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y c 2 1 0 5 型柴油机电控调速器 模糊p i d 控制试验研究 摘要 随着计算机技术和控制技术的发展，柴油机调速系统也逐渐由机械调 速发展为电子调速，目前全世界陆续开发出各种电子调速系统，但这些系 统大都采用单一的控制技术，不能有效的克服柴油机负载变化范围大等非 线性因素的影响；同时日益严格的排放法规也给柴油机的生存提出了严峻 考验。 本文以主要研究y c 2 1 0 5 柴油机的调速器，将a 型喷油泵机械式调速 器改装为电子控制式调速器，通过e c u 电子控制调速器供油齿杆位置来改 变柴油机供油量，使柴油机在怠速、启动和标定工况下起到控制柴油机燃 油经济性和尾气排放的要求。但是柴油机的运行状态和运行参数比较容易 受外界条件的干扰，采用经典的p i d 控制很难达到满意的效果，故在分析 p i d 控制和模糊控制得基础上，吸取两种控制算法的优势，将两种控制方法 结合起来，提出一种比较完善的模糊p i d 控制算法，在m a t l a b s i m u l i n k 仿真环境下进行仿真对比，证明模糊白整定p i d 控制比常规p i d 控制的具有很好的优越性。 最后，通过柴油机台架试验结果表明：新研制的电子调速系统效果优 于机械式调速系统，柴油机的调速特性、动态特性、外特性与原机相比性 能有一定的提高。模糊p i d 控制的电子调速控制在技术上也是可行的。 关键词：柴油机电子调速器模糊p i d 控制台架试验 y c 2 1 0 5t y p ed i e s e l e n g i n e sg o v e r n o r f u z z yp i d c o n t r o l e x p e r i m e n t a ls t u d i e s a b s t r a c t w i t hc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dc o n t r o lt e c h n o l o g y , e n g i n es p e e dc o n t r o l s y s t e mh a sg r a d u a l l yd e v e l o p e db yt h em e c h a n i c a l s p e e dc o n t r o le l e c t r o n i c g o v e r n o r , c u r r e n t l yt h ew o r l dh a v ed e v e l o p e d av a r i e t yo fe l e c t r o n i cs p e e d c o n t r o ls y s t e m s ，b u tt h e s ea r em o s t l ys i n g l ec o n t r o lt e c h n o l o g y , c a n n o te f f e c t i v e t oo v e r c o m et h ee n g i n el o a dr a n g ea n dl a r g en o n l i n e a rf a c t o r s ；a n di n c r e a s i n g l y s t r i n g e n te m i s s i o n sr e g u l a t i o n sf o rd i e s e le n g i n e sb u t a l s ot h es u r v i v a lo fa s e v e r et e s t i nt h i sp a p e r , t h em a i nr e s e a r c hy c 2 10 5d i e s e le n g i n eg o v e r n o r , t h ea - t y p e f u e lp u m pm e c h a n i c a lg o v e m o rc o n v e r t e dt o e l e c 。t r o n i cc o n t r o lg o v e m o r , t h r o u g ht h ei n t e l l i g e n tc o n t r o lg e a rl e v e r t oc h a n g et h ee n g i n eo i lf u e ls u p p l y , t h e d i e s e le n g i n ea ti d l e ，s t a r tp l a yc o n t r o la n dc a l i b r a t i o nc o n d i t i o n sa n dp o w e r d i e s e le m i s s i o n sr e q u i r e m e n t s b u tt h ee n g i n er u n n i n ga n do p e r a t i n gp a r a m e t e r s m o r ev u l