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1、新技术应用 2013 缸内直喷天然气发动机共轨压力 控制系统仿真研究 刘 辉 金炜东 西南交通大学电气工程学院 四川 成都 610031 【摘 要】 在分析缸内直喷天然气发动机技术特点的基础上，设计了一套基于共轨管的天然气供气 系统。为了对供气压力进行准确、实时的控制以及满足喷气量和喷气压力柔性控制的需 要，研究并设计了共轨燃气压力CMAC（神经网络）PID控制方法。最后，利用 AMEsim和Simulink软件实现了直喷天然气发动机共轨压力控制系统的联合仿真，仿真 研究表明，本文所提出的动力学模型、控制策略、联合仿真算法是正确的、有效的。 【关键词】 直喷 共轨压力 CMAC 联合仿真 Re
2、seach and Simulation on the Pressure Control of Common Rail of an In-cylinder Direct-Injection CNG Engine Liu Hui Jin Weidong School of Electrical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，Sichuan，China Abstract：The paper put forwards and designs highpressure common rail fuel injectio
3、n system based on technology characteristics of incylinder and directinjection CNG engine.In order to meet the demands of flexible control of fuel injection quantity and pressure.The paper studys and designs the neural-networks PID control methodFinally，by using interface under AMEsim and Matlab/Sim
4、ulink environment，the co-simulations have been carried out，the study under various operating condition was given，the result shows that co-simulation is effective and correct. Key words：Direct-Injection；common rail pressure；co-simulation 1 引 言 天然气发动机与汽油机相比，CO、HC的排放大幅度降低；与柴油机相比基本没有颗粒物 （PM）排放。但是，由于目前应用
5、的天然气发动机大多是在汽油机或柴油机基础上改装的双燃料发动 机。主要采用缸外进气道喷射方式，天然气在缸外和空气预先形成了混合气，其中电控喷射部分，也 可用机械式或电控式混合器。缸外进气道进气会导致充气效率的下降，平均有效压力低，动力性比原 车下降10%20%，排放性基本维持在原车的水平上1，2。 为了提高天然气发动机的热效率和输出功率，充分发挥天然气的优势，国内外研究人员提出了许多 基金项目：四川省教育厅“重大培育”项目（07zz032） 作者简介：刘辉（1971） ，男，工程师，博士研究生，研究方向为天然气发动机智能控制等。 作者简介：金炜东（1959） ，男，博士，教授，博士生导师，研究领
6、域为优化方法与优化控制、智能信息处理、系统 仿真等。Email：wdjin 2014 2008 全国博士生学术论坛电气工程论文集 改进措施。采用天然气缸内直接喷射技术克服了缸外进气道喷射充气效率降低的缺点，为进一步完善发 动机的各项性能提供了极为有利的条件。实现天然气缸内直接喷射需要较高的燃气压力，因此必须设计 一套安全可靠的燃气输送装置。天然气缸内直接喷射是一个典型的压力时间控制系统，发动机的喷气 量是由喷气压力和喷气持续时间共同决定的。供气系统的压力稳定，已成为能否精确控制喷气量的重要 基础。在天然气缸内直接喷射系统的研究与开发中，供气装置的设计和供气压力的控制是关键技术之 一。本文设计了
7、直喷天然气发动机的供气装置，并针对其供气特点研究了相应的控制算法。 2 共轨管供气及压力控制系统 2.1 供气装置设计 本文所建立的天然气发动机高压共轨系统如图1所示。它由共轨管、气体增压器、减压稳压 阀、安全阀等构成。根据我国国家法规要求，天然气瓶储气压力的取值范围可从0.2 MPA 20 MPA，天然气发动机高压共轨管最佳工作压力可设定为10 MPA，本文即以此值为共轨管的压力 值。从图1可知，当天然气瓶中压力为10 MPA20 MPA时，ECU开启二位三通阀的减压通路，高 压气体经减压稳压阀降压至10 MPA后进入共轨管；而当天然气瓶中压力为0.2 MPA10 MPA时， ECU给二位三
8、通阀动作信号，关闭减压通路，开启增压通路，低压气体被气体增压器增压至10 MPA 后进入共轨管。为了保证共轨管内压力稳定，控制系统通过改变电磁比例阀的电压脉宽来调节轨压。 减压阀 增压泵 滤清器 手动阀 安全阀 天然气瓶 电磁开关阀 单向阀 二位三通阀 ECU 电磁比例阀 共轨管 喷气器 PWM信号 气轨压力 信号 气瓶压力信号 压力指示 器 图 1 天然气发动机高压共轨系统原理图 Fig1. Highpressure common rail fuel injection system of CNG engine 2.2 共轨管压力控制系统框图 图2是共轨管压力控制系统框图，共轨管是一个脉动系
