一种高压共轨系统进油计量阀流量控制系统及控制方法与流程

本发明涉及高压共轨柴油机进油计量的控制策略和控制方法的技术领域，尤其涉及一种高压共轨系统进油计量阀流量控制系统及控制方法。

背景技术：

环境污染的加剧和能源危机的日益暴露，排放法规日益严苛，促进了电控柴油机的发展。高压共轨系统由于喷油压力和喷油规律的精确、灵活调节，成为未来柴油机燃油系统的发展方向。高压共轨供油泵进油计量阀是高压共轨系统的重要部件之一，其作用是根据共轨压力的需求对进入高压共轨供油泵柱塞腔内的燃油量进行计量，控制高压泵的进油量，使输送到油轨的燃油量与系统的需求量一致，满足轨压稳定性、动态响应性等的要求。由于进油计量阀的主要作用是调节进油量，因此进油计量阀的流量控制是其最重要的性能，流量控制的好坏直接关系到高压共轨系统轨压控制的稳定性、动态响应性等。

进油计量阀是线性比例阀。通过线圈的电流大小决定线圈磁场的强弱，线圈磁场的强弱决定衔铁中产生的电磁力大小，继而决定衔铁位置。衔铁通过顶杆推动阀芯运动，使得阀口的过流截面变化，进而使得通过阀口的流量连续成比例地跟随电流变化。因为线圈电阻基本不变，通过线圈的电流大小就由线圈两端的电压决定。电磁铁由脉宽调制波(pwm)的电压脉冲驱动，调节占空比在0％-100％之间变化，使电磁铁的平均驱动电流产生变化，进而对高压油泵进油流量进行连续无级线性调控。为了考虑成本，高压共轨供油泵进油计量阀在不包含位置传感器或流量传感器时，无法实时准确计算流量。

现有控制方法，如专利申请号cn201410366774.6，采用轨压的目标值作为数学模型的输入，该数学模型输出目标压力值下喷油器的操作和泄漏离开共轨的燃油流量的值作为流量的目标值；采用实测轨压作为数学模型的输入，计算输出流量的估算值；由于以上仅考虑轨压压力的影响，虽然实现简单，但模型精度会极大降低，导致前馈作用不明显；当误差较大的流量目标值和估算值作为后续驱动控制的计算，如标称函数的输入，将导致轨压的稳定性和响应性较差；由于仅采用比例积分(pi)控制器产生反馈贡献项，当发动机工况突变，导致轨压目标值或喷油目标值突变时，比例积分(pi)控制器响应性可能不足，导致流量的目标值与实际值之间可能出现较大的误差；由于仅对计量阀的可调节参数电流进行控制，没有对驱动频率进行控制，在发动机部分工况，如某些转速的多次喷射时，可能会导致轨压压力振荡。

为此本发明进行了有益的探索和尝试，找到了解决上述问题的办法，下面将要介绍的方案便是这种背景下产生的。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种高压共轨系统进油计量阀流量控制系统及控制方法，提出了一种建立精确数学模型和变结构pid混合的控制算法，结合电控柴油机已有燃油温度传感器、轨压传感器、转速传感器、油门开度传感器和大气压力传感器来感知电控柴油机运行状态，采用精确数学模型计算下一工况驱动需求，提高响应速度；采用变结构pid根据闭环反馈解决负载变化和非线性扰动导致的差异，减小超调量的同时，提高稳态精度，降低标定工作量。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种高压共轨系统进油计量阀流量控制系统，包括电控柴油机、执行器和处理器，所述电控柴油机上设置有燃油温度传感器、轨压传感器、转速传感器、油门开度传感器和大气压力传感器；所述执行器为进油计量阀，其特征在于，所述处理器包括流量计算模块、变结构pid模块、位移计算模块和驱动计算模块；

所述变结构pid模块的油门开度信号输入端与所述油门开度传感器的信号输出端连接，所述变结构pid模块的转速信号输入端与所述转速传感器的转速信号输出端连接，所述变结构pid模块的轨压信号输入端与所述轨压传感器的信号输出端连接；

所述流量计算模块的修正流量信号输入端与所述变结构pid模块的修正流量信号输出端连接，所述流量计算模块的油门开度信号输入端与所述油门开度传感器的信号输出端连接，所述流量计算模块的转速信号输入端与所述转速传感器的转速信号输出端连接，所述流量计算模块的大气压力信号输入端与所述大气压力传感器的信号输出端连接，所述流量计算模块的燃油温度信号输入端与所述燃油温度传感器的信号输出端连接；

