集成式電動燃油泵控制規律研究

劉卓崴，程 禮，鄭鐵軍(空軍工程大學航空航天工程學院，陜西 西安 710038)

集成式電動燃油泵控制規律研究

劉卓崴，程 禮，鄭鐵軍
(空軍工程大學航空航天工程學院，陜西 西安 710038)

為實現對電動燃油泵供油量的有效控制，首先在分析處理實驗數據的基礎上研究了電動燃油泵的供油特性，并利用AMESim仿真軟件建立了集成式電動燃油泵數學模型。以此為基礎構建了燃油泵PID控制系統，仿真中用經驗試湊的參數整定方法給出了最優的控制參數，達到了預期的控制效果。為控制系統的調試試驗提供了理論依據。

電動燃油泵；PID控制；參數整定；仿真

傳統的燃氣渦輪發動機供油系統，由發動機傳動齒輪泵占據大部分份額。這種方式的優點是節流比大、結構簡單、體積小、重量輕、制造容易，對燃油清潔度敏感性小，適用于長時間工作的中等及以下流量的燃料供應。缺點是由于燃料泵供油規律與發動機需油規律不同，在大部分工作狀態下需要大量回油，能源效率低[1-4]。隨著多電發動機的發展，附件機匣被淘汰，燃油泵采用電動機帶動齒輪泵的間接能量傳遞方式[5]。而對于自身沒有旋轉機構的沖壓發動機更是理想之選[6-8]，應用前景十分廣闊。這種電動燃油泵形式簡單，體積小，重量輕，能源效率高，便于集成化，同時，能夠直接控制電動機轉速來克服傳統燃油泵供油規律與發動機需油規律不同的缺點。為此，有必要對電動燃油泵的控制規律進行研究[9,10]。

本文通過對自主研發的電動燃油泵開機運行獲取了表征其供油特性的實驗數據，并以此為基礎建立了帶有閉環控制系統的電動燃油泵數學模型，通過仿真對電動燃油泵控制系統PID控制參數進行整定。

1 電動燃油泵供油特性研究

1.1 研究思路

電動燃油泵主要由電機、齒輪泵和減速器組成。考慮到電機傳動過程中的摩擦以及齒輪泵運行過程中諸多非線性因素給準確建模帶來的困難，選擇了實驗建模的思路。在實驗中獲取電動燃油泵的相關特性數據，通過對實驗數據進行擬合來建立電動燃油泵數學模型。這樣做既可以避免復雜的建模過程，又可以做到對實物特性及其內在規律的真實反映。

1.2 測量參數的選取

控制目標是對電動燃油泵供油流量進行控制，該目標是通過調節電機轉速來實現的，因此只需明確兩者的對應關系，無需建立完整的電動燃油泵結構模型。根據齒輪泵供油量計算公式[11]，電機轉速與出口流量是線性關系，但是由于泵的容積效率、泄漏損失等與泵進出口壓力差以及轉速有關，因此電機轉速與出口流量并非簡單的線性關系，在確定出口流量時，不僅要考慮電機的轉速，還要考慮泵的各類損失，同時也要考慮泵出口壓力對出口流量的影響。綜合各種因素，認為電機轉速、泵進出口壓力差與出口流量三者之間的關系為待確定的電動燃油泵最重要的關系，其它因素均可或明或暗體現在這三者的關系之中。因此，選擇電機轉速、泵進出口壓力差和出口流量作為測量參數。

1.3 電動燃油泵供油特性

通過實驗，獲取了不同轉速下9組共1862個數據。對這些數據初步處理后，用Matlab提供的函數進行最小二乘擬合，得到電機轉速、泵出口壓力和出口流量三者的擬合關系式(以相對量的形式給出)。

(1)

將擬合曲線與實驗數據點繪制在同一坐標中進行對比，得到圖1所示的結果。一方面，圖中所反映的擬合曲線與實驗數據點的位置關系表明式(1)能夠較好地描述電動燃油泵的供油特性。另一方面，兩者共同反映出電動燃油泵供油量與泵進出口壓力差的非線性關系。在某一電機轉速下，電動燃油泵的供油量隨著泵進出口壓力差的上升而下降，且下降幅度越來越大。