n e r a b l et oi n t e r f e r e n c ef r o me x t e r n a lc o n d i t i o n s ，u s i n gt h ec l a s s i cp i d c o n t r o li sd i f f i c u l tt oa c h i e v es a t i s f a c t o r yr e s u l t s ，s ot h ea n a l y s i so f p i dc o n t r o l a n df u z z yc o n t r o lw a sb a s e do nt h ea d v a n t a g e so fu s i n gt w oc o n t r o la l g o r i t h m s ， t h et w ok i n d so fc o n t r o lm e t h o d st o g e t h e r , p r e s e n tam o r ec o m p l e t ef u z z yp i d c o n t r o la l g o r i t h mi nm a t l a b s i m u l i n ks i m u l a t i o n e n v i r o n m e n tt o s i m u l a t ec o n t r a s t ，t h a tf u z z ys e l f - t u n i n gp i dc o n t r o lt h a nc o n v e n t i o n a lp i d c o n t r o lh a sag o o da d v a n t a g e f i n a l l y , t h ee n g i n eb e n c ht e s tr e s u l t ss h o w e dt h a t ：t h en e w l yd e v e l o p e d e l e c t r o n i cs p e e dc o n t r o ls y s t e mi sb e t t e rt h a nt h em e c h a n i c a ls p e e dc o n t r o l s y s t e m ，t h ee n g i n es p e e dc h a r a c t e r i s t i c s ，d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s ，e x t e r n a l c h a r a c t e r i s t i c s ，c o m p a r e d w i t ht h eo r i g i n a lm a c h i n e sh a v eap e r f o r m a n c e i m p r o v e m e n t f u z z yp i d c o n t r o le l e c t r o n i cs p e e dc o n t r o li st e c h n i c a l l yf e a s i b l e k e yw o r d $ ；d i e s e le n g i n e ；e l e c t r o n i cg o v e r n o r ；f u z z y p i dc o n t r o l ；b e n c ht e s t i i i - 西大学工程硕士学位论文y c 2 1 0 5 型柴油机电控调速器模糊p i d 控制试验研究 第一章绪论 1 1y c 2 10 5 柴油机调速器的结构及原理 调速器的作用是保持柴油机的转速稳定【l 】。根据柴油机负荷变化的变化，自动调整 喷油泵的供油量，使柴油机的输出功率与负载之间保持平衡。当转速降低时，如果没有 调速器的调节，柴油机最终将停掉；当转速升高时，如果调速器不作用，柴油机最终将 无法承受过大的离心力而损坏。因此保持柴油机的转速稳定是调速器的任务 2 】( 3 】【4 】。另 外，调速器还可以限制柴油机的最低转速和最高转速，防止低转速运转时“熄火 和高 转速运转时“飞车 造成机械损坏【5 1 【6 】。 柴油机运转时，理想的供油状态应该是供油量的大小应随发动机的转速不同而供应 不同的油量，当转速升高时，增大喷油泵的供油量，转速升高到一定程度时控制不断增 大的供油量，不至于让发动机因为获得持续不断增大的供油量而超过额定转速而造成 “飞车 ，导致发动机过热，冒黑烟，最后损坏机件。反之，当发动机转速降低时，若 没有调速器，喷油量将随发动机转速的降低而减少，最终导致发动机熄火m s l 。除此之 外，柴油机发电机组为保证发电机发出的电压稳定，也要求柴油机在规定的转速下恒定 运转，但柴油机的负荷不断发生变化，也影响柴油机转速的稳定，故为适应柴油机负荷 的变化，保证稳定的转速，在柴油机上装可靠的调速器是非常有必要的【9 】【1 0 】。 柴油机调速器的主要作用可以概括成以下几点： 1 ) 控制柴油机的最高转速，以达到防止超速运转的目的 1 q 2 ) 在预定的最低转速下保证稳定运转【l l j ； 3 ) 当外界负荷发生变化时，能起到自动调节供油量的目的，保证其在规定的转速范围 内稳定工作【1 1j 。 