电控单体集成泵燃油喷射系统的模糊控制研究
摘 要：本文通过仿真分析研究了电控单体集成泵系统（IEUP）供油泵凸轮的动态特性；在Matlab/Simulink环境中采用模糊控制策略，设计模糊控制器，实现多体模型和模糊控制策略的集成控制，分析了影响电磁阀动态特性的工作参数；借助仿真软件Hydsim建立模型并对电控单体集成泵燃油喷射系统进行分析。通过对燃油喷射系统综合分析得到的参数及结论，为电控单体集成泵燃油系统的设计、优化以及对传统柴油机燃油喷射系统的改进提供技术理论支持。
关键词：电控单体集成泵；燃油喷射系统；模糊控制；Hydsim软件；Matlab软件
引言
模糊控制是一种模仿人类思维推理方式的智能控制方法，适用于燃油喷射系统的控制。遗传算法具有很强的全局寻优能力，适合求解模糊控制规则的寻优问题。本文拟采用模糊控制方法控制电磁阀的开闭时间，在Matlab/Simulink和Hydsim软件环境中进行协同控制仿真和优化设计，分析影响柴油机燃油喷射系统工作性能的因素，为柴油机燃油喷射系统匹配和改进升级提供了有价值的参考。
1 电磁阀力学运动模型
高速电磁阀的运动模型如图1所示。
由麦克斯韦电磁吸力计算公式得：
由胡克定律可得回位弹簧作用力：
式中，B为运动阻尼。
衔铁上、下止点的阻力为：
根据牛顿第二定律可得阀芯运动方程：
2 模糊控制器的设计
根据高速电磁阀的控制量和控制目标，模糊控制器选择二维模糊控制器。
2.1 确定输入输出变量
高速电磁阀系统的动态响应与结构参数密切相关，选择驱动电压U、磁通量？准作为二维模糊控制器的输入量；选择磁场强度作为模糊控制器的输出量u。
2.2 模糊控制规则
模糊控制规则是模糊控制器的核心。控制器输入量和输出量的关系决定了模糊控制规则。在本论文建立的模糊控制器中，两个输入量均有7个模糊子集，可以构成49条模糊规则：IF
3 基于改进遗传算法的模糊控制器优化设计
3.1 模糊规则编码
模糊控制器的输入量和输出量有7个模糊子集，每条规则中 的取值有7种，49条规则形成了 种控制规则方案。传统的优化方法很难求得最优的模糊控制规则。本节采用改进遗传算法进行寻优。
遗传算法编码采用实数编码，按顺序排列模糊规则表中的输出量作为优化问题的设计变量，即将表1中阴影部分的49个模糊集构成设计变量。为了方便表示，选取模糊集的下标数字符号{1， 2， 3， 4， 高速电磁阀的动态响应为优化的目标函数，目标函数均方根值的倒数作为遗传算法个体的适应度函数。
3.2 算法实现
在Matlab/Command中采用命令方式，实现遗传算法并控制整个仿真系统的运行。程序中的每一项功能编写成一个小模块，具有良好的移植性和通用性。本算法包含的程序模块如下：初始种群模块、模糊规则模块、个体评价模块、遗传操作模块、子代生成模块、比较模块、排序模块和结果输出模块等。其中，遗传算法操作模块包括选择算子、交叉算子、变异算子。
4 仿真结果及分析
为了验证模糊控制器的控制效果，本文利用Matlab和Hydsim软件分别对未施加控制器的燃油喷射系统和施加模糊控制器的燃油喷射系统进行仿真分析。仿真结果如图2～7所示。
仿真结果表明，基于遗传算法的电控单体集成泵系统模糊控制能够显著改善系统喷油特性，验证了采用联合仿真方法的可行性和准确性。另外，在优化过程中，只要给予适当的初始规则就可以通过遗传算法得到更好的规则以获得更好的控制性能。
5 结论
（1）考虑到Hydsim软件和Matlab/simulink有接口的功能，在建模中加入Matlab/simulink来控制电磁阀的开闭时间，以此来改善系统仿真效果。
（2）提出利用模糊控制对燃油喷射系统进行优化控制仿真。
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作者简介：柴保明（1964-），河北邯郸人，博士，教授。主要研究方向为动力机械及工作过程、机械设备故障诊断、机电系统设计与开发。