高壓共軌柴油機定轉速柔性控制策略研究

周心睿，王貴勇，申立中，王正江，萬明定

（650500 云南省 昆明市 昆明理工大學 云南省內燃機重點實驗室）

0 引言

據統計，截至2018 年底，全國機動車保有量達到3.27 億輛，其中汽車保有量2.4 億輛[1]。在機動車保有量增加帶來交通便利的同時，排放與環境問題日益突出。近年來，國家為降低機動車排放，先后頒布了國Ⅴ與國Ⅵ排放法規，排放限值日益嚴格。為滿足排放限值，各大廠商及高校加大了對發動機技術的探索與研究。

現階段，國內外的汽車企業普遍采用汽油機作為機動車的動力源。不可否認，汽油機擁有轉速高、質量輕、噪聲低的優點，但是柴油機壓縮比高、熱效率與經濟性更好，在追求節能減排的今天，柴油機不失為一個好的選擇。在減排方面，柴油機實現了先進的機內凈化技術EGR，先進的后處理技術DPF，DOC，SCR 等[2-6]；在節能方面，高壓共軌噴射系統是當今最先進的柴油機燃油噴射系統，能夠在一個工作循環里實現多次噴射，在保證動力性的同時，降低燃油消耗率，改善排放效果[7-8]。因此，高壓共軌柴油噴射系統等發動機先進電控技術是柴油機技術領域的研究熱點。

調速控制是發動機電控技術的控制核心之一，為實現高壓共軌柴油機在負載變動后仍能保持恒定轉速運行，本文對高壓共軌柴油機定轉速控制進行了研究。定轉速控制技術普遍應用于各個領域，在混合動力電動汽車上，發電機組為動力電池充電，需要控制發動機定轉速運行[9-13]；在移動電源車上，輔機電源為實現穩態發電，需要控制發動機定轉速運行[14]；在商用車上，動力輸出軸（PTO）為滿足作業要求，需要控制發動機定轉速運行[15]。此外，除了機動車領域，定轉速控制技術還會被用在無人機、船舶、航空、工業等其它領域，因此，定轉速控制顯得尤為重要。

針對定轉速的控制有很多算法，如經典PID算法、神經網絡算法、模糊控制算法、迭代學習算法等，但是考慮到其它算法的代碼量，想要兼顧高效率與低成本，經典PID 控制算法無疑是最好的選擇。因此，在經典PID 控制算法的基礎上，對算法進行了適當的改進，使得PID 控制算法能夠隨著轉速的變化而改變，具備柔性控制的特征[16-17]，從而提高高壓共軌柴油機定轉速控制效果。

1 高壓共軌柴油機定轉速控制過程總架構

為實現高壓共軌柴油機定轉速柔性控制，提出圖1 所示控制器架構。控制器由轉速模塊、轉矩模塊以及噴油模塊構成，其中轉速模塊由定轉速需求模塊、其它轉速需求模塊和優先級管理模塊組成。當ECU 接收到特定需求時，由轉速需求模塊根據發動機轉速需求、實際轉矩、發動機溫度場計算轉速區間，即轉速上限與轉速下限。轉速區間用于限定發動機轉速范圍，為防止調速混亂，定轉速需求與怠速需求等其它轉速需求進行優先級判定。優先級管理模塊匯總各轉速需求模塊計算的轉速區間和與之對應的PID 參數，并根據優先級篩選出符合當前作業需求的轉速區間和與之對應的PID 參數。轉矩模塊根據篩選出的轉速區間與對應的PID 參數計算需求轉矩。噴油模塊將需求轉矩轉換成實際的噴油量，控制發動機進行轉速調節。定轉速需求在執行定轉速作業過程時具有較高的優先級，轉速模塊與轉矩模塊將優先實現定轉速需求，使得發動機保持恒定轉速運行。

圖1 高壓共軌柴油機定轉速控制過程總架構Fig.1 General architecture of constant-speed control process for high-pressure common-rail diesel engine

2 定轉速柔性控制策略

定轉速控制主要由定轉速需求模塊來實現。如圖2 所示，分成定轉速區間計算模塊與定轉速PID 參數模塊。定轉速作業過程中，轉速調節由定轉速區間設計模塊來實現，轉矩調節所需參數由定轉速PID 參數模塊來計算。

2.1 定轉速區間計算

通常，發動機在受到外界干擾時會出現轉速波動，外界干擾越大，轉速波動越大。外界干擾通常表現在負荷變化上。當負荷增加時，實際轉矩不足，使得發動機轉速迅速降低；當負荷降低時，實際轉矩偏高，使得發動機轉速迅速升高。定轉速控制能夠在發動機受到干擾時使得轉速迅速恢復并保持穩定。如圖2 所示，當定轉速需求狀態機收到定轉速需求信號時，狀態機根據發動機轉速計算預設轉速，并實時輸出定轉速狀態。預設轉速經轉速計算模塊與轉速限制模塊得到定轉速區間，即定轉速上限與定轉速下限。為保證當前發動機維持恒定轉速運行，減小轉速波動，通常將定轉速上限與定轉速下限保持恒等，以此限定發動機轉速范圍。定轉速狀態表征當前發動機是處于定轉速運行狀態還是轉速調節狀態，用于上述優先級管理模塊進行優先級判定。

