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检测在用柴油机电子燃油喷射控制系统中电磁阀的恶化

摘要：柴油发动机是大多数农用车辆的主要动力来源。柴油机排放的控制是一个重要的全球问题。燃油喷射控制系统直接影响柴油发动机的燃油效率和排放。在柴油机电子控制系统的燃油喷射模块中可能出现的恶化的形式包括机架变形、电磁阀故障与齿条行程传感器故障。在这些故障中，电磁阀故障是最有可能出现在使用中的柴油发动机中的。根据以往的研究，这种故障是由于长期的使用，柱塞和套筒的磨损、润滑油的降解或者是发动机过热引起的。

由于确定电磁阀恶化有一定的难度，本研究的终点是开发一个可以清楚地分类电磁阀的可用性的传感器的识别算法，不必拆卸使用中的农用车的EDC系统燃油泵。对此提出了一种诊断方法，包括反馈控制器、参数的标识符、一个线性可变差动变压器（LVDT）传感器和一个神经网络分类器。实验结果表明，该算法可以准确地识别电磁阀的可用性。

关键词：电磁阀 柴油发动机 故障检测 LVDT传感器

1.简介

来说发动机排放的控制是一个重要的全球问题。燃油喷射控制系统大大影响燃料效率和农业车辆柴油机的排放。最近，电子技术和测量技术的进步导致的燃料喷射控制无论是在硬件配置和控制方法的大幅改善。一个典型的例子就是p-edc博世电控直列式燃油喷射泵。在这个系统中，线性电磁阀相对于传统的机械调速器，是用来驱动的燃油泵控制纸条调节喷油量。齿条行程传感器测量齿条位置，其对应于注入的燃料量。电子控制单元（ECU）调节齿条位置供给燃料所需的量。由于注入的燃料量对发动机的性能有很大的影响，这些主要部件的劣化状态在使用车辆的排放水平上占主导地位。EDC系统可能存在的恶化故障包括机架变形、电磁阀人话和齿条行程传感器故障。在这些故障中，电磁阀恶化是最有可能发生的，也是引起柴油发动机烟排放水平和怠速不稳这种具有高波动现象的原因之一。然而，由于缺乏机械或电气的电磁阀损坏的迹象，电磁阀故障是很难诊断的。在实际应用总，只有对电磁阀的柱塞间隙和线圈电阻进行测量，才可以作为诊断的参考依据。举个例子，博世EDC系统模型可接受的线圈的电阻值与柱塞间隙分别是0.6~0.9和0.12毫米。不幸的是，由于电磁阀安装在泵内，而柱塞的间隙是很难测量的，而且它是一种具有高服务成本的破坏性的诊断方法。因此，需要一个使用的无需拆卸泵检测电磁阀的裂坏状态的诊断方法。

对车辆组件的故障检测与诊断（FDD）已经研究了20年。例子包括基于观测器的方法[7-10]估计法[11-14]。这些方法已被证明能够检测某些类型的系统故障。然而，大多数以前的工作主要集中在传感器或执行器的电气故障诊断。机械工程执行器的故障诊断是非常有限的，尤其是对于EDC系统。

由于EDC系统的电磁过度柱塞间隙表明柱塞或轴套的磨损情况，推测出电磁阀的恶化可能是有摩擦力引起的。在[15]中表明电磁阀故障主要是由于柱塞的磨损和套筒长期的使用、润滑油的降解或者发动机过热造成的，这种恶化导致了大量的电磁阀中的库伦摩擦力，从而导致其失效。基于这些结果，一种可以清楚地确定电磁阀的可用性的无损检测技术是当前在劣化条件和EDC系统故障之间的关系调查报告所研究开发的。某些系统参数被确定为特征的劣化状态。此外，一个基于神经网络的分类器应用于诊断的电磁阀的劣化状态，由此产生的方法的目的是支持车载和服务应用程序。

本文组织如下：第2节中分析；该系统的运动方程；第3节中开发了参数识别；第4节则显示了实验结果；在第5节中，提出了一个基于神经网络的故障检测方案；第6节总结本文。

2.系统建模

在燃油喷射控制系统中的电磁阀的开闭、齿条运动及其负载如燃油泵注射活塞，是由电磁力之间的相互作用、弹簧力和其他的阻力控制的。当这些力达到平衡时，机架位置达到平衡。这个系统的动态方程可以表示如下：