圖1 電動燃油泵供油特性擬合曲線與實驗數據對比

為了進一步印證式(1)能夠較為準確地描述電動燃油泵運行中電機轉速、泵出口壓力和出口流量三者的關系，又進行了運行實驗，將獲得的實驗數據與由式(1)繪制出的相應轉速下的擬合曲線進行對比，結果如圖2所示。

圖2中反映出曲線對該組實驗數據點的擬合效果較好，說明式(1)能夠較好的描述電動燃油泵的供油特性。

圖2 電動燃油泵供油特性擬合曲線與實驗數據對比

2 集成式電動燃油泵物理仿真模型

集成式電動燃油泵由電動燃油泵和控制系統組成，利用AMESim仿真軟件[12]，構建了集成式電動燃油泵數學模型，如圖3所示。

方框區域表示電動燃油泵數學模型，由函數模塊，比例模塊和供油源構成。其中函數模塊是核心部分，它嵌入了擬合關系式(1)，能夠反映出電動燃油泵實際運行狀態下電機轉速、泵進出口壓力差和出口流量三者之間的關系。輸入P和n分別代表泵進出口壓力差和電機轉速，輸出為流量信號，經比例環節單位換算后使供流源輸出相應的油液。電動燃油泵后端連接了一個安全活門和一個起動活門。安全活門通過回油的方式限制供油壓力，起動活門則限定了系統供油的最小壓力。

控制系統采用PID控制器的結構[13]，圖3中動態信號源給出期望的流量數值序列，該數值序列分為兩路，一路進入了函數模塊G(n,P0)的流量輸入端Q，經函數模塊轉換得到相應的電機轉速，該轉速作為電機轉速的穩態數值進入加法器。函數模塊嵌入了固定壓力P0下電機轉速與流量的對應函數G(n,P0)，該函數關系式由式(1)變形得到。其中P0為壓力常量，可根據設計的供油壓力差范圍來設定。另一路流量信號直接與傳感器測得的實際流量信號(要經過比例環節進行單位換算)進行比較得到流量偏差信號ΔQ，經過PID控制器形成了與流量偏差信號相對應的電機轉速調節信號Δn，該信號與穩態電機轉速數值相加后作為電動泵的輸入信號，通過轉速限制器(避免超過電機最大轉速)進入電動泵的轉速輸入端n，而壓力查輸入端P的壓力差信號則由安裝在電動燃油泵后端的壓力傳感器傳回(要經過比例環節進行單位換算，燃油泵前的壓力設定為AMESim系統的回油壓力)。

圖3 集成式電動燃油泵物理模型

3 PID控制器參數整定

PID 控制器的參數整定一般包括對比例系數Kp、積分系數Ki和微分系數Kd三個參數的整定, 這三個參數的選取對PID 控制器控制質量的好壞尤為重要[14]。本文采用經驗湊試法[15]來確定PID控制參數，按照先比例后積分再微分的原則進行參數整定。考慮到給定的供油計劃是線性的，無需對供油信號變化率進行預測，故可設微分系數Kd=0。

將上述集成式電動燃油泵接入一體化燃油供給與控制系統(集成式電動燃油泵、燃油調節閥系統組成)中進行仿真，同時也對無控制系統的電動燃油泵進行了仿真。仿真中燃油泵供油計劃分為三個階段，第一階段和第三階段保持恒定供油量各2s，第二階段的供油量為斜坡信號，仿真時間為300s。得到如圖4、圖5所示的仿真結果。(以相對流量形式給出)

對比圖4(a)和圖5的仿真結果，可知集成式電動燃油泵的實際供油性能得到改善，基本能夠按照給定的供油計劃供油，說明設計的控制系統能夠對電動泵供油量進行有效的控制。

圖4(a)中分別在四個時刻出現了尖峰現象，這是由于在四個時刻分別有燃油調節閥關斷而引起的泵進出口壓力差突升所致。對此，局部放大尖峰D進行分析，得到圖4(b)所示情況。

