基于紅嘴藍鵲算法的高壓共軌燃油噴射控制研究

【摘" 要】文章針對柴油機高壓共軌系統燃油噴射精確度不高的問題，提出一種基于紅嘴藍鵲算法的高壓共軌燃油噴射控制方法。首先，對高壓共軌燃油噴射系統進行數學建模;其次，構建一套柴油機高壓共軌燃油噴射控制系統，該系統利用模糊PID算法實現對燃油噴射的控制;在此基礎上，針對模糊PID控制算法中的模糊論域，運用紅嘴藍鵲算法進行優化。最后，利用MATLAB/Simulink對傳統PID、模糊PID和基于紅嘴藍鵲算法的模糊PID控制算法這三者進行仿真對比。研究結果表明，經紅嘴藍鵲算法優化后，燃油噴射量的控制更加精確，可以有效提升高壓共軌燃油噴射系統的性能。

【關鍵詞】高壓共軌;噴油量;紅嘴藍鵲算法;模糊PID

中圖分類號：U464.172" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2024 ）12-0063-03

A Study on High-pressure Common-rail Fuel Injection Control Based

on the Red-billed Blue Magpie Algorithm

【Abstract】This paper addresses the problem of low fuel injection precision in diesel engines with high-pressure common-rail systems. It proposes a high-pressure common-rail fuel injection control method based on the Red-billed Blue Magpie algorithm. First，the high-pressure common-rail fuel injection system is mathematically modeled. Then，a diesel engine high-pressure common-rail fuel injection control system is established，which utilizes the fuzzy PID algorithm to control the fuel injection. Based on this，the fuzzy PID control algorithm's fuzzy domain is optimized using the Red-billed Blue Magpie algorithm. Finally，the traditional PID，fuzzy PID，and fuzzy PID controlled by the Red-billed Blue Magpie algorithm are simulated and compared using MATLAB/Simulink. The research results show that after optimization by the Red-billed Blue Magpie algorithm，the control of fuel injection volume is more precise，and the performance of the high-pressure common-rail fuel injection system can be effectively improved.

【Key words】high-pressure common-rail;fuel injection volume;red-billed blue magpie algorithm;fuzzy PID

現代柴油機噴射技術的發展趨勢和研究方向主要集中在兩個關鍵領域：直噴技術和高壓噴射技術。在高壓噴射技術當中，電控單體泵與電控共軌技術成為兩種占據主導地位的技術路徑。特別是電控共軌燃油噴射技術，能夠獨立調控噴油時機，實現高噴射壓力，并允許噴油速率靈活調整。這些特性對于提升柴油機的動力性能、經濟性和排放性能有著顯著的促進作用。

在高壓共軌燃油噴射系統研究領域，郭建波[1]以提高柴油機的燃油效率和排放性能為目標，成功研發出一套涵蓋軟件、硬件和開發環境的完整高壓共軌噴射系統。王好戰[2]等人則通過建立物理和數學模型，對共軌管內燃油壓力進行計算機仿真模擬，驗證了在高壓共軌燃油噴射系統中，共軌油壓電子控制策略的有效性。林鐵堅[3]等人提出一種多脈沖復合控制均質壓燃燃燒系統，以實現柴油機NOx和碳煙的超低排放。肖文雍[4]等人設計了基于GD-1高壓共軌電控燃油噴射系統的燃油噴射壓力控制策略，并通過實機試驗證明了該策略的可行性。田小江[5]通過模糊PID控制算法，對高壓共軌燃油噴射系統軌壓控制進行了仿真研究，有效提升了共軌壓力的穩定性與控制精度。裴海靈[6]等人構建了基于神經網絡技術的部分微分PID共軌壓力控制系統，實現了共軌壓力的平穩控制。王本亮[7]等人針對高壓共軌燃油噴射系統中多次噴射的協調問題，提出了一套協調控制策略，并通過試驗研究進行了驗證。符毅[8]等人則對高壓共軌柴油機燃油噴射系統的故障進行了分析，為該機型柴油機管理提供了參考。這些研究不但推動了高壓共軌燃油噴射技術的發展，也為柴油機性能的提升和故障管理提供了重要的理論和實踐基礎。