1 1 1y c 2 1 0 5 柴油机调速器的结构 y c 2 1 0 5 型柴油机采用的是a 型喷油泵配套的机械式r q 型两级调速器【1 2 】 1 3 1 【14 1 ，该 调速器是一种两级式机械调速器，利用飞锤产生的离心力来驱动喷油泵的调节齿杆，从 而达到改变喷油泵供油量的目的，目前应用广泛。该调速器的立体结构图如图卜l ，结 构简图如图卜2 所示【1 5 】 广西大学工程硕士掌位论文y c 2 1 0 5 型柴油机电控调速器模糊p i d 控制试验研究 图卜1r q 型两级式调速器立体结构图 f i g 1 - 1r q - t y p et w o - d i m e n s i o n a ld i a g r a mg o v e r n o r 卜供油拉杆2 一弹簧座3 一间隙补偿弹簧4 一供油齿杆5 一调整螺母6 一调速弹簧7 一飞锤8 一角杠 杆9 一调速套筒1 0 - 导向轴1 1 - 导向挡块1 2 - 摆动杆1 3 一滑块1 4 一调速杠杆1 5 一调速手柄 6 图1 - 2 两极式调速器结构简图 f i g 1 - 2s t r u c t u r a ld i a g r a mo ft h eb i p o l a rt y p eg o v e r n o r 1 支承盘2 滑动盘3 飞球4 谓速杠杆5 拉杆6 操纵杆7 低速弹簧 8 高速弹簧9 弹簧滑套1 0 球面顶块11 调节齿仟 飞锤总成装配在喷油泵凸轮轴上，当喷油泵工作时，在弹簧力和飞锤总成所产生的 离心力的轴向分力两个力的作用下，丁字块和调速套筒产生轴向位移，丁字块的移动推 动支架转动，支架部件由连接轴和空心轴套组成，支架两端分别连着拉杆，调速器内上 2 厂。酉大学工程硕士学位论文y c 2 1 0 5 型柴油机电控调速器模糊p i d 控制试验研究 端的拉杆齿杆连接在一起，下端拉杆下部装有一滑块，滑块在拨叉下槽中滑动，当操作 员将油门操纵手柄放置在任何一个位置时都会使支架转动，支架的转动又带动上下拉杆 的运动，拉杆的运动使油量调节齿杆发生位移，当支撑杆工作时，拨叉销就带动拨叉绕 曲柄偏心轮转动，调速弹簧的一端挂在支撑杆上部的小孔中，另一端挂在弹簧臂上，调 速螺钉顶压弹簧臂，旋进或旋出调速螺钉可改变调速弹簧的预紧力。在支撑杆的下部安 装了怠速和校正装置，稳速装置安装在调速器后壳内并与油量调节齿杆处在同一轴线 上，稳速装置可有效避免柴油机由于突然增大负荷而引起死机。 r q 型两级调速器有两种齿杆行程控制方式，一种是人为控制，即在中速范围内通过 油门操纵手柄进行控制；另一种是自动控制，即在怠速弹簧和高速弹簧作用下的控制，。 低速自动控制时支撑杆不动，高速自动控制时支撑杆移动并带动其他杠杆转动。 1 1 2y c 2 1 0 5 柴油机调速器的控制原理 y c 2 1 0 5 型柴油机使用的是两级调速器，该调速器通过人工控制齿杆位置来控制油 量，在柴油机怠速和高速运转时起作用，当柴油机突然卸载和加载时起到防止飞车和防 止柴油机转速急下降的目的，该类型的调速器广泛应用于小型柴油机上。图卜3 为两级 式机械式调速器结构图，它通过外围的弱弹簧和内里的强弹簧的弹力来调节驱动机构。 当调速器起低速稳定作用时，飞锤的离心力只克服弱弹簧的弹力来驱动调油机构，里面 的强弹簧开始作用，是在柴油机的转速逐渐提高后，由于里面的强弹簧受较大的预紧力 作用，虽然转速在继续增加但在标定范围内，此时调速器不起作用，直到转速超标后， 飞锤的离心力克服强弹簧较大的预紧力和弱弹簧弹力后，调速器起到极限调速的作用n 踟 1 9 图i - 3 两级式机械调速器结构图 f i g 1 3p r i n c i p l eo fw r o ko ft w op o l a rm e c h a n i c a ls p e e dg o v e r n o r 广西大学工程硕士学位论文y c 2 1 0 5 型柴油机电控调速器模糊p i d 控制试验研究 1 1 3y c 2 1 0 5 柴油机a 型泵r q 两级调速器各工况的调速过程 1 起动工况 y c 2 1 0 5 的r q 两级调速器启动工况时工作原理如图1 - 4 所示。将操作手柄推到调速 器的启动位置，启动柴油机，这时喷油泵凸轮轴的转速很低，飞锤总成所产生的离心力 的轴向分力很小，支撑杆在调速弹簧的拉力作用下，其下端紧靠行程调节螺钉。怠速顶 杆在怠速弹簧的作用下伸出支撑杆下平面一段距离。在启动弹簧拉力作用下，把油量调 节齿杆拉到调速器的启动加浓位置，以供给柴油机启动时所需的最大供油量，旨在加浓 混合气，以利柴油机低温起动啪3 。柴油机启动后转速迅速上升，飞锤所产生的离心力的 轴向分力也迅速增大并克服启动弹簧的拉力，使启动弹簧拉动油量调节齿杆向减油的方 向移动，在柴油机转速迅速升高到一定转速时，怠速弹簧开始起作用口0 | 。 