 基于模糊PID的高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)軌壓控制仿真研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2009.

[6] 裴海靈，王本亮，唐楚峰. 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)部分微分PID的共軌壓力控制策略[J]. 湖南農(nóng)機(jī)，2011，38（3）：38-39，43.

[7] 王本亮，裴海靈，唐維新，等. 高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)多次噴射協(xié)調(diào)控制策略研究[J]. 內(nèi)燃機(jī)工程，2013，34（4）：18-22，31.

[8] 符毅，班育博，丁鋒，等. 高壓共軌柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)故障分析[J]. 中國(guó)設(shè)備工程，2022（4）：6-8.

[9] 胡天杰，申立中，王貴勇，等. 柴油機(jī)高壓共軌供油系統(tǒng)實(shí)時(shí)建模與仿真研究[J]. 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2021，59（2）：42-47.

[10] 張美娟. 柴油機(jī)共軌壓力模擬控制系統(tǒng)開發(fā)[D]. 無錫：江南大學(xué)，2000.

[11] Fu S，Li K，Huang H，et al. Red-billed blue magpie optimizer：a novel metaheuristic algorithm for 2D/3D UAV path planning and engineering design problems[J]. Artificial Intelligence Review，2024，57（6）：1-89.