所述位移计算模块的阀口前后压差信号输入端与所述流量计算模块的阀口前后压差信号输出端连接，所述位移计算模块的流量信号输入端与所述流量计算模块的流量信号输出端连接，所述位移计算模块的燃油温度信号输入端与所述燃油温度传感器的信号输出端连接；

所述驱动计算模块的位移信号输入端与所述位移计算模块的位移信号输出端连接，所述驱动计算模块的燃油温度信号输入端与所述燃油温度传感器的信号输出端连接；所述驱动计算模块的转速信号输入端与所述转速传感器的转速信号输出端连接；

所述驱动计算模块的驱动信号输出端与所述执行器连接。

一种高压共轨系统进油计量阀流量控制系统的控制方法，包括：

步骤1，变结构pid模块根据油门开度传感器送过来的油门开度信号、转速传感器送过来的转速信号和轨压传感器送过来的轨压信号为输入信号，计算处理后输出修正流量信号至流量计算模块；

步骤2，流量计算模块以所述变结构pid模块输出的修正流量信号、油门开度传感器送过来的油门开度信号、转速传感器送过来的转速信号、大气压力传感器送过来的大气压力信号、燃油温度传感器输送过来的燃油温度信号为输入信号，计算处理后输出阀口前后压差信号和流量信号至位移计算模块；

步骤3，位移计算模块以所述流量计算模块输出的阀口前后压差信号和流量信号、燃油温度传感器输送过来的燃油温度信号为输入信号，计算处理后输出位移信号至驱动计算模块；

步骤4，驱动计算模块以所述位移计算模块输出的位移信号、燃油温度传感器输送过来的燃油温度信号和转速传感器送过来的转速信号为输入信号，计算处理后输出进油计量阀所需的占空比信号和pwm开关持续期信号。

在本发明的一个优选实施例，在步骤1中，变结构pid模块根据油门开度传感器送过来的油门开度信号和转速传感器送过来的转速信号查目标轨压脉谱得到目标轨压，修正流量通过变结构pid模块计算得到，具体计算公式如公式①：

公式①中：qcor为修正流量，e为目标轨压减去实际轨压，kp为比例增益，ki为积分主增益、ki0为积分变增益、kd为微分增益参数。

在本发明的一个优选实施例，在公式①中，所述比例增益kp计算公式如公式②所示：

kp＝ap+bp(1-exp(-cp|e|))②

公式②中：ap、bp、cp为正实常数。

在本发明的一个优选实施例，在公式①中，所述积分主增益ki计算公式如公式③所示：

ki＝aiexp(-ci|e|)③

公式④中：ai、ci为正实常数；

在本发明的一个优选实施例，在公式①中，所述积分变增益ki0计算公式如公式④所示：

公式④中：k0、k1、e0为正实常数。

在本发明的一个优选实施例，在公式④中，为了保证ki0是连续平滑变化的，k0、k1、e0必须满足公式⑤：

k1exp(-k0e0)＝1⑤。

在本发明的一个优选实施例，在公式①中,所述微分增益kd计算公式如公式⑥：

kd＝ad-bd(1-exp(-cd|e|))⑥

公式⑥中：ad、bd、cd为正实常数，一般ad＞bd。

在本发明的一个优选实施例，在步骤2中，阀口前后压差的计算方法是：利用基本阀口前后压差与阀口前后压差修正系数相乘得到阀口前后压差，其中根据转速传感器送过来的转速信号，查阀口前后压力特性曲线脉谱得到基本阀口前后压差；根据燃油温度传感器输送过来的燃油温度信号、大气压力传感器送过来的大气压力信号为输入信号，分别查燃油修正脉谱和气压修正脉谱得到阀口前后压差修正系数。

在本发明的一个优选实施例，在步骤2中，流量信号的计算方法是：根据油门开度传感器送过来的油门开度信号和转速传感器送过来的转速信号查喷油量脉谱得到基本流量；根据轨压传感器送过来的轨压信号和温度传感器输送过来的燃油温度信号查泄露量脉谱得到泄露流量；变结构pid模块输出的修正流量信号与基本流量、泄露流量相加得到流量信号。

在本发明的一个优选实施例，在步骤3中，根据流量计算模块输出的阀口前后压差信号和流量信号经过计算，得到阀口过流面积，具体计算公式如公式⑦：

公式⑦中，q为通过阀口流出的流量m³/s；c为阀口流量系数；a为阀口的有效过流面积m²；δpv为计量阀两端的压差mpa；ρ为燃油密度kg/m³；所述燃油密度根据燃油温度传感器输送过来的燃油温度信号，查燃油密度脉谱得到。