9、统，脉动频率与转速相关。另外在发动机 变工况过程中，喷油量的突变也会导致轨压的波动，这些因素决定了共轨压力控制的复杂性。为了精 确控制共轨管压力，采用了以给定气压为控制目标，以和共轨管的实际气压为反馈参数的控制系统。 图 2 共轨系统轨压控制系统框图 Fig.2 Control system structure of common rail pressure 新技术应用 2015 3 CMAC（神经网络）PID 控制器设计 小脑模型神经网络（CMAC-Cerebellar Model Articulation Controller）是一种表达复杂非线性函数 的表格查询自适应神经网络，该网络通过
10、改变表格的内容，具有信息分类存储的能力。CMAC有多 种控制形式，如CMAC直接逆运动控制，CMAC前馈控制，CMAC反馈控制等。本文设计了CMAC 与PID结合的复合控制系统，如图3所示。该系统通过CMAC和PID的复合控制实现前馈反馈控 制，即CAMC做前馈控制，实现被控对象的逆动态模型，PID实现反馈控制，保证系统的稳定性。 图 3 共轨燃气压力 CMAC（神经网络）PID 控制器 Fig.3 Common rail fuel pressure CMAC PID controller 该系统的控制算法为 1 ( ) n cii i ukw a = = （1） ( )( )( ) cp u
11、 ku kuk=+ （2） 式中， i w为权重， i a为二进制选择向量，n为CMAC网络的泛化参数，( ) c u k为CMAC产生相 应的输出，( ) p uk为PID控制器产生的输出。( )u k为控制器的总输出。 CMAC的学习算法如下 2 1 ( )( ( )( ) . 2 i c a E ku ku k n = （3） ( )( )( ) ( ) p c ii uku ku k w kaa nn = （4） ( )(1)( )( ( )(1)w kw kw kw kw k=+ （5） 式中，为网络学习速率，(0,1)，为惯性量，(0,1)。 当系统开始运行时，置我w0，此时0 c
12、 u =， p uu=，系统由PID控制器进行控制。通过 CMAC的学习，使PID产生输出控制量( ) p uk逐渐为零，CMAC产生的输出控制量( ) c u k逐渐逼近控 制器总输出( )u k。 4 仿真分析 4.1 基于 AMEsim 和 Simulink 联合仿真模型 AMESim软件是法国IMAGINE公司开发的一套完备的面向工程设计的高级建模仿真软件，它使 您能对任何元件和系统的动态性能进行仿真计算，能为工程设计提供了快速、准确的解决方案。 2016 2008 全国博士生学术论坛电气工程论文集 AMEsim软件提供了AMEsim/Simulink 接口，利用该接口可以方便地将AM
13、Esim模型和Simulink模 型联合起来进行仿真。由于共轨压力系统模型比较复杂，如果只用一种软件Simulink 建立系统模型 将会比较复杂，而且，精度也难以保证，而利用 AMEsim软件和Simulink软件联合起来就可以方便 地进行系统建模仿真。本文采用 AMEsim与 Simulink联合仿真的方法对天然气共轨压力系统进行建 模。在AMEsim中建立共轨系统模型，在 Simulink中建立CMAC控制模型。联合仿真模型见图4。 图 4 高压共轨系统联合仿真模型 Fig.4 Co-simulations model of highpressure common rail fuel in
14、jection system 4.2 联合仿真分析 设定系统参数： 气瓶压力P0.2MPA10MPA，温度T300K；压缩机排量V100cc/rev，电机电压U0 12 V，电枢电阻Ra0.2hm，电枢电感阻L0.012H，传动比i0.7；减压阀阀芯质量m100kg；共 轨管内径d30mm，长度L0.75m；喷嘴流量系数C0.72。PID控制器采用衰减曲线法整定控制 器参数，在Kp0.42、Kd0.15的情况下，当发动机转速为2000r/min和10003000r/min时系统仿 真结果如图5： 由仿真结果可知：图5所示，由于发动机启动工况为开环控制，且供气有延迟，系统开始时刻 共轨管压力波动
15、幅值过大，在0.305MP左右。随后系统处于稳定工况中，轨压在10MPA左右波 动，且波动幅值较小（0.2MP） 。图6为转速在10003000r/min和2000r/min时压力波动比较图， 当转速小于2000r/min时，压力波动幅值不超过0.2MP；当大于2000r/min时，有时会大于0.2MP， 但不会超过0.25MP。仿真结果显示共轨压力与转速基本无关，模型满足要求。 图 5 转速 2000r/min 压力波动图 图 6 转速不同时压力波动比较 Fig.5 Rev 2000r/min pressure fluctuate Fig.6 Pressure fluctuate compa
16、re of various rev 新技术应用 2017 5 结 论 采用天然气缸内直接喷射技术克服了缸外进气道喷射充气效率降低的缺点，为进一步完善发动机 的各项性能提供了极为有利的条件。在天然气缸内直接喷射系统的研究与开发中，供气装置的设计和 供气压力的控制是关键技术之一。本文采用AMEsim与Simulink联合仿真的方法对天然气高压共轨 系统进行建模。在AMEsim中建立共轨系统模型，在Simulink中建立CMAC（神经网络）PID控制 模型。建模过程与仿真结果表明，以压力波动幅值为控制目标的控制策略满足系统对波动幅值的要 求。在其他条件一定的情况下，共轨容积、轨压和长径比对轨压波动幅值的影响
