位控式船用柴油機電控噴油系統的控制模型與策略研究

趙春生+朱新河

摘 要：位控式電控噴油系統，即保留了傳統船用柴油機的噴射系統，又保留了傳統柴油機的機械傳動機構，比如噴油泵中的齒條、滑套、柱塞上的控制斜槽等機構，與傳統柴油機相比，在噴油泵上，位控式船用柴油機增加了傳感器、執行器和微處理器，這些自動化元器件所組成的位控系統，分別調節與控制柴油機噴油泵的噴油量和噴油定時。

關鍵詞：位控式 電控 模型與策略

1.引言

隨著智能柴油機的快速發展，首先發展起來的電控噴油系統是位置控制式，這種位置控制式已廣泛應用于現代智能柴油機直列式噴油泵與分配泵。在設計方面，位控式電控噴油系統，即保留了傳統船用柴油機的噴射系統，又保留了傳統柴油機的機械傳動機構，由于位控式船用柴油機電控噴油系統是在傳統柴油機系統上進行改進的，所以說在技術開發上相對來說就比較容易，在資金上投入少，也降低了運營成本。

本文從三個方面論述位置控制式船用柴油機電控噴油系統的控制模型與控制策略的建立與選擇。

2.柴油機的數學模型

Tg～帶負載情況下的船用柴油機自穩系數，指柴油機調速器失靈時，柴油機自動平衡的能力；

kη～柴油機特性系數，表征噴油泵齒桿的每單位行程引起Md變化的大小；

kI～柴油機阻力矩系數，表征柴油機Mc變化的大小。

式（1-10）為柴油機的運動方程。不僅柴油機的結構復雜，除此之外，柴油機的工作過程還受到進氣系統、排氣系統、冷卻系統、增壓系統等諸多因素的影響。在實際管理過程中，一般用不到這么復雜的數學模型，來分析柴油機工作過程。主要分析影響柴油機工作過程的重要因素，對式（1-10）還需進一步簡化。

柴油機的阻力矩Mc可以簡單用下式表示：

柴油機傳遞函數式（1-15），是由達朗貝爾原理推出的，是一階慣性環節，在柴油機工作過程中，從柴油機的噴油泵齒桿位置改變到柴油機發出相應的輸出轉矩Md，有一個時間上的滯后過程，對柴油機來說，這一滯后過程形成一個純滯后環節。純滯后環節的傳遞函數為

3.控制策略的選擇

對于柴油機控制系統，其基本功能是控制噴油量，實現對柴油機轉速的控制。因此，控制算法的速度，齒輪桿雙閉環控制。該控制算法的控制原理是杠桿和齒輪轉速與變速桿為控制目標的雙閉環的控制內循環，調節PID控制器實現對柴油機噴油量的控制；柴油機的轉速為控制目標的外環PI控制器調整發動機的轉速。最終獲得的柴油機調速系統的動力學模型如圖1所示。該位移傳感器，可以認為是一個比例環節的傳遞函數，通過Kf1表示；速度傳感器也可以被看作是一個比例環節，通過Kf2表示；Up是油門位置信號；MC是外部干擾信號。

4.控制算法的研究與改進

直列泵控制齒條位移的基本功能是調整柴油機轉速，柴油機燃油噴射系統的位置控制本質上就是所謂的“電子調速器”。柴油機的調速器早期開發的是模擬式電子調速器。在20世紀90年代，柴油機技術人員開始研究一種新型數字式電子調速器，與傳統模擬電子調速器的主要不同在于控制器不再使用模擬電子元器件，而是使用計算機微處理器，能夠對一些集成電路芯片進行數字處理。它是將模擬開關輸入量轉換成數字量進行輸出，然后通過數字控制將控制量計算出來，這是模擬式電子調速器難以實現的。

對于智能柴油機來說，不論是在理論方面，還是在控制方面，一種新型的智能控制方法—模糊控制，他與傳統的控制方法有很大的區別，在實際工作中，那些比較復雜的數學模型，有時也可以通過一些簡化方式得到。由于在簡化過程中，受到主管人員的主觀因素和客觀因素的影響，如果控制模型簡化不當，那么該模型就失去了其實際意義。然而，如果采用模糊控制方法，就能達到良好的控制效果。

模糊控制是用來控制個人的經驗轉化為控制規則的模糊條件語句，模糊集理論來量化語言變量，然后用隸屬函數的方法，利用模糊推理系統的實時輸入狀態，不同的語言變量的模糊輸入變量，會產生相應的控制決策，再經過后模糊化，可以得到精確的控制量。許多柴油機生產廠家，就將模糊控制原理應用于柴油機數字調速控制，來改善柴油機的調速性能，如圖2所示。

5.結束語

通過大量的實驗證明，PID的模糊控制與傳統控制相比較，具有很多的優點：

（1）控制方法簡單。對數學模型的要求不高，只要主管人員用日常用語來描述輸入量、輸出量和推理規則，與人的思維比較接近，模糊控制在軟件設計和調試上比傳統PID控制簡單，

因此，在復雜的柴油機系統上應有廣泛的應用前景，

（2）程序短、需要的存儲器少、速度快。模糊PID 控制與傳統PID控制相比，在操作程序上比較短，存儲大量數據，需要的存儲器少，實驗工作量也小的多，并且執行速度快。

（3）適用性比較強。組成模糊邏輯的規則即是相互獨立的，又是相互關聯的，迷糊規則的輸出量是多條規則的合集，如果某一條規則出現了故障，其它的規則可以對其進行相應的補償。即使受到機艙的惡劣環境溫度和外界風浪的影響，模糊規則也能夠使柴油機保持正常工作，因此模糊PID控制系統具有適用性強的優點。

（本論文為江蘇省高等職業院校教師專業帶頭人高端研修（個人訪學研修），編號2016GRFX015；2016年度高校哲學社會科學研究資助項目（2016SJB880063）。）

參考文獻：

[1]趙春生.船用柴油機共軌式電控燃油噴射技術應用研究[D].大連：大連海事大學，2014.

[2]童開軍.柴油機電控系統的控制算法與仿真[D].沈陽：東北大學，2008.

[3]高小娟.柴油機電控共軌系統的控制技術[D].大連：大連理工大學，2005.

[4]田雨.柴油機電液調速技術研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2010.