盆 母 够心 图卜4 启动工况工作原理图 f i g 1 - 4s c h e m a t i cs t a r tw o r k i n gc o n d i t i o n s 2 怠速工况 柴油机启动后，将调速手柄从启动加浓位置推置怠速位置，此时，调速器内部的拨 叉也转过一定的角度并推动油量调节齿杆向减油的方向移动一段距离，使得喷油泵的供 油量明显下降，柴油机便进入到怠速运转状态。柴油机在怠速范围内运转时，飞锤总成 所产生的离心力较小，与怠速弹簧力处于平衡状态，当油量调节齿杆的位置保持不变时， 柴油机就会在怠速状态下稳定地运转。若柴油机的转速发生变化时，飞锤所产生的离心 力的轴向分力也会随着柴油机转速的变化而变化，并通过调速器内部机构传给油量调节 齿杆与调节喷油泵的供油量，使柴油机回到怠速工作状态瞳0 | 。， 广西大学工程硕士掌位论文y c 21 0 5 型柴油机电控调速器模糊p i d 控制试验研究 图卜5 怠速工况工作原理图 f i g 1 - 5o p e r a t i n gp r i n c i p l ei d l i n gc o n d i t i o n 3 部分负荷工况 将调速手柄从怠速位置移至中速位置，供油量调节齿杆处于部分负荷供油位置，柴 油机转速较高，飞锤进一步外移直到飞锤底部与内弹簧座接触为止。柴油机在中等转速 范围内工作时，飞锤的离心力不足以克服怠速弹簧和高速弹簧的共同作用力，飞锤始终 紧靠在内弹簧座上而不能移动，即调速器在中等转速范围内不起调节供油量的作用。但 此时驾驶员可根据汽车行驶的需要改变调速手柄的位置，使调速杠杆以其下端的铰接点 为支点转动，并拉动供油量调节齿杆增加或减少供油量，如图l 一6 所示。 蕾舟量 4 全负荷工况 图1 - 6 部分负荷工况工作原理图 f i g 1 - 6w o r k sp a r t - l o a dc o n d i t i o n sc h a r t 广西大学工程硕士学位论文 y c 2 1 0 5 型柴油机电控调速器模糊p i d 控制试验研究 将调速手柄置于最高速挡块上，供油量调节齿杆相应地移至全负荷供油位置，柴油 机转速由中速升高到最高速。此时，飞锤的离心力相应增大，并克服全部调速弹簧的作 用力，使飞锤连同内弹簧座一起向外移到一个新的位置。如：若柴油机的转速超过设定的 最高转速，则飞锤的离心力便超过调速弹簧的作用力，使供油量调节齿杆向减油方向移 动，从而防止了柴油机超速。 图卜7 全负荷工况工作原理图 f i g 1 - 7f u l l l o a dc o n d i t i o n so p e r a t i n gp r i n c i p l e 5 停车 将调速手柄置于停车挡块上，调速杠杆以其下端的铰接点为支点向左摆动，并带动 供油量调节齿杆向左移到停油位置，柴油机停车，调速器飞锤在调速弹簧的作用下抵靠 在安装飞锤的轴套上。 1 2y 0 2 10 5 柴油机调速器在车用发动机上应用的缺陷 随着科学技术的飞速发展，柴油机作为一种原动力机器，广泛应用于各行各业。而 柴油机运行控制中做好转速调节尤为重要。本课题以y c 2 1 0 5 型柴油机为研究对象，将 研究对象采用的机械调速器改制为电控调速器。由于y c 2 1 0 5 型采用的机械调速器利用 的是弹簧力与离心力之间的不平衡作用来达到对油量调节齿杆的控制来改变供油量达 到调速目的，正是由于这种由接卸构件来实现测量和控制误差过大，不可避免的存在惯 性滞后、摩擦阻力大等缺点，难以实现复杂动着的调节和控制，降耗减排等要求更无法 满足。 1 3 柴油机电子调速器工作原理 广西大掌工程砸士学位论文 y c 2 1 0 5 戤柴油机电控调速器模糊p i d 控制试验研究 柴油机的稳定运行是建立在输出力矩与外界负荷力矩相平衡的基础上的【2 ”。而柴油 机的转速易受负荷的影响而发生变化，因为其输出扭矩相对转速变化适应系数较低。故 负荷发生较大变化时，柴油机可能飞车或熄火，故柴油机必须使用稳定可靠的调速系统。 如当柴油机负荷突卸时，转速增加，调速系统应减少供油，反之同理。柴油机调速系统 包括传感器、控制器及驱动器等装置。组成图如图i - 8 所示： 图1 8 柴油机调速系统不意图 f i g 1 - 8d i e s e le n g i n es p e e dc o n t r o ls y s t e mc o m p o n e n t sd i a g r a m 电子调速器工作原理：转速传感器检测转速信号，并将信号发送到e c u 中，e c u 将 接收到的信号与原设定值进行比较，计算出检测值与设定值之间的偏差值；然后e c u 根 据偏差值和预设的控制规则，经计算后发出控制命令到调节机构；最后通过调节喷油齿 杆位置达到供油量调整的目的，保障柴油机稳定运转【2 4 1 。如图卜9 所示。 图1 - 9 电子调速器工作原理图 f i g 1 - 9e l e c t r o n i cg o v e r n o rw o r k i n gp r i n c i p l ed i a g r a m 1 4y 0 2 10 5 柴油机电控调速器控制策略 柴油机电控喷油技术主要有：位置控制式电控直列泵技术、脉动式时间分配泵技术、 高压共轨喷油系统技术【2 5 1 。其中脉动式时间分配泵具有轻质量、小体积、使用方便的特 点，目前在小型柴油机应用较多【2 5 1 。