圖4(b)中反映出電動燃油泵供油量的降幅隨著比例系數的增大而減小。表明比例系數Kp越大，對供油量突降的控制效果越好。但在工程應用中，不能只考慮控制精度，還要考慮電動燃油泵的效率問題。安全活門的回油量是衡量電動泵效率的重要指標，有必要分析與尖峰D相對應的安全活門回油量，如圖6所示。

圖6中反映出不同比例系數Kp下安全活門的回油情況。對比5條回油曲線可以發現，比例系數越小，回油量越少，電動泵的效率則越高。綜合考慮，選擇Kp=500較為合適，既滿足工程上對控制精度的要求，又兼顧到供油效率。

(a) 全局圖 (b)局部放大圖

圖5 無控制系統電動泵供油曲線

圖6 不同Kp條件下的安全活門回油量

在比例系數確定為Kp=500后，對5組不同積分系數下的電動燃油泵實際供油情況進行了對比，以便確定合適的積分系數，對比結果如圖7所示。

由圖7(a)和圖7(b)所示的仿真結果可知，在Ki=0時，控制精度最高。

(a) 全局圖 (b)局部放大圖

通過上述分析對比，分別將不同Kp和Ki下的控制性能指標制表得到表1、表2。

表1 不同Kp條件下控制性能指標

表2 不同Ki條件下控制性能指標

由表1可知，在Kp≥500時，尖峰C和尖峰D處的控制誤差在1%以內，控制精度能夠滿足工程要求。而Kp=500時，滿足精度要求的前提下回油量是最少的，此時泵效率相對較高，在穩態誤差和超調量幾乎相等的情況下，選取Kp=500為PID控制器的比例系數是比較合理的。

由表2可知，在Kp相同的情況下，不同Ki對尖峰誤差和回油的影響不大。隨著Ki的增大，平均動態誤差有所減小，穩態誤差逐漸增大。相比之下，穩態誤差的增幅更大，穩態控制精度變差。為了保證更好的穩態控制精度，選取PID控制器積分系數Ki=0。

4 結論

通過對實驗數據進行擬合的方法研究了電動燃油泵供油特性，得到了能夠準確反映出電動燃油泵供油特性的擬合關系式。以所得關系式作為電動燃油泵的數學模型構建了帶有閉環控制系統的電動燃油泵仿真模型。通過仿真確定了最優的PID控制參數為Kp=500，Ki=0，Kd=0，說明所設計的控制系統能對電動燃油泵供油進行有效的控制，為下一步控制系統調試試驗提供了有力依據。此外，仿真確定的PID控制器參數對試驗的指導作用很大程度上取決于建立的燃油泵數學模型的準確程度。為此，有必要對不同實驗數據處理方法所得結果進行對比，從而使模型精確化、最優化。

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[編校：張芙蓉]

Research on Control Law of Integrated Electromotion Fuel Pump

LIU Zhuowei, CHENG Li, ZHENG Tiejun

(SchoolofAeronauticsandAstronauticsEngineering,AirForceEngineeringUniversity,Xi’anShanxi710038)

For the purpose of effectively controlling electromotion fuel pump, the fuel feeding performance of electromotion fuel pump was firstly researched on, based on analyzing and processing experimental data. Then a mathematical model and PID control system of integrated electromotion fuel pump were built with AMESim simulation software. In the simulation processing, optimal PID control parameters were obtained with the empirical method and the expected control effect was reached. Theoretical data are provided for debugging test of control system.

electromotion fuel pump; PID control; parameter tuning; simulation

2014-10-11

劉卓崴(1989- )，男，內蒙古烏蘭察布人, 在讀碩士研究生，研究方向為推進系統控制與振動檢測。

TK403

A

1671-9654(2014)04-053-05