1" 高壓共軌燃油噴射系統建模

高壓共軌燃油噴射系統包括油箱、高壓油泵、共軌管、濾清器、噴油器、電控單元ECU及多個傳感器部件，其結構如圖1所示。

1.1" 高壓油泵模型

柱塞腔作為高壓油泵內部的核心組件之一，直接影響油泵的工作性能。柱塞壓油油腔和與其相連的凸輪軸相位的關系為[9]：

式中：V——供油腔最大容積;Vφ——當前第i個供油腔容積;φ——凸輪角度。

由液體伯努利方程可知，進入第i個供油軌道的體積流量為：

式中：Qi ——流入共軌管的體積流量;Cp——出油閥的流量系數;Δp——出油閥兩端的燃油壓力;K——供油體積系數。

總供油量Q的計算公式為：

1.2" 共軌管模型

共軌管作為燃油的壓力存儲器，在存儲高壓燃油的同時，還用于平衡各個噴油器之間的壓力波動。

式中：p——軌道壓力;Qt——流經噴油器的有效體積流量;Kt——燃油體積彈性模量。

1.3" 噴油器模型

共軌系統噴油器噴油速率由軌壓和閥門開啟時間決定：

式中：m——噴射燃油質量：C——噴油流量系數;Ah——噴油孔面積;Δpt——噴油器與氣缸壓差。

參考張美娟[10]等人對高壓共軌燃油噴射系統的研究，最終得到系統傳遞函數為：

2" 基于紅嘴藍鵲算法優化的高壓共軌系統模糊PID控制器設計

2.1" 模糊PID控制器設計

模糊PID控制器是一種智能控制系統，它將模糊邏輯融入傳統的PID控制器之中。與傳統的PID控制器相比，模糊PID控制器能夠更有效地處理不明確或模糊的輸入信息，展現出更高的適應性和穩定性。

模糊PID控制器的設計原理充分利用了模糊集合理論和模糊邏輯推理方法。其核心思想在于將PID控制器的3個關鍵參數——比例增益（Kp）、積分增益（Ki）和微分增益（Kd）轉化為模糊集合，并為它們設定適宜的隸屬函數，從而能夠根據實時情況動態地調整這些參數。模糊PID控制器的關鍵在于構建一個模糊規則庫，該規則庫依據系統的誤差（e）和誤差的變化率（ec）來指導控制參數的調整方向和調整幅度。圖2為模糊PID設計示意圖。

2.2" 紅嘴藍鵲算法

紅嘴藍鵲啟發式算法（Red-billed Blue Magpie Optimization，RBMO）是一種模仿自然界紅嘴藍鵲生物群體的智能優化方法[10]。這種算法的設計靈感汲取自紅嘴藍鵲在捕食過程中所展現的搜索、追逐、攻擊和食物儲存行為。其優化過程主要分為：種群初始、群組覓食、協作狩獵、食物貯藏。

2.2.1" 種群初始化

產生初始隨機位置如下所示。

式中：n——種群規模;dim——被優化變量個數;xi，j——個體位置。

xi，j=（ub-lb）×Rand1+lb

式中：ub——上限;lb——下限;Rand——從0到1的隨機數。

2.2.2" 群組覓食

當紅嘴藍鵲按照小組搜尋食物時采用以下公式：

2.2.3" 協作狩獵

紅嘴藍鵲在追捕獵物時采用快速啄食、跳躍捕捉或飛行捕食等戰術。其數學模型為：

2.2.4" 食品貯藏

紅嘴藍鵲將狩獵得到的多余食物進行儲存，其數學模型為：

式中：fitnessiold——第i只紅嘴藍鵲位置更新前的適應度值;fitnessinew——第i只紅嘴藍鵲位置更新后的適應度值。

2.3" 紅嘴藍鵲算法優化模糊PID控制器設計

紅嘴藍鵲優化算法可用來優化模糊PID控制器中的模糊論域，進而提高模糊控制系統的適應性和精確度。同時，使用平方積分誤差（ISE）作為優化算法的適應度函數。其數學模型為：