但这种脉动式时间分配泵喷油压力低，满足不了不 广西大学工程硕士学位论文 y c 2 1 0 5 裂柴油机电控调速器模糊p i d 控制试验研究 断严格的排放要求；高压共轨式喷油系统喷油压力可达至l j l 2 0 - - - 1 6 0 m p a ，虽然可已控制 燃油喷射压力，喷油速率也能柔性控制，排放方面也可以达到欧3 、欧4 排放要求，但这 种喷射系统不适用于小功率柴油机上，因为其成本相对较高【2 引。 为了在小型农用柴油机上实现电控燃油供给，本次试验通过改进位置控制式直列 泵，达到柴油机节能减排的目的。试验以y c 2 1 0 5 型柴油机为研究基础，进行电控直列 泵模糊p i d 控制试验研究【2 ”。 y c 2 1 0 5 技术参数如表1 1 所示【2 8 】。本次试验主要通过模糊p i d 控制基本喷油量、启 动喷油量以及怠速转速等三个方面。 表1 1y c 2 1 0 5 型柴油机技术参数 t a b l e1 - 1 y c 2 1 0 5 t e c h n o l o g yp a r a m e t e ro f d i e s e le n g i n e 名称规格 机型直列水冷四行程 燃烧室型式直喷式 气缸套型式湿式 进气形式自然吸气 气缸数目 2 气缸直径 1 0 5 m m 压缩比 1 6 5 ：1 活塞行程 1 2 0 r a m 活塞总排量 2 0 7 8 l 标定转速 2 4 0 0 r m i n 标定功率 2 8 k w 最大扭矩转速 1 8 0 0r l m i n 最大扭矩 1 3 0 n m 最低空车转速 7 5 0r r a i n 最高空车转速 2 6 9 0r m i n 机油燃油消耗比o 8 排气温度 6 5 0 排气烟度 4 5 f s n 噪声 】1 0 d b 活塞平均速度 9 6 m s 曲轴旋转方向 逆时针 工作顺序 1 也 润滑方式 压力飞溅混合式 整机净质量 2 8 0 k g 冷却方式强制水冷闭式循环 起动方式1 2 v 电起动 外形尺寸( 长宽高) ( r a m ) 6 9 6 6 9 2 x 8 3 6 广西大掌工程取士掌位论文 y c 210 5 型柴油机电控调速器模糊p i d 控制试验研究 1 4 1 柴油机基本喷油量的控制 不同的发动机要求不同的转矩特性。为了得到不同的转矩特性通常是通过控制喷油 量来实现的。柴油机基本喷油量控制图如图1 1 0 所示。将传感器获得的油门踏板位置和 转速大小传送至e c u ，e c u 根据信号传感器传递过来的油门信号和转速信号来确定喷油 量，并将传感器检测到的进气压力、温度等信号传至e c u ，e c u 据此计算出相应的目标 齿杆位置r w r ；然后将r w r 与齿实测的r w 进行比较，输出按两者之差对应比例的驱动电 流i 。到执行机构中，执行机构按i 。的大小，调整齿杆位置将喷油量q 。喷射到发动机中。 图1 1 0 基本喷油量控制框图 f i g 1 - 10t h ec o n t r o lo fb a s i ci n je c t i o nq u a n t i t y 1 4 2 柴油机起动喷油量控制 1 ) 根据加速踏板位置和发动机转速决定基本喷油量，冷却液温度其他条件等决定 补偿喷油量，比较两者的关系之后控制启动喷油量。刚启动发动机时，转速非常低且转 速的波动大，此时e c u 不按传感器检测到的空气流量作为喷油量的计算依据，而是按预 定的程序来决定喷油量。在起动喷油控制程序中，为确保发动机顺利起动，e c u 综合考 虑水温、进气温度、起动转速等信号计算出固定喷油量【2 9 】。 启动喷油量公式：q = 口+ 口 ( 1 2 ) 一叫 一r7 式中口一基本喷油量口一修正喷油量 e c u 半i 断柴油机是否处于启动工况是根据启动开关状态、怠速开关状态及转速信号 三个条件来判断；然后在基本启动喷油量控制模型中根据转速信号和怠速开关状态， 计算出该工况下的基本喷油量口；最后根据传感器检测到的冷却液温度自动修正启动喷 油量，获得修正喷油量a 口。启动喷油量控制原理如1 - 1 1 所示。 柴油机启动后，当转速咒，。 n 。舯时，启动工况解除，进入其它控制状态。 广西大学工程硕士学位论文 y c 2 1 0 5 型柴油机电控调速器模糊p i d 控制试验研究 图1 1 1 启动喷油量控制原理图 f i g 1 - 11 s t a r t 向e 1i n j e c t i o nv o l u m ec o n 拄o ls c h 黜a t i c 1 4 3 柴油机怠速控制系统 不踩加速踏板时的空转运行被称为怠速运转。 柴油机怠速控制系统由怠速开关、空调开关等部件组成。怠速开关一般设置在油门 踏板最大位置处，踩下油门踏板后怠速开关断开。如图1 1 2 所示为怠速转速控制原理框 图。首先进行柴油机怠速状态判定：e c u 根据传感器检测到的怠速开关信号和转速信号 判断柴油机所处状态是否为怠速状态；第二步确定目标怠速转速：根据检测到的温度信 号和空调开关信号计算目标怠速转速；第三步比较转速：将目标转速与检测到的实际转 速进行比较，并得出要达到目标怠速转速所需的喷油量；第四步进行喷油控制：通过控 制调整机构，达到对怠速转速的有效控制。 