小型汽油機智能化電子調速系統研究

陳寶華

（婁底職業技術學院，湖南 婁底 417000）

小型汽油機智能化電子調速系統研究

陳寶華

（婁底職業技術學院，湖南 婁底 417000）

隨著小型汽油機在農業機械上的廣泛應用，對其調速性能的要求也在不斷提高。為了滿足和提高小型農用動力機械設備的綜合技術性能，在小型汽油機上逐步推廣使用數字電子調速系統。文章分析了汽油機電子調速器的動態特性，并設計采用了自適應數字PID控制系統，根據汽油機調速過渡過程的要求，設計了一套智能化速度變量調整系統，以全面優化電子調速器的動態響應特性，在提高時調速率值的同時，能及時自動修正超調量，縮短穩態定速時間。試驗結果證實：該電子調速系統的綜合調速能力優，超調量自適應修正能力強，瞬時定速穩態性能好，整機結構簡單成本低，具有較強的推廣和應用價值。

電子調速系統；小型汽油機；智能調速器；專家自適應PID

一般中小型內燃機主要采用機械式調速器，大功率柴油機多采用液壓調速器，都是通過飛塊所產生的離心力隨轉速變化的特性來控制齒條的位移，進而控制供油量，使內燃機的轉速在一定時間范圍內達到穩定，從而達到調速的目的。而電子調速器的主要功能是將必要的信息全部轉換成電信號并進行運算后產生的。因此，對電子調速器的輸入和輸出，使用電壓、電流或觸點的信號就可以了。這樣它容易和外部的控制裝置進行轉換連接。另外，運算全部由軟件操作控制，電路本身也標準化了。因此，電子調速器取代機械調速器是必然的發展趨勢。由于汽油機負荷時常發生變化，導致轉速產生很大的波動，需要調節氣門開度來穩定汽油機的轉速，所以必須在汽油機上安裝調速器。現在，汽油機上的調速使用的是機械式調速器，它存在穩態、瞬時調速性能較差、穩定時間較長等缺點。在對汽油機轉速進行調節的整個動態過程中，當實際轉速與設定轉速存在偏差時，此時超調量都很大，這樣要依靠軟件來實現各項調節和控制功能，可以實現更高精度的控制。在負載時常變化的情況下，通過改變汽油機節氣門的開度，能夠使汽油機的轉速穩定在設定的某個轉速范圍內，其瞬時和穩定調速率都有了很大地提高，穩定時間大大降低。電子調速器主要解決執行器、控制軟件、抗干擾等問題。數字式電子調速器能夠大幅提高內燃機的自動控制精度和調速性能，因此開發數字化多功能調速器已成為調速器技術發展的方向之一。

文章分析了汽油機動態過渡過程中，如何提高電子調速器的動態性能及其控制精度，并以AT89C51單片機為核心的數字控制系統；采用專家自適應PID自動控制算法，獲得了在汽油機負荷變化的過渡過程中，汽油機轉速的變化量與節氣門調節量之間的控制關系。通過實驗表明，該電子調速器的瞬時調速能力良好，穩定時間短，整個電子調速器結構簡單，成本較低，具有較強的推廣和應用價值。

1 汽油機轉速調節的動態分析

汽油機轉矩T與負載阻轉矩Tload的差值決定汽油機轉速的變化情況。當負載發生變化，汽油機的穩定工況遭到破壞時，將引起汽油機—能耗裝置的轉速發生變化。汽油機轉速變化的快慢，不僅和汽油機轉矩T與負載阻轉矩Tload的差值有關，還取決于包括能耗裝置在內的汽油機運動件轉化到汽油機曲軸旋轉中心的當量慣性矩J，視能耗裝置不同，當量慣性矩J的值也不同，但一般來說，當量慣性矩都比較大。