圖2 定轉速計算控制過程Fig.2 Constant speed calculation control process

2.2 定轉速PID 參數柔性控制

在PID 參數控制上，選用經典的PID 控制算法，并在傳統固定式的PID 參數上面加以改進。采用反饋控制的設計思路，實時調整PID 參數，如圖2 所示。PID 參數協調模塊根據實際轉矩、發動機轉速與發動機溫度場確定相應PID 參數的協調權重系數，在PID 參數計算中協調權重系數對PID 參數基本值進行協調計算，進而實時調整比例系數、積分系數、微分系數，實現柔性控制效果。此外，在轉速控制上，由于摒棄傳統的轉速設定值控制方法，而采用更為先進的區間調速思想。因此，定轉速PID 參數柔性控制模塊會依據轉速上限與轉速下限的不同，計算出兩套不同的PID 參數，即上限PID 參數與下限PID 參數，使得轉速控制更加高效嚴謹。

3 需求轉矩計算

轉速調節的核心在于轉矩調節。當受到外界干擾時，實際轉矩因實際負荷變化顯得偏高或偏低，造成發動機轉速波動。當負荷增加時，轉矩模塊需要加大需求轉矩；當負荷降低時，轉矩模塊需要減少需求轉矩，通過合理調整需求轉矩，實現實際轉矩的輸出。需求轉矩計算該過程如圖3 所示。轉矩計算模塊根據實際轉矩、轉矩損失計算出基本轉矩，并根據其它需求轉矩確定限制轉矩，用于限定實際轉矩范圍。轉速偏差計算模塊根據轉速區間與發動機轉速之間的轉速差，計算出轉速上限偏差與轉速下限偏差。轉速上限偏差與轉速下限偏差在PID 環節轉矩計算模塊結合對應的PID 參數計算出P，I，D 三個環節相應的調節轉矩。最后，轉矩限制模塊根據基本轉矩、PID 調節轉矩與限制轉矩計算需求轉矩。需求轉矩經噴油模塊，轉換成噴油量，通過改變發動機噴油量，將實際轉矩迅速調整到需求轉矩附近，從而維持發動機轉速恒定，實現發動機定轉速運行。

圖3 需求轉矩計算控制過程Fig.3 Demand torque calculation control process

4 試驗與結果分析

4.1 試驗條件

實驗用的控制系統由自主研發的ECU 軟件系統和硬件系統組成。

ECU 軟件系統使用MATLAB/Simulink 建模工具搭建高壓共軌柴油機定轉速柔性控制策略，加入到包含基本噴油控制策略的EMS 應用層軟件系統中，再結合底層驅動程序，經代碼生成后，由Tasking 編譯器編譯生成“.elf”文件，導入到自主設計的ECU 電路板。

試驗用機采用云內動力的某型電控高壓共軌兩缸柴油發動機，其發動機參數如表1 所示。

表1 某型高壓共軌柴油機的技術參數Tab.1 Technical parameters of a high-pressure common-rail diesel engine

實驗平臺的試驗控制臺與試驗臺架分別如圖4、圖5 所示。

圖4 試驗控制臺Fig.4 Test console

圖5 試驗臺架Fig.5 Test bench

4.2 臺架試驗

為方便試驗驗證，將定轉速設定在3 000 r/min，在該轉速下進行不同負荷功率的加載試驗與卸載試驗。加載試驗由測控機分別以1，2，3 kW 的負荷功率加載；卸載試驗由測控機分別以1，2，3 kW 的負荷功率卸載，其中1 kW 的負荷功率約等于3.33%的負荷，2 kW 的負荷功率約等于6.67%的負荷，3 kW 的負荷功率約等于10%的負荷，試驗分析不同負荷變動下發動機轉速、實際轉矩與輸出功率的波動情況、調整時間，以驗證高壓共軌柴油機定轉速柔性控制策略的控制效果。

4.2.1 定義發動機定轉速運行范圍

經試驗驗證，在進行定轉速控制時，發動機在恒負荷狀態下轉速基本穩定在3 000 r/min 附近，且轉速波動不超過±3 r/min，因此為方便試驗分析，對發動機定轉速運行范圍進行定義。當發動機轉速在3 000±3 r/min 范圍內時，定義發動機處于定轉速運行狀態；當發動機轉速不在3 000±3 r/min 范圍內時，定義發動機處于變轉速運行狀態。