其中x是齿条位置，代表摩擦力和其他未建模的力，k是弹簧常数，C是阻尼系数，m是运动部件的质量，F_m是驱动器的驱动力。党执行器是由一个随时间变化的电压u激发时，在线圈绕组的电流是由下式确定：

R_c是线圈电阻，L是线圈电感，k_A是功率放大器的增益。方程（1）的驱动力是一个线圈电流和空气间隙的非线性函数关系，通过线性调频的操作系统，它的收益率是：

在一般情况下，在伺服机械系统的最显著的摩擦包括有静态摩擦，库伦摩擦和粘性摩擦。因此，在方程（1）中的摩擦力F_f可以表示为：

F₀和F_c分别是静摩擦力和库伦摩擦力；这里的粘性摩擦与速度相关，因为它的效果被认为是系统的阻尼行为。在EDC系统中，只有齿条位置x、驱动信号u、和相关的电流I在方程（1-4）可用于诊断。因此，一种用以确定其他必要诊断参数的算法是必需的。

3.参数辨识策略

当一个控制系统中的执行器出现故障时，系统的动态特性也发生相应的变化。因此，本研究通过驱动的EDC系统的齿条的稳定使用输入一个正弦参考。为保证跟踪稳定，引入了反馈控制器。参数是通过由Sugie等人提出的一种两自由度控制器的系统中的前馈路径标识的。Iwasaki等人已成功在他们的位置控制机构中采用了该方法。在这一节中，推导出了参数识别算法，并对其特性进行了研究。

所提出的方法的狂徒如图1所示。G₄是指模型（1）和（3）是指相应装置对应的动力学方程；G₃是通过方程（2）的致动器线圈电流的动态特性，G₂是反馈控制器，G₁是前馈模型，R为参考位置，x为控制对象的输出位置，u₁是G₁的输出，u₂是反馈控制器的输出。出了G₁，摩擦补偿、F_comp也应该考虑在前馈回路中。从图1中，与u₂之间的联系，摩擦力F_f与参考输入R可以得出如下[15]：

如果F_comp和G₁的参数确定合理，那么装置和摩擦特性可以得到，，即如果满足下列条件：

和

以上都满足，则可以由零状态误差的基准位置确定该泵齿条将跟踪所需的轨迹。然后，反馈控制工作u₂将变为零，因此条件u=u₁将得以实现。基于这种思想，提出了一种参数辨识算法：在式（7）中的摩擦补偿的输出可近似为其中 ，此外G₁可以展开为：

其中s表示拉普拉斯变量。所以，总的前馈补偿就表示为

结合公式（9）（10）可得总的前馈补偿可以估计为

和是要确定的参数，从图1知，的值与物理参数相关，可以归纳为：

如果参数都正确标识，就可以实现，因此，我们是u₁等于估计模型（11）中的参数u。参数辨识误差可表示为：

其中 有了这些符号，梯度算子可以被用于获得以下在线参数估计

其中标量增益矩阵P是被称为估计增益的正定矩阵。这个在线算法更新估计量acirc;，通过从一个初始估计acirc;(0)以及对应的e₂(0)，我们可以按顺序迭代换acirc;。值得注意的是参考数据只包含在W中。因此，该识别对感染不是很敏感。

图1 拟议的诊断系统的框图

4.实验

为了研究磨损状况与EDC系统故障的联系，进行了几个如图2在一个P-EDC博世燃油泵上完成的实验，用了17个从几个柴油泵服务店收集到的电磁阀，在这些电磁阀中，四个是全新的，另外十三个存在不同的磨损。本研究的实验装置，如图2所示，包括一个功率放大器、一个控制器和一个EDC燃油泵配备、一个LVDT式位置传感器。控制器是一台安装了Matlab XPC实时控制软件的电脑，它包括一个反馈控制器、一个前馈参数标识符合带宽为20Hz的数字滤波器。0.5Hz的正弦信号被用来作为电磁阀在中间行程中的期望运动。