圖1 汽油機突卸負荷轉速變化過程

可以看出，汽油機突卸負荷的轉速變化過程是一個慣性系統在階躍信號作用下的過渡過程。慣性系統是典型的一階系統。當汽油機裝調速器后，若轉速增加，調速器關小節氣門;轉速降低，開大節氣門，使汽油機轉速始終穩定在額定轉速附近，調速器會改變汽油機的過渡過程。啟動汽油機，由于轉速在上升過程中，節氣門逐漸關小，轉速上升的加速度降低，上升的幅度也大大減小。當轉速上升到最大轉速后，轉速開始下降，由子進氣速度比節氣門開度的變化滯后，轉速下降到額定轉速后還要繼續下降；當達到最小轉速時，然后再上升，上升所達到的最高轉速小于上一次的最高轉速，汽油機的轉速經過幾次這樣的波動之后，在設定的轉速范圍內穩定下來。

由此可見，有調速器的汽油機過渡過程不再是一個一階系統的過渡過程，而是在原慣性環節上又加上了一個欠阻尼二階環節的階躍信號時間響應。汽油機的動態過渡過程中，動態特性主要是考查瞬時調速率δt、穩定調速率δs占：以及過渡穩定時間Ts。

2 汽油機調速系統的自適應PID控制

汽油機電子調速系統是一個典型的閉環反饋系統，其組成框圖如2所示。

圖2 閉環反饋系統框圖

雖然汽油機調速系統的轉速變化與節氣門開度的增量之間不是一個線性關系，但它是一個單輸入——單輸出恒值調節系統，即在自動控制系統的工作過程中，轉速在設定值的附近進行變動。所以，可以將該非線性系統假設為近似線性系統，根據汽油機轉速變化的特點應用經典控制理論來進行控制。在汽油機轉速變化的整個動態過程中，調速系統總的來說可以看作慣性系統和欠阻尼二階系統的疊加。理論和實踐均證明，在連續控制系統中，對象為一階和二階慣性環節或同時帶有滯后時間不大的滯后環節時，PID控制是一種比較好的控制方法。

根據以上分析，選用數字PID控制實際運行經驗和理論分析都表明，數字PID控制能滿足相當多工業對象的控制要求，至今仍是一種應用最廣泛的控制算法。

（1）專家自適應PID控制算法。常規PID算法可能導致的問題：當偏差較大時，需要將增益Kc設置較大，系統反應較快，但水位接近設定時，系統達到穩態時，可能出現振蕩，如果將增益Kc調小，系統負載加大時，變頻器反應又不夠迅速。在這里可以引入專家PID算法。

專家PID算法從偏差e和偏差變化Δe這兩個基本的控制量出發，構建系統知識庫，同樣en=SPn-PVn（給定值-反饋值），Δen=en-en-1；（第n時刻的偏差變化值，也就是偏差變化趨勢的判斷），emin為最小允許偏差；emax為最大允許偏差。

當|en|≥emax時，說明偏差的絕對值已經比較大了，不論誤差往什么方向變化，都應該加快響應速度，應取較大增益Kc值。同時為了防止積分飽和，避免系統響應出現超調，應該去掉積分作用。

當emin≤|en|＜emax，且en*Δe＞0時，說明偏差的絕對值在朝增大的趨勢發展，應盡量使系統響應超調減小，應該取較小的積分值，增益Kc的大小要適中，以保證響應速度。

當emin≤|en|＜emax，且en*Δe=0時，說明偏差為某一常值，未發生變化，應增加小的控制量，取較小的增益Kc值和積分值。

當emin≤|en|＜emax，且en*Δe＜0時，說明偏差絕對值在朝減小的趨勢變化，應適當減少控制量，應取更小的Kc值，同時為了防止出現再次超調，應去掉積分作用。

當|en|＜emax時，說明偏差已經較小，已達到允許范圍，為之系統具有良好的穩態性能，應取Kc=0。

對控制規律進行分段處理后，在給定值與反饋實際值的偏差比較大時，系統能以較快的速度平緩控制輸出使反饋實際值向給定值靠近，在偏差很小系統接近穩定時，系統又不會因為太大慣性而引起振蕩，從而提高了系統的穩定性。