4.2.2 定轉速加載試驗

圖6、圖7、圖8 分別為以1，2，3 kW 的負荷功率加載的試驗情況。當負荷增加時，發動機轉速逐漸降低，轉矩模塊立即計算出需求轉矩，實際轉矩跟隨需求轉矩變化并逐漸穩定在需求轉矩附近。由于實際轉矩增加，輸出功率隨之增加，并隨實際轉矩的穩定而穩定，發動機轉速逐漸恢復并穩定在3 000 r/min。

圖6 負荷功率1 kW 加載試驗Fig.6 Load power 1 kW loading test

圖7 負荷功率2 kW 加載試驗Fig.7 Load power 2 kW loading test

圖8 負荷功率3 kW 加載試驗Fig.8 Load power 3 kW loading test

圖中：Δn1-1，Δn1-2，Δn1-3——以1，2，3 kW的負荷功率加載時的轉速波動最大值；Δtn，1-1，Δtn，1-2，Δtn，1-3——以1，2，3 kW 的負荷功率加載時的轉速恢復時間；Δtp，1-1，Δtp，1-2，Δtp，1-3——以1，2，3 kW 的負荷功率加載時的功率調整時間。

4.2.3 定轉速卸載試驗

圖9、圖10、圖11 分別為以1，2，3 kW 的負荷功率卸載的試驗情況。當負荷減小時，發動機轉速逐漸升高，轉矩模塊立即計算出需求轉矩，實際轉矩跟隨需求轉矩變化并逐漸穩定在需求轉矩附近。由于實際轉矩減少，輸出功率也隨之減少，并隨著實際轉矩的穩定而穩定，發動機轉速逐漸恢復并穩定在3 000 r/min。

圖9 負荷功率1 kW 卸載試驗Fig.9 Load power 1 kW unloading test

圖10 負荷功率2 kW 卸載試驗Fig.10 Load power 2 kW unloading test

圖11 負荷功率3 kW 卸載試驗Fig.11 Load power 3 kW unloading test

圖中：Δn2-1，Δn2-2，Δn2-3——以1，2，3 kW的負荷功率卸載時的轉速波動最大值；Δtn，2-1，Δtn，2-2，Δtn，2-3——以1，2，3 kW 的負荷功率卸載時的轉速恢復時間；Δtp，2-1，Δtp，2-2，Δtp，2-3——以1，2，3 kW 的負荷功率卸載時的功率調整時間。

4.3 不同負荷功率變動下的統計數據分析

為了對高壓共軌柴油機定轉速柔性控制策略的控制效果進行有效的判斷，將6 種試驗情況分別進行多次試驗，并將試驗數據進行了細致的統計分析。如表2 所示，從平均轉速波動最大值統計數據可知，不論加載還是減載，負荷功率每變動1 kW，轉速波動6.5 r/min 左右，負荷功率每變動2 kW，轉速波動13 r/min 左右，負荷功率每變動3 kW，轉速波動20 r/min 左右；從平均轉速恢復時間統計數據可知，不論加載還是減載，在較低負荷功率變動下，轉速恢復時間基本在2 s 內，在較大負荷功率變動下，轉速波動的余波存在超出定義的發動機定轉速運行范圍的情況，但波動恢復時間基本在3 s 內；從平均功率調整時間統計數據可知，不論加載還是減載，功率調整時間基本在3 s 內。由此可以看出，該高壓共軌柴油機定轉速柔性控制策略具有高效性和穩定性，能夠在負荷變動時快速調節發動機，使得發動機轉速迅速恢復到原值并保持穩定。

表2 不同負荷功率下的相關統計數據Tab.2 Relevant statistics at different load power

5 結論

為實現高壓共軌柴油機定轉速運行，設計了高壓共軌柴油機定轉速柔性控制策略，并使用MATLAB/Simulink 搭建了控制模型，結合實驗室自主開發的軟件系統與硬件系統，在臺架使用云內動力某型電控高壓共軌兩缸柴油發動機進行了不同負荷功率下的加載與卸載試驗，試驗結果表明：

（1）在恒定負荷下，高壓共軌柴油機定轉速柔性控制策略能夠保持發動機定轉速運行。當發動機在3 000 r/min 進行定轉速控制時，恒定負荷下轉速波動不超過±3 r/min。

（2）在負荷變動下，高壓共軌柴油機定轉速柔性控制策略能夠在極短的時間內調整輸出功率，實現轉速恢復并保持穩定。當發動機在3 000 r/min 進行定轉速控制時，負荷變動下能夠在3 s 內將波動的發動機轉速調節至目標轉速并保持穩定。

（3）高壓共軌柴油機定轉速柔性控制策略同樣能夠實現恒定轉矩、恒定功率輸出。