油门踏板传感厂r 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一j 图1 1 2 怠速转速控制原理 f i g 1 12i d l es p e e dc o n w o lb l o c kd i a g r 姗 一l o - 广西大学工程硕士学位论文 y c 21 0 5 型柴油机电控调遣器模糊p i d 控制试验研究 1 ) 怠速转速的控制 为了节能，通常在保证稳定运行的条件下，较低的怠速转速经济性更好些，但不管 什么情况下，设定的怠速要保证在加负荷时，不会因转速下降太多造成运行不稳定或者 停机等现象，如汽车怠速起步时，有时会出现点头现象，这主要是怠速转速太低造成的， 因为怠速起步加油过程有一定的响应时间，而汽车起步对发动机加载却是瞬时产生的， 故两者会出现不协调现象，故起步又加油时，汽车忽停忽动，出现点头现象，但怠速过 高会导致油耗的增加降低柴油机的燃油经济性，故对怠速转速进行控制，使怠速转速稳 定在原设定的目标转速范围。故怠速转速控制的任务就是实时修正怠速转速偏移目标转 速的偏差量，或突现负载时加大怠速转速的控制过程，最终目的就是提高柴油机的燃油 经济性。 2 ) 怠速控制的方法 怠速控制的最终目的就是提高柴油机的燃油经济性，在这个过程中通过e c u 控制怠 速喷油量来适应柴油机的运行状态。如图1 1 3 为怠速控制程序程序图。 图1 - 1 3 怠速控制程序程序图 f i g 1 - 13 p r o c e d u r ef o ri d l es p e e dc o n t r o lc h a r t 广西大学工程硕士学位论文y c 2 1 0 5 型柴油机电控调速器模糊p i d 控制试验研究 第二章y c 2 1 0 5 型柴油机电子调速器控制系统的设计 柴油机电子调速器控制系统是将电子控制技术引入到机械控制中，利用传感器检测 机械运动，将检测到的信息传送到计算机中，经计算机得到能够实现预期运动的控制信 号，并驱动执行元件，使柴油机电控系统更加灵活、柔性、智能。 柴油机电控系统组成如图2 - 1 所示。其中电控单元接收传感器检测到的信号，并依 据预先设置的控制策略，将控制命令发送至执行器，执行器根据控制器发来的命令控制 喷油泵齿条位置，达到控制喷油量的目的。其结构图如图2 2 所示。 传 电 执喷发 感 控 行 油 动 苴 器 器泵机 兀 图2 , 1 柴油机电控系统组成图 f i g 2 - 1d i e s e le n g i n e ss y s t e mc o m p o s i t i o nf i g u r e 传感器柴油机 i 薷曾禁羹| _ _ 一 一1 s一1 0 s051 0 1 s b ( t ) 图2 1 0 步进电动机步数的隶属函数 f i g 2 一los t e p p e rm o t o rs t e p so f t h em e m b e r s h i pf u n c t i o n 2 2 5 模糊控制清晰化 由于执行机构无法识别和执行根据规则推理得到的模糊集合，因此需将模糊集合清 晰化处理，变成清晰值。中心平均法和重心法作为模糊控制清晰化常用方法。 由于中心平均法设计与计算较为简便，本次设计采用该方法，表达式为： b ，u ， 忙专百 厶一l f 如：根据隶属函数的设计，假设a s ( t ) = 0 ，a n ( t ) = 1 ，则p 零( s ( t ) ) = l ，p 零( n ( t ) ) = o 7 5 ， p 正小( i l ( t ) ) = 0 2 5 ，即齿杆位置的变化为0 ，转速变化为0 或转速变化为正小。 查表2 4 ，则得到以下两条规则： 广西大掌工程硕士掌位论文y c 2 1 0 5 型柴油机电控调速器模糊p i d 控制试验研究 1齿杆位置变化为0 、转速变化为0 ，则步进电机运转步数为零； 2 齿杆位置变化为0 ，转速变化为正小，则步进电机运转步数为负小。 即：“= x x i & f ) ( x i ) = t o 0 7 5 + 0 2 5 ( _ 4 ) 】( o 7 5 + 0 2 5 ) = - i 其输出代表值是：b = u k b = 一i 0 0 1 = 一1 0 0 ，步进电动机反转步进角1 0 0 个。 具体模糊运算过程如下图2 1 1 所示。 n 一1 5 + l _ t z ( a n ) = 1 厂+ “疆( n ) = _ o 2 5 * s 一2 _ 1 s a n - 1 0 li ：；磷_ + ；：2 黔五卦3 - 1 0 一s 巴：精掰( ( a 酬n ) 剐= - 0 册2 5 * a s s + - ； s a r r 0c o a n s 七 s n 1 5 七 “撼( n ) = _ 0 2 5 a s 撵( 出- - + 0 2 陆s + 1 船( z 垴) = - 0 2 5 a s + l 慈( 面- - + 0 2 蹄s u 嚣( m = _ 0 2 5 a s + 2 仙瓢( m - - + 0 2 睇s - i ，。 k ，s ： 篙翥：嚣要 1 5 e c u 驱 步进电机正反键 水温信号 集 动 进气压力信号一模 、 模 e g 开关信号一块 块 。 