在本发明的一个优选实施例，在步骤3中，根据阀口过流面积经过计算，得到衔铁位移，以三角形节流孔为例，具体计算公式如公式⑧：

公式⑧中，x为衔铁位移，m；θ为三角形节流孔顶角的角度，°；h为阀芯上节流孔的遮盖量m。

在本发明的一个优选实施例，在步骤4中，根据位移计算模块输出的衔铁位移信号经过计算，得到电磁力，具体计算公式如公式⑨：

公式⑨中，f为电磁力n；m为衔铁-阀芯的等效运动件质量kg；c为运动阻尼系数n·s/m；k为复位弹簧刚度n/m；x0为弹簧的预压缩量m；ff为粘性摩擦力n；所述运动阻尼系数根据燃油温度传感器输送过来的燃油温度信号，查运动阻尼系数脉谱得到。

在本发明的一个优选实施例，在公式⑨中，所述粘性摩擦力ff计算公式如公式⑩所示：

公式⑩中，μ为燃油的动力粘度pa·s；d为阀芯内径m；l为液体在阀腔内的实际流程m；r为阀芯与阀体的径向间隙m；所述燃油动力粘度根据燃油温度传感器输送过来的燃油温度信号，查燃油的动力粘度脉谱得到。

在本发明的一个优选实施例，在步骤4中，根据位移计算模块输出的衔铁位移信号和电磁力经过计算，得到所需电流，具体计算公式如公式

公式中，i为线圈电流a；δ为工作气隙长度m；kf为等效漏磁系数，kf＝0.24～0.33×10^-3；f为电磁力n；μ0为真空磁导率，其值为4π×10^-7wb/(a·m)；n为线圈匝数；s为磁路截面积m²。

在本发明的一个优选实施例，在公式中，所述工作气隙长度δ计算公式如公式

公式中，x为衔铁位移，m；δ0为初始工作气隙长度，m；。

在本发明的一个优选实施例，在步骤4中，根据位移计算模块输出的衔铁位移信号和电流经过计算，得到所需驱动电压，具体计算公式如公式

公式中，u为驱动电压v；i为线圈电流a；r为等效电阻ω；l为线圈等效电感h；kd为动生反电动势系数v·s/m；x为衔铁位移m。

在本发明的一个优选实施例，在公式中，所述等效电阻r计算公式如公式

公式ra为线圈绕线电阻ω；rb为等效电阻ω；。

在本发明的一个优选实施例，在公式中，所述等效电阻r计算公式如公式

公式ρ为线圈导线电阻率ω·m；t为线圈工作温度℃；la为线圈导线长度m；sa为线圈导线截面积m²；所述动生反电动势系数kd根据位移计算模块输出的衔铁位移信号查动生反电动势系数脉谱得到。

在本发明的一个优选实施例，在步骤4中，根据驱动电压除以电源电压得到所需驱动占空比信号；根据转速传感器送过来的转速信号查pwm开关持续期脉谱得到开关持续期信号。

由于采用了如上的技术方案，本发明的有益效果在于：

1、本发明不必采用专用的位置传感器或流量传感器，而直接采用电控柴油机已有燃油温度传感器、轨压传感器、转速传感器、油门开度传感器和大气压力传感器作为进油计量阀流量控制的信号源，也无需改变现有的系统结构，方便易行，成本低廉，利于实施。

2、对于不同进油计量阀的供应商提供的产品，只需要更改代表流量和驱动所述进油计量阀电信号之间的理论关系的可调参数即可，特别是便于在批量生产的产品中实施。

3、可以精确地计算出实时流量，同时降低标定工作量。

4、提高轨压控制的稳定性、动态响应性，有利于降低排放。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为高压共轨燃油系统的结构示意图。