（2）智能調速控制系統的穩定性分析。不同的能耗裝置有不同的速度——阻轉矩特性，由于汽油機的速度特性是隨著轉速的上升而轉矩下降，汽油機調速系統具有很好的自定性。只要專家PID數字控制的參數取得合適，控制系統就能夠穩定運行。

影響穩定性的參數主要有兩個：其一是比例控制系數Kp，Kp過大會使轉速忽高忽低，造成系統不穩定；另一個影響穩定性的參數是采樣周期T，過長的轉速采樣周期會使控制器的響應變慢，因而使控制滯后，這同樣會引起轉速控制的超調量增加和系統的不穩定。一般來說，微機控制系統是既含有連續量又含有離散量的混合系統，在此處，汽油機的轉速是連續量，微機所接受的轉速信號以及對執行機構的控制等都是離散量。離散系統及混合系統的穩定性不如連續系統的穩定性好，而轉速負反饋只是在離散的采樣瞬間才接通，所以，采樣周期越短，越接近連續系統，系統的穩定性越好。

采樣周期受到CPU工作時鐘、執行機構的動態響應、采樣時間等限制，并且，由于汽油機的工作特點，轉速具有瞬時波動性，過短的采樣時間反而不能反映其轉速。

3 智能電子調速系統設計

汽油機電子調速系統的工作原理為：轉速采樣系統獲取當前的轉速信號，對信號進行數字化處理后送給數字控制器，數字控制器根據控制算法程序進行輸出控制計算，執行機構根據此計算結果驅動執行器，從而達到對汽油機節氣門的控制，對汽油機的轉速進行調節。電子調速器組成框圖如圖3所示。

圖3 數字式電子調速器系統組成框圖

電子調速器是由數字控制、轉速采樣、執行驅動和執行器等四部分組成。汽油機的輸出轉速是連續量，而數字控制器所接受的轉速信號以及對執行機構的控制等都是離散量。

數字控制器主要完成調節汽油機的轉速和控制計算，它是數字式電子調速器的核心部分。根據系統的控制要求，對汽油機的轉速進行控制，控制算法是由程序來實現的，控制算法以及相應的控制程序決定了控制的效果。轉速采樣要求穩定可靠，采樣的周期越短，包括汽油機在內的整個系統越接近于連續系統，轉速也就越穩定。汽油機具有周期性工作的特點，即使在穩定工作時，不同的曲軸轉角，汽油機的瞬時轉速也不盡相同。因此，過短的采樣時間反而不能準確反映汽油機的轉速。

執行器是調速器實現其功能的關鍵部分，執行器的性能直接影響調速器的控制效果，要求執行器的慣性較小，動態反應快。

4 智能電子調速系統實驗與分析

基于上述控制系統思路，采用AT89C51單片機，設計了一套智能調速系統，同時汽車機工作轉速3000r/min，輸出功率8kW，負載為4kW發電機。對此智能調速系統進行了突加和突卸負載實驗。具體過程是：當汽油機處于空載穩定工況時，發電機突加負載4kW，測取汽油機轉速變化的情況，待汽油機轉速穩定后，再突然卸去全部負載，同時又測取汽油機突卸時轉速的變化，從而得到系統突加和突卸時動態調速特性圖，如圖4所示。多次測量，平均結果如表1所示：

圖4 汽油機突加4kW負荷的過渡過程

表1 突加負荷及突減負荷結果

（1）突加負荷。當汽油機處于空載運行，突然增加全部負荷時，此時汽油機的轉速下降很快。當轉速變當汽油機處于空載運行，突然增加全部負荷時，此時汽油機的轉速下降很快。當轉速變化率很大且遠離平衡點的趨勢時，立即調用大調節子程序。當轉速得到控制時，就可以進行正常的PDI調節。所以專家自適應PID方案能夠在很短的時間內使系統無振蕩地過渡到穩定狀態，同時也最大限度地降低了瞬時調速率。