复位电路模块 卧中断电路模城 图2 。1 2e c u 结构框图 f i g 2 12b l o c kd i a g r a mo fe c u 由于电子控制是一个非常复杂的控制，需要处理各类传感器检测到的各种信息，并 发出命令到执行机构达到控制目的，故本次试验将a t 8 9 s 5 2 型单片机作为智能电控单元， 其结构如图2 1 3 所示【4 6 】。 图2 13 柴油机燃油供给控制电控单元 f i g 2 13d i e s e lf u e ls u p p l yc o n t r o le c u a t 8 9 s 5 2 单片机是a t 8 9 s 系列中的增强型产品，该单片机功耗低、性能好4 7 1 。该单 片机主要特性有几下几个方面： c p u 8 位字长，与m c s 5 1 单片机产品完全兼容； 可在线i s p 编程的8 k b 片内f l a s h 存储器； 广西大学工程硕士掌位论文 y c 2 1 0 5 型柴油机电控调速器楱糊p i d 控制试验研究 2 5 6 b 的片内数据存储器； 电压操作范围4 o v - 5 5 v ； 可编程的3 2 根i o 口线( p o p 3 ) ； 可编程定时器3 个； 双数据指针d r t r o 和d p t r l ； 具有8 个中断源和6 个中断矢量； 3 级程序锁定位。 2 4 柴油机电子调速器硬件构成 2 4 1传感器 把测得的非电信号转换成电信号就是传感器的主要作用。柴油机中传感器的功能就 是将柴油机运行工况和环境的各种信号及时的传送到e c u ，这些信号有数字信号也有模 拟信号，数字信号可以直接进入微机，经过整形、放大后通过e c u 的i o 接口进入， 模拟信号则还需要经过模数转换才能输入微机【4 8 1 。 1 ) 加速踏板位置传感器 在传统机械控制系统中，驾驶员的操控是通过杠杆把信号传递给喷油泵来控制发动 机的。采用电控系统后，加速踏板传感器采集踏板位置信号，并将该信号传输到控制器 中。在柴油机控制系统中，特别是位置控制方式，当移动或转动速度较慢时，相对平稳 运动的可以采用电位计原理的传感器，加速踏板位置传感器就是利用加速踏板位置转动 造成旋转式点位计电阻改变，产生通过电控单元的信号。该信号输入电控单元( e c u ) 后与转速信号一起决定柴油机的供油正时和具体喷油量。 本次试验选用了常州信德电器厂生产的e t p 1 型电子油门踏板，该踏板经千万次耐 久性试验及装车试验啪3 ，被证明其产品可靠、性能优越。该踏板的功能就是将加速踏板 角位移信号转换为电信号，通过e c u 达到控制油门的目的。该产品由踏板、转轴、滑 轮和底板等组成，结构如图2 1 4 所示。 广西大学工程硕士掌位论丈 y c 2 1 0 5 型柴油机电控调速器模糊p i d 控制试验研究 图2 1 4 加速踏板传感器结构图 f i g 2 1 4 a c c e l e r a t o rp e d a ls e n s o rs t r u c t u r e e t p 1 型电子油门踏板特点： 双弹簧回位； 灵敏度高，响应快； 非接触、可靠性好； 噪音小、结构紧凑。 传感器带有怠速确认开关( 用于c u m m i n s 及i v e c o 发动机) ； 2 ) 凸轮轴转速传感器 凸轮轴转速传感器是一种利用霍尔效应的磁敏传感器，把磁信号转换成电信号，这 种传感器既能测量凸轮转速还能确定凸轮轴位置，对喷油量的控制起到至关重要的作 用。 本次试验中，用以检测发动机的转速的传感器采用a 4 4 e 集成式霍尔传感器，该传 感器安装方便，性能符合本次设计，其优点主要有4 9 】： 灵敏度高； 体积小； 性能可靠； 使用寿命长； 是开关元件； 成本低。 3 ) 温度传感器 柴油机运行时，冷却液、进排气等温度都影响柴油机性能，为了保证柴油机在不同 厂西大掌工程硕士学位论文y c 2 1 0 5 型柴油机电控调速器模糊p i d 控制试验研究 工况下获得良好的性能，在水、油、气的温度变化时，用不同的温度传感器测量相应温 度，并及时反馈到控制器中，再通过执行器实施实时调整喷油量来适应各种温度的变化。 其中冷却水温度的高低可知柴油机处于热起动还是冷起动，从而达到对柴油机起动时最 大喷油量的控制，在本次试验中，控制的项目主要有启动喷油量的控制，故水温传感器 非常重要。 为测量柴油机冷却水温度，将水温传感器安装在发动机节温器出水口附近，用来检 测发动机冷却水的温度，以达到修正喷油量和喷油正时的目的【5 0 1 。 热敏电阻式温度传感器主要测量元件为封闭在壳体中的热敏电阻，通常是采用温度 系数为负值( 随电阻温度增加而降低) 的半导体材料，由于热敏电阻不仅随传感器头部 伸入被测液体中感知温度的变化，同时又通过电路插接器串联在参考电压为5 伏的测量 电路中，因此它的电阻随温度的变化特性反应在输出电压的改变上，这个变化经a d 转 换输入e c u 后，根据储存在其中的相关曲线得出测定的温度。 目前，使用最为普遍的热敏式温度传感器有n t c ( 负温度系数型) 热敏电阻和p t c ( 正 温度系数型) 热敏电阻两种。