图2是用于高压共轨燃油系统进油计量阀的结构示意图。

图3是进油计量阀流量的控制方法示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面进一步阐述本发明。

如图1所示的高压共轨燃油系统，包括油箱100和高压油泵200，油箱100通过一燃油滤清器110连接位于高压油泵200的进油口上的进油计量器300，进油计量器300上有一溢流阀410连接油箱100。高压油泵200的出油口连接一共轨管400，共轨管400起到蓄压器的作用，共轨管400连接多个喷油器500，喷油器500的回油口连接油箱100，喷油器500的回油口和溢流阀410可以将多余的低压柴油送回油箱100。共轨管400上安装一轨压传感器610，整个共轨燃油系统设置有燃油温度传感器620、转速传感器630、油门开度传感器640和大气压力传感器650。还有一电控单元ecu700通过输出输出脉冲始点和脉冲宽度控制喷油器500将燃油喷入燃烧室中，电控单元ecu700包括流量计算模块710、变结构pid模块720、位移计算模块730和驱动计算模块740，流量计算模块710、变结构pid模块720、位移计算模块730和驱动计算模块740通过采集轨压传感器610、燃油温度传感器620、转速传感器630、油门开度传感器640和大气压力传感器650信号和整车网络信号，通过内置的控制策略判断系统状态，发出精确的驱动信号驱动相应的部件，使供油量、轨压、喷油角度和喷油量按需求进行反馈调节。

如图2所示的进油计量阀300，包括一阀体310和位于阀体内部的顶杆320和与顶杆320过盈配合成一体的衔铁330，顶杆320的两端沿轴承311、312轴向运动。有线圈340在阀体310内并围绕着顶杆320，线圈340的电流大小决定线圈磁场的强弱，线圈磁场的强弱决定衔铁330中产生的电磁力大小，继而决定衔铁330位置。衔铁330控制顶杆320推动阀芯350运动，使阀芯350与阀体310之间进油节流孔313的过流截面变化，进而使得通过阀口313的流量连续成比例地跟随电流变化，进而对高压油泵200进油流量进行连续无级线性调控。

进油计量阀300在不通电的条件下，分为常开式和常闭式。

进油计量阀300未通电时，在弹簧360作用下，进油节流孔313的流通截面最大，此时供油量最大；然后计量阀300通电，线圈340通电，线圈磁场不断变强，进而推动衔铁330，当衔铁330通过顶杆320对阀芯350施加的力大于阀芯350的摩檫力和弹簧360的弹簧力，顶杆320推动阀芯350使进油节流孔313的流通截面变小，从进油计量阀300到高压油泵200的油量减少，使高压油泵200供入共轨管400内的油量减少，当进油节流孔313完全关闭时，高压油泵200将停止向共轨管400供油；衔铁330通过顶杆320对阀芯350施加的力等于阀芯350的摩檫力和弹簧360的弹簧力，进油节流孔313的流通截面变成一个稳定的开口，对应一个稳定的流量输出。

如图2所示的一种高压共轨系统进油计量阀流量控制系统的控制方法，包括：

步骤1，变结构pid模块720根据油门开度传感器640送过来的油门开度信号、转速传感器630送过来的转速信号和轨压传感器610送过来的轨压信号为输入信号，计算处理后输出修正流量信号至流量计算模块710；

步骤2，流量计算模块710以所述变结构pid模块720输出的修正流量信号、燃油温度传感器620输送过来的燃油温度信号、大气压力传感器650送过来的大气压力信号、轨压传感器610送过来的轨压信号、油门开度传感器640送过来的油门开度信号和转速传感器630送过来的转速信号为输入信号，计算处理后输出阀口前后压差信号和流量信号至位移计算模块730；

步骤3，位移计算模块730以所述流量计算模块710输出的阀口前后压差信号和流量信号、燃油温度传感器620输送过来的燃油温度信号为输入信号，计算处理后输出位移信号至驱动计算模块740；

步骤4，驱动计算模块740以所述位移计算模块730输出的位移信号、燃油温度传感器620输送过来的燃油温度信号和转速传感器630送过来的转速信号为输入信号，计算处理后输出进油计量阀所需的占空比信号和pwm开关持续期信号。

进一步，在步骤1中，变结构pid模块720根据油门开度传感器640送过来的油门开度信号和转速传感器630送过来的转速信号查目标轨压脉谱得到目标轨压，修正流量通过变结构pid模块720计算得到，具体计算公式如公式①：

