電控單體集成泵燃油噴射系統的模糊控制研究

摘 要：本文通過仿真分析研究了電控單體集成泵系統（IEUP）供油泵凸輪的動態特性；在Matlab/Simulink環境中采用模糊控制策略，設計模糊控制器，實現多體模型和模糊控制策略的集成控制，分析了影響電磁閥動態特性的工作參數；借助仿真軟件Hydsim建立模型并對電控單體集成泵燃油噴射系統進行分析。通過對燃油噴射系統綜合分析得到的參數及結論，為電控單體集成泵燃油系統的設計、優化以及對傳統柴油機燃油噴射系統的改進提供技術理論支持。

關鍵詞：電控單體集成泵；燃油噴射系統；模糊控制；Hydsim軟件；Matlab軟件

引言

模糊控制是一種模仿人類思維推理方式的智能控制方法，適用于燃油噴射系統的控制。遺傳算法具有很強的全局尋優能力，適合求解模糊控制規則的尋優問題。本文擬采用模糊控制方法控制電磁閥的開閉時間，在Matlab/Simulink和Hydsim軟件環境中進行協同控制仿真和優化設計，分析影響柴油機燃油噴射系統工作性能的因素，為柴油機燃油噴射系統匹配和改進升級提供了有價值的參考。

1 電磁閥力學運動模型

高速電磁閥的運動模型如圖1所示。

由麥克斯韋電磁吸力計算公式得：

由胡克定律可得回位彈簧作用力：

式中，B為運動阻尼。

銜鐵上、下止點的阻力為：

根據牛頓第二定律可得閥芯運動方程：

2 模糊控制器的設計

根據高速電磁閥的控制量和控制目標，模糊控制器選擇二維模糊控制器。

2.1 確定輸入輸出變量

高速電磁閥系統的動態響應與結構參數密切相關，選擇驅動電壓U、磁通量？準作為二維模糊控制器的輸入量；選擇磁場強度作為模糊控制器的輸出量u。

2.2 模糊控制規則

模糊控制規則是模糊控制器的核心。控制器輸入量和輸出量的關系決定了模糊控制規則。在本論文建立的模糊控制器中，兩個輸入量均有7個模糊子集，可以構成49條模糊規則：IFAND<？準

3 基于改進遺傳算法的模糊控制器優化設計

3.1 模糊規則編碼

模糊控制器的輸入量和輸出量有7個模糊子集，每條規則中 的取值有7種，49條規則形成了 種控制規則方案。傳統的優化方法很難求得最優的模糊控制規則。本節采用改進遺傳算法進行尋優。

遺傳算法編碼采用實數編碼，按順序排列模糊規則表中的輸出量作為優化問題的設計變量，即將表1中陰影部分的49個模糊集構成設計變量。為了方便表示，選取模糊集的下標數字符號{1， 2， 3， 4， 高速電磁閥的動態響應為優化的目標函數，目標函數均方根值的倒數作為遺傳算法個體的適應度函數。

3.2 算法實現

在Matlab/Command中采用命令方式，實現遺傳算法并控制整個仿真系統的運行。程序中的每一項功能編寫成一個小模塊，具有良好的移植性和通用性。本算法包含的程序模塊如下：初始種群模塊、模糊規則模塊、個體評價模塊、遺傳操作模塊、子代生成模塊、比較模塊、排序模塊和結果輸出模塊等。其中，遺傳算法操作模塊包括選擇算子、交叉算子、變異算子。

4 仿真結果及分析

為了驗證模糊控制器的控制效果，本文利用Matlab和Hydsim軟件分別對未施加控制器的燃油噴射系統和施加模糊控制器的燃油噴射系統進行仿真分析。仿真結果如圖2～7所示。

仿真結果表明，基于遺傳算法的電控單體集成泵系統模糊控制能夠顯著改善系統噴油特性，驗證了采用聯合仿真方法的可行性和準確性。另外，在優化過程中，只要給予適當的初始規則就可以通過遺傳算法得到更好的規則以獲得更好的控制性能。

5 結論

（1）考慮到Hydsim軟件和Matlab/simulink有接口的功能，在建模中加入Matlab/simulink來控制電磁閥的開閉時間，以此來改善系統仿真效果。

（2）提出利用模糊控制對燃油噴射系統進行優化控制仿真。

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作者簡介：柴保明（1964-），河北邯鄲人，博士，教授。主要研究方向為動力機械及工作過程、機械設備故障診斷、機電系統設計與開發。