位控式船用柴油機(jī)電控噴油系統(tǒng)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(tǒng)，即保留了傳統(tǒng)船用柴油機(jī)的噴射系統(tǒng)，又保留了傳統(tǒng)柴油機(jī)的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，比如噴油泵中的齒條、滑套、柱塞上的控制斜槽等機(jī)構(gòu)，與傳統(tǒng)柴油機(jī)相比，在噴油泵上，位控式船用柴油機(jī)增加了傳感器、執(zhí)行器和微處理器，這些自動(dòng)化元器件所組成的位控系統(tǒng)，分別調(diào)節(jié)與控制柴油機(jī)噴油泵的噴油量和噴油定時(shí)。

關(guān)鍵詞：位控式 電控 模型與策略

1.引言

隨著智能柴油機(jī)的快速發(fā)展，首先發(fā)展起來的電控噴油系統(tǒng)是位置控制式，這種位置控制式已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代智能柴油機(jī)直列式噴油泵與分配泵。在設(shè)計(jì)方面，位控式電控噴油系統(tǒng)，即保留了傳統(tǒng)船用柴油機(jī)的噴射系統(tǒng)，又保留了傳統(tǒng)柴油機(jī)的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，由于位控式船用柴油機(jī)電控噴油系統(tǒng)是在傳統(tǒng)柴油機(jī)系統(tǒng)上進(jìn)行改進(jìn)的，所以說在技術(shù)開發(fā)上相對(duì)來說就比較容易，在資金上投入少，也降低了運(yùn)營(yíng)成本。

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

2.柴油機(jī)的數(shù)學(xué)模型

Tg～帶負(fù)載情況下的船用柴油機(jī)自穩(wěn)系數(shù)，指柴油機(jī)調(diào)速器失靈時(shí)，柴油機(jī)自動(dòng)平衡的能力；

kη～柴油機(jī)特性系數(shù)，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(jī)阻力矩系數(shù)，表征柴油機(jī)Mc變化的大小。

式（1-10）為柴油機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程。不僅柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，除此之外，柴油機(jī)的工作過程還受到進(jìn)氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)等諸多因素的影響。在實(shí)際管理過程中，一般用不到這么復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，來分析柴油機(jī)工作過程。主要分析影響柴油機(jī)工作過程的重要因素，對(duì)式（1-10）還需進(jìn)一步簡(jiǎn)化。

柴油機(jī)的阻力矩Mc可以簡(jiǎn)單用下式表示：

柴油機(jī)傳遞函數(shù)式（1-15），是由達(dá)朗貝爾原理推出的，是一階慣性環(huán)節(jié)，在柴油機(jī)工作過程中，從柴油機(jī)的噴油泵齒桿位置改變到柴油機(jī)發(fā)出相應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩Md，有一個(gè)時(shí)間上的滯后過程，對(duì)柴油機(jī)來說，這一滯后過程形成一個(gè)純滯后環(huán)節(jié)。純滯后環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為

3.控制策略的選擇

對(duì)于柴油機(jī)控制系統(tǒng)，其基本功能是控制噴油量，實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。因此，控制算法的速度，齒輪桿雙閉環(huán)控制。該控制算法的控制原理是杠桿和齒輪轉(zhuǎn)速與變速桿為控制目標(biāo)的雙閉環(huán)的控制內(nèi)循環(huán)，調(diào)節(jié)PID控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油機(jī)噴油量的控制；柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速為控制目標(biāo)的外環(huán)PI控制器調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。最終獲得的柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型如圖1所示。該位移傳感器，可以認(rèn)為是一個(gè)比例環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，通過Kf1表示；速度傳感器也可以被看作是一個(gè)比例環(huán)節(jié)，通過Kf2表示；Up是油門位置信號(hào)；MC是外部干擾信號(hào)。

4.控制算法的研究與改進(jìn)

直列泵控制齒條位移的基本功能是調(diào)整柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)的位置控制本質(zhì)上就是所謂的“電子調(diào)速器”。柴油機(jī)的調(diào)速器早期開發(fā)的是模擬式電子調(diào)速器。在20世紀(jì)90年代，柴油機(jī)技術(shù)人員開始研究一種新型數(shù)字式電子調(diào)速器，與傳統(tǒng)模擬電子調(diào)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(jì)算機(jī)微處理器，能夠?qū)σ恍┘呻娐沸酒M(jìn)行數(shù)字處理。它是將模擬開關(guān)輸入量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量進(jìn)行輸出，然后通過數(shù)字控制將控制量計(jì)算出來，這是模擬式電子調(diào)速器難以實(shí)現(xiàn)的。

對(duì)于智能柴油機(jī)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(tǒng)的控制方法有很大的區(qū)別，在實(shí)際工作中，那些比較復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，有時(shí)也可以通過一些簡(jiǎn)化方式得到。由于在簡(jiǎn)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(jiǎn)化不當(dāng)，那么該模型就失去了其實(shí)際意義。然而，如果采用模糊控制方法，就能達(dá)到良好的控制效果。

模糊控制是用來控制個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為控制規(guī)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(shù)的方法，利用模糊推理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)輸入狀態(tài)，不同的語言變量的模糊輸入變量，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的控制決策，再經(jīng)過后模糊化，可以得到精確的控制量。許多柴油機(jī)生產(chǎn)廠家，就將模糊控制原理應(yīng)用于柴油機(jī)數(shù)字調(diào)速控制，來改善柴油機(jī)的調(diào)速性能，如圖2所示。

5.結(jié)束語

通過大量的實(shí)驗(yàn)證明，PID的模糊控制與傳統(tǒng)控制相比較，具有很多的優(yōu)點(diǎn)：

（1）控制方法簡(jiǎn)單。對(duì)數(shù)學(xué)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(guī)則，與人的思維比較接近，模糊控制在軟件設(shè)計(jì)和調(diào)試上比傳統(tǒng)PID控制簡(jiǎn)單，

因此，在復(fù)雜的柴油機(jī)系統(tǒng)上應(yīng)有廣泛的應(yīng)用前景，

（2）程序短、需要的存儲(chǔ)器少、速度快。模糊PID 控制與傳統(tǒng)PID控制相比，在操作程序上比較短，存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)，需要的存儲(chǔ)器少，實(shí)驗(yàn)工作量也小的多，并且執(zhí)行速度快。

（3）適用性比較強(qiáng)。組成模糊邏輯的規(guī)則即是相互獨(dú)立的，又是相互關(guān)聯(lián)的，迷糊規(guī)則的輸出量是多條規(guī)則的合集，如果某一條規(guī)則出現(xiàn)了故障，其它的規(guī)則可以對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償。即使受到機(jī)艙的惡劣環(huán)境溫度和外界風(fēng)浪的影響，模糊規(guī)則也能夠使柴油機(jī)保持正常工作，因此模糊PID控制系統(tǒng)具有適用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

（本論文為江蘇省高等職業(yè)院校教師專業(yè)帶頭人高端研修（個(gè)人訪學(xué)研修），編號(hào)2016GRFX015；2016年度高校哲學(xué)社會(huì)科學(xué)研究資助項(xiàng)目（2016SJB880063）。）

參考文獻(xiàn)：

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