（2）突卸負荷。突然卸去汽油機的全部負荷時，汽油機的轉速驟然上升，呈現“飛車”的趨勢。在這種工作過程中，汽油機轉速的變化快慢及加速度變化可以忽略不計，PID調節器的積分項和微分項可以近似為零，只有比例項在起作用，產生較大的超調量，這時必須調用大調節子程序，使轉速的最大值降至3200r/min以下，就可以滿足線性化假設的條件，開始進入分段專家PID調節，調用相應的小調節子程序，使系統平穩地過渡到穩定狀態。

5 結論

針對汽油機突加負荷動態過程的試驗進行分析,由突加和突卸負荷汽油機動態特性的試驗數據可以得出，選擇合適的控制參數，是提高電子式調速器動態特性的重要方面，并能有效改善汽油機的調速性能。由此可知，數字式電子調速器完全適用與小排量的通用汽油機，與機械式調速器相比具有更好的動態調速性能，其瞬時調速率和穩定時間都有很大地提高，均滿足國家行業規定的調速標準。本次試驗對汽油機數字式電子調速器的動態特性進行分析與研究，是一項具有實用價值的創新。此電子調速器依靠控制軟件來實現調節和控制功能，瞬時調速率、穩定轉速、穩定調速率等都可用程序來進行控制，具有很強的通用性和功能擴展能力。

［1］陳燕慧，劉峰.汽油機數字式電子調速器自適應控制動態特性的研究［J］.山東內燃機，2004，（5）：12-14.

［2］郭軍華，張敏，羅挺，等.小型汽油機調速系統建模與仿真研究［J］.計算機仿真，2005，（3）：74-77.

［3］陳國英，廖憲彪.中小功率汽油發電機數字式電子調速器的設計［J］.木工機床，2005，（3）：25-29.

［4］陳國英.FUZZY-PID控制在中小功率汽油發電機電子調速器中的應用［J］.木工機床，2006，（4）：22-25.

［5］田雅賓，鄭勝國，裴鋒.汽油發電機組電子調速器研究［J］.移動電源與車輛，2006，（2）：1-4.

［6］胡明江，楊鐵皂，徐斌，等.柴油機電子調速器的研究現狀及發展趨勢［J］.河南科技大學學報（自然科學版），2003，（4）：44-47.

［7］劉凱.柴油機電子調速器嵌入式控制系統研究與開發［D］.武漢：華中科技大學，2005.

［8］郭軍華，羅挺，王維俊.小型汽油發電機組智能式電子調速系統方案設計［J］.后勤工程學院學報，2004，（1）：33-35.

Research on Intelligent Electronic Speed Control System for Sm all Gasoline Engine

CHEN Bao-hua
（Loudi Vocational and Technical College，Loudi，Hunan 417000，China）

With the extensive application of small gasoline engine in agricultural machinery，the requirement of speed performance is also increasing.In order to meet and improve the comprehensive technical performance of small agricultural power machinery and equipment，digital electronic speed control system is widely promoted in the small gasoline engine.This paper analyzes the dynamic characteristics of gasoline engine electronic governor，and designs an adaptive digital PID control system.According to the requirements of the speed regulation process of gasoline engine，a set of intelligent speed variable adjustment system is designed tooptimize theelectronic governorofthedynamic response characteristics，while improving the rate of speed and automatically correcting theovershootin time toshorten thesteady-state fixed speed time.Theexperimentalresultsshow thattheintegrated speed control system has the advantages of excellent integrated speed，excellent overshoot adaptability，good instantaneous steady-state steady-stateperformance,simpleand low costofthewholestructure，whichhasstrongpromotionand applicationvalue.

electronic speed control system；small gasoline engine；intelligent governor；expert adaptive PID

TK423

A

2095-980X（2017）06-0062-03

2016-06-14

陳寶華（1973-），男，湖南漣源人，碩士，講師，主要研究方向：農業機械化與數控技術,電力電子及其控制技術。