本次试验中，采用的是c a i o 温度传感器，是负温度系数n t c 型热敏电阻式温度传感器。 4 ) 供油齿杆位置传感器 喷油泵供油齿杆控制喷油量的大小，要达到准确控制喷油量，就必须要精准控制喷 油泵齿杆位置，当然调速系统就需要准确获取喷油泵齿杆位置信息，如图2 1 5 所示。 根据，本次试验选用了w d l 2 5 2 型位移传感器来获得喷油泵齿杆位置信号，该供油齿 杆的工作行程能满足本次试验需求。该位置传感器工艺简单、体积小、磨损小、成本低、 抗震性能好。当齿杆位移从0 m m 3 2 m m 变化时，其输出电压为0 - 5 v 。为消除喷油泵出 油阀、齿杆磨损、齿圈等机械磨损产生的齿杆位移变化，在安装过程中，位移传感器工 作量程选为4 - 2 4 m m ”】。 图2 1 5 循环供油量的调节 f i g 2 15a d j u s tt h ea m o u n to ff u e lc y c l e 一2 5 - 广西大学工程硕士学位谂文 y c 2 1 0 5 型柴油机电控调遣器模糊p i d 控制试验研究 5 ) 进气压力传感器 压力传感器在柴油机电控系统中应用广泛，机油压力，进气压力，高压共轨轨道 压力等多处均需用压力传感器进行测量。 发动机进气压力可反映发动机吸入空气量的情况，起到控制喷油泵的最大喷油 量，避免排气冒黑烟的作用。进气压力传感器检测的是节气门后方的进气歧管的绝对压 力，根据发动机负荷大小和转速检测出歧管内绝对压力的变化后转换成信号电压送至控 制器，控制器( e c u ) 根据此信号电压的大小，控制基本喷油量的大小。 进气压力传感器有压敏电阻式、电容式等种类，由于压敏电阻式具有响应时间快、 测量精度高、尺寸小且安装灵活等优点广泛应用。 由于安装位置有限，故在选用传感器是尽量选用检测功能更为强大的传感器，由于 进气位置需检测进气温度和进气压力，故本次试验选用了d s s - t f 型压敏电阻式传感器， 该传感器可以检测温度和压力两个信号，可以实现对进气管中的进气温度和进气压力均 可持续测量。 2 4 2 执行机构 整个调速器性能直接受到动态响应速度和精度的影响，若响应较慢，控制效果则欠 佳：但是由于柴油机具有机械惯性，因此要求调速器的响应时间小于柴油机的机械惯性 迟滞时间。 当前执行器中比例电磁铁( 线性螺丝管) 、直流力矩电动机、电液伺服器、微型直 流伺服机和步进电动机等应用较为广泛，考虑本次试验控制的场合和应用范围，采用步 进电动机作为执行机构。 2 5 控制电路设计 本次设计的柴油机电子调速器控制电路由电控单元( e c u ) 的信号输入、复位电路、 抗干扰、电源管理，输出驱动等模块组成。 2 5 1 信号输入模块 传感器是控制器的外设装置，其信号又连接插头引导到控制器，传感器信号有模拟 信号，数字信号或脉冲输入信号，这些信号经转换器或放大器进行处理后再传递到e c u 中。 在本次试验中，将喷油泵中齿杆位移传感器采集到的信号输入到a d c 0 8 0 9 的i n 0 广。西大学工程硕士学位论文 y c 2 1 0 5 型柴油机电控调速器模糊p i d 控制试验研究 通道，为达到控制步进电机的运转量的目的，e c u 将获取齿杆的位置信号准确读入后， 与喷油泵转速信号、进气压力信号、油门踏板转角信号、冷却水温度信号等进行综合 运算，得出对步进电机的控制信号。 2 5 2 复位电路模块 为避免外界电磁干扰，手动复位电路设计在电路中是非常有必要的，当外界电磁有 干扰妨碍e c u 清零寄存器，或者内部看门狗定时器未能及时清零时，可通过按下手动开 关对寄存器清零。该电路一方面可加强系统牢固性，另一方面调试和维修都较为便捷。 设计复位电路图如图2 1 6 所示 5 2 】。 v c c 2 5 3 抗干扰电路模块 j r 图2 1 6 复位电路图 f i g 2 - 1 6 t h ep r i n c i p l eo f r e s e tc i r c u i t 一个系统是否可靠，抗干扰技术是重要的保证。系统设计思想、设计方法即使正确， 但系统不具有良好的抗干扰性，那么系统会出现不稳定甚至不能运行的情况 5 3 j 。 为保证系统能可靠的工作，本次设计采用硬、软相结合的抗干扰措施。 其中硬件抗干扰主要用电源滤波技术，并在电路中采用光电耦合器进行隔离，软件 抗干扰应用看门狗技术、设置软件陷阱等措施来抗干扰5 4 】 5 5 1 。 2 5 4 电源管理模块 发动机转速变化将影响电压大小的输出。若电压不稳，系统中输入、输出信号的准 确性，系统的可靠性均不到保证故可靠稳定电源的提供是非常必要的。整个控制器 ( e c u ) 共需要两种电压： + 5 v ：e c u 及其外围芯片使用； 2 7 - 广西大学工程砸士学位论文 y c 21 0 5 型柴油机电控调速器模糊p i d 控制试验研究 + 1 2 v ：传感器电路和各功能驱动模块使用。 本次试验选用l m 2 9 3 0 5 稳压块可以给a t 8 9 s 5 2 提供高精度、高稳定性的5 v 电源， 该稳压块输入电压的范围在5 1 8 v 之间，输出电压5 士0 2 v ，符合a t 8 9 s 5 2 单片机对电 源电压要求5 6 1 。电源管理模块电路图如图2