式中：e——期望值與實際值之差。

3" 試驗仿真

為驗證該優化算法的有效性，采用MATLAB/Simulink搭建仿真試驗系統。Simulink仿真模型如圖3所示。與此同時，設計了傳統PID、模糊PID和基于紅嘴藍鵲算法的模糊PID控制算法三者的仿真對比。優化算法仿真設置參數見表1。

4" 結果分析

將軌壓期望值設定為：在0s時階躍為80MPa。不同控制策略下的高壓共軌燃油噴射系統階躍響應如圖4所示。

由圖4可知，在基于紅嘴藍鵲優化算法的模糊PID控制策略下，系統在0.5s時可以由0MPa平滑過渡到80MPa，幾乎無超調量。其效果相較于模糊PID和傳統PID算法均有顯著提升，充分驗證了紅嘴藍鵲優化算法的模糊PID控制效果的優越性。

5" 結論

本研究聚焦柴油機高壓共軌燃油噴射系統燃油噴射精確度不足的問題，提出一種基于紅嘴藍鵲算法優化的模糊PID控制方法。經由對高壓共軌燃油噴射系統進行數學建模，構建模糊PID控制算法，并運用紅嘴藍鵲算法對模糊論域予以優化。仿真試驗結果顯示，所提出的控制策略在噴油量控制精度方面優勢顯著，有效提升了系統整體性能。本研究不僅為高壓共軌燃油噴射系統的精確控制開辟了新視角與新方法，也為智能優化算法在工程控制領域的應用提供了有益參考。隨著控制理論與優化算法的持續發展，預期該研究將為柴油機性能提升與排放控制帶來更廣闊的應用前景。

參考文獻：

[1] 郭建波. 高壓共軌柴油機電控燃油噴射系統及開發環境的研究[D]. 杭州：浙江大學，2002.

[2] 王好戰，肖文雍，冒曉建，等. 車用電控柴油機共軌油壓模擬及其控制策略分析[J]. 柴油機，2002（5）：17-20.

[3] 林鐵堅，蘇萬華，裴毅強. 基于電控高壓共軌燃油系統的多脈沖復合控制燃燒系統[J]. 內燃機學報，2002（6）：475-480.

[4] 肖文雍，楊林，梁鋒. GD-1高壓共軌式電控柴油機燃油噴射壓力控制策略的研究[J]. 內燃機學報，2004（3）：235-240.

[5] 田小江. 基于模糊PID的高壓共軌燃油噴射系統軌壓控制仿真研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學，2009.

[6] 裴海靈，王本亮，唐楚峰. 基于神經網絡部分微分PID的共軌壓力控制策略[J]. 湖南農機，2011，38（3）：38-39，43.

[7] 王本亮，裴海靈，唐維新，等. 高壓共軌燃油噴射系統多次噴射協調控制策略研究[J]. 內燃機工程，2013，34（4）：18-22，31.

[8] 符毅，班育博，丁鋒，等. 高壓共軌柴油機燃油噴射系統故障分析[J]. 中國設備工程，2022（4）：6-8.

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[10] 張美娟. 柴油機共軌壓力模擬控制系統開發[D]. 無錫：江南大學，2000.

[11] Fu S，Li K，Huang H，et al. Red-billed blue magpie optimizer：a novel metaheuristic algorithm for 2D/3D UAV path planning and engineering design problems[J]. Artificial Intelligence Review，2024，57（6）：1-89.