公式①中：qcor为修正流量，e为目标轨压减去实际轨压，kp为比例增益，ki为积分主增益、ki0为积分变增益、kd为微分增益参数。

进一步，在公式①中，所述比例增益kp计算公式如公式②所示：

kp＝ap+bp(1-exp(-cp|e|))②

公式②中：ap、bp、cp为正实常数。

进一步，在公式①中，所述积分主增益ki计算公式如公式③所示：

ki＝aiexp(-ci|e|)③

公式④中：ai、ci为正实常数；

进一步，在公式①中，所述积分变增益ki0计算公式如公式④所示：

公式④中：k0、k1、e0为正实常数。

进一步，在公式④中，为了保证ki0是连续平滑变化的，k0、k1、e0必须满足公式⑤：

k1exp(-k0e0)＝1⑤。

进一步，在公式①中,所述微分增益kd计算公式如公式⑥：

kd＝ad-bd(1-exp(-cd|e|))⑥

公式⑥中：ad、bd、cd为正实常数，一般ad>bd。

进一步，在步骤2中，阀口前后压差的计算方法是：利用基本阀口前后压差与阀口前后压差修正系数相乘得到阀口前后压差，其中根据转速传感器630送过来的转速信号，查阀口前后压力特性曲线脉谱得到基本阀口前后压差；根据燃油温度传感器620输送过来的燃油温度信号、大气压力传感器650送过来的大气压力信号为输入信号，分别查燃油修正脉谱和气压修正脉谱得到阀口前后压差修正系数。

进一步，在步骤2中，流量信号的计算方法是：根据油门开度传感器640送过来的油门开度信号和转速传感器630送过来的转速信号查喷油量脉谱得到基本流量；根据轨压传感器610送过来的轨压信号和温度传感器输送过来的燃油温度信号查泄露量脉谱得到泄露流量；变结构pid模块720输出的修正流量信号与基本流量、泄露流量相加得到流量信号。

进一步，在步骤3中，根据流量计算模块710输出的阀口前后压差信号和流量信号经过计算，得到阀口过流面积，具体计算公式如公式⑦：

公式⑦中，q为通过阀口流出的流量m³/s；c为阀口流量系数；a为阀口的有效过流面积m²；δpv为计量阀两端的压差mpa；ρ为燃油密度kg/m³；所述燃油密度根据燃油温度传感器620输送过来的燃油温度信号，查燃油密度脉谱得到。

进一步，在步骤3中，根据阀口过流面积经过计算，得到衔铁位移，以三角形节流孔为例，具体计算公式如公式⑧：

公式⑧中，x为衔铁位移，m；θ为三角形节流孔顶角的角度，°；h为阀芯上节流孔的遮盖量，m。

进一步，在步骤4中，根据位移计算模块730输出的衔铁位移信号经过计算，得到电磁力，具体计算公式如公式⑨：

公式⑨中，f为电磁力，n；m为衔铁-阀芯的等效运动件质量kg；c为运动阻尼系数n·s/m；k为复位弹簧刚度n/m；x0为弹簧的预压缩量m；ff为粘性摩擦力n；所述运动阻尼系数根据燃油温度传感器620输送过来的燃油温度信号，查运动阻尼系数脉谱得到。

进一步，在公式⑨中，所述粘性摩擦力ff计算公式如公式⑩所示：

公式⑩中，μ为燃油的动力粘度pa·s；d为阀芯内径m；l为液体在阀腔内的实际流程m；r为阀芯与阀体的径向间隙m；所述燃油动力粘度根据燃油温度传感器620输送过来的燃油温度信号，查燃油的动力粘度脉谱得到。

进一步，在步骤4中，根据位移计算模块730输出的衔铁位移信号和电磁力经过计算，得到所需电流，具体计算公式如公式

公式中，i为线圈电流a；δ为工作气隙长度m；kf为等效漏磁系数，kf＝0.24～0.33×10^-3；f为电磁力n；μ0为真空磁导率，其值为4π×10^-7wb/(a·m)；n为线圈匝数；s为磁路截面积m²。

进一步，在公式中，所述工作气隙长度δ计算公式如公式

公式中，x为衔铁位移，m；δ0为初始工作气隙长度，m；。

进一步，在步骤4中，根据位移计算模块730输出的衔铁位移信号和电流经过计算，得到所需驱动电压，具体计算公式如公式

公式中，u为驱动电压v；i为线圈电流a；r为等效电阻ω；l为线圈等效电感h；kd为动生反电动势系数v·s/m；x为衔铁位移m。

进一步，在公式中，所述等效电阻r计算公式如公式

公式ra为线圈绕线电阻ω；rb为等效电阻ω；。

进一步，在公式中，所述等效电阻r计算公式如公式

公式ρ为线圈导线电阻率ω·m；t为线圈工作温度℃；la为线圈导线长度m；sa为线圈导线截面积m²；所述动生反电动势系数kd根据位移计算模块730输出的衔铁位移信号查动生反电动势系数脉谱得到。

进一步，在步骤4中，根据驱动电压除以电源电压得到所需驱动占空比信号；根据转速传感器630送过来的转速信号查pwm开关持续期脉谱得到开关持续期信号。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。