如图1所示的算法实现如下：常规PID控制器作为反馈控制器G₂，最初，G₁设定为零，G₂的增益也被调整，就可以实现齿条的稳定运动，然后用方程（13）（14）在G₁中的参数进行辨识，在G₂中用相同的控制器增益，对电磁阀有不同程度磨损的泵进行的实验。每次实验之前，测量柱塞和电磁线圈的套筒之间的线圈电阻和间隙，根据制造商的规格，线圈电阻和活塞间隙可接受值分别是0.6~0.9Omega;和0.12mm。在实验中，所有电磁阀的电阻是可以接受的，但是测量的柱塞间隙，由于其使用周期不同，表现出较大的变化。下面的内容中有三个关键个案给出了展示。

图2博世P-EDC燃油泵实验装置示意图

图3显示了一个全新的电磁阀（简称V₁）其柱塞间隙和线圈电阻分别为0.09mm和0.7Omega;，估计值迅速如下收敛到最终值：

acirc;V1 = [0.0001, 0.0630, 0.0118, 0.6819, 0.0469]^T

虽然该系统配备了一个全新的电磁阀，但整个系统仍然有一个由其他机械部件引起的小范围的摩擦（acirc;f = 0.0469）。图3（c）表明齿轨的参考输入很成功，但是，由于库伦摩擦，齿轨（实心线）偏离参考输入（点线）的过渡点。注意acirc;f是一个等效值并不是真实存在的摩擦力。从式（12），实际摩擦力F_f有下式确定：

图4显示了一个配备有磨损的电磁阀（V₂）的鉴定结果，该电磁阀是从产生了一定量的烟雾排放的车辆上拆卸下来的，但它的怠速仍可以稳定。它的线圈电阻和柱塞间隙分别是0.7Omega;和0.25mm。所获参数为：

acirc;V2 = [0.0001, 0.0583, 0.0239, 0.6649, 0.0715]^T

图3 阀门V₁参数识别：（a）acirc;₃：实线 acirc;₂：点画线 acirc;₁：虚线（b）acirc;₀：实线 acirc;_f：虚线；（c）识别过程中的跟踪信号（实线）和参考输入（虚线）

图4 阀门V₂的参数辨识：（a）acirc;₃：实线 acirc;₂：点画线 acirc;₁：虚线（b）acirc;₀：实线 acirc;_f虚线（c）识别过程中的跟踪信号（实线）和参考输入（点画线）

由于磨损，柱塞间隙增加到0.25mm并确定摩擦系数acirc;_f增加到0.0715。增加摩擦力的效果，可以清楚地从图4（c）中该齿轨（实线）和参考输入（虚线）显示出来——由于摩擦力，齿条运动表现出一种抖动现象。

图5显示了另一个更坏的情况下的识别结果。这个实验中，使用到的是一个使用寿命超过97000公里的有故障的电磁阀（V₃），其线圈电阻和柱塞间隙的测量结果分别是0.7Omega;和0.2mm。柴油机排放水平太高达不到台湾市环保局的排放要求，此外，其排放水平在未来还会存在波动现象。当该电磁阀安装在试验泵上时，所确定的参数为：

acirc;V3 = [0.0001, 0.0546, 0.0471, 0.7321, 0.1284]^T

图5 阀门V₃的参数识别 （a）acirc;₃：实线 acirc;₂：点画线 acirc;₁：虚线 （b）acirc;₀：实线，acirc;_f：虚线（c）识别过程中的跟踪信号（实线）和参考输入（虚线）

虽然它的柱塞间隙（0.2mm）小于V₂的间隙，但它仍然产生了较大的摩擦力（acirc;_f=0.7321）.一般认为，电磁阀柱塞和套筒之间的粗糙表面之间的不均匀磨损是由于摩擦力的增加造成的。在图5（c）所示，抖振现象比V₂更剧烈。

通过比较磨损电磁阀（V₂V₃）与该全新电磁阀（V₁）参数的比较，在表1中可以看到acirc;_0-3和acirc;_f增加的百分比。为简单起见，这里只列出两种具有代表性的情况，其他情况与这两个例子有着相似之处。在这个表格中看到，除了acirc;_f外，电磁阀的磨损也引起了acirc;₁的显著变化，而acirc;₀、acirc;₂和acirc;₃的变化则没有那么显著，这是因为电磁阀的磨损增加了柱塞阀的阻尼力从而导致acirc;₁的增加。因此，一个泵轨控制系统故障的主要原因是电磁阀的磨损，这类故障可以通过检测acirc;_f

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