柴油机调速控制原理

内燃机电子控制 柴油机喷油控制原理 本课程的结构 柴油机电控 电控使结构变得复杂 成本远高于机械控制系统 该技术的生命力取决于其带来的性能改善程度 柴油机的问题有 冷起动性能 NOx排放 PM排放 控制游车 怠速控制 全工况优化 涡轮增压控制等等 电控的处理方式 针对各种工况处理相应的参数或附属装置 冷起动性能 增大喷油提前角 电热塞等等NOx排放 EGR 减小喷油提前角等PM排放 增大喷油压力 低速时 控制游车 采用稳定性较高的控制算法怠速控制 根据水温等条件搜寻经济点全工况优化 标定涡轮增压控制 根据发动机工况改变喷嘴环参数 喷油控制 柴油机电控当中最核心的内容是喷油控制 它又可分为两个控制内容 喷油量控制和喷油时刻控制 前者是对发动机转速和负荷的响应 后者是为了满足经济性和排放法规进行的控制 电控喷油量控制逻辑结构 喷油量控制的特点 基本喷油量 燃油限制 油量调整 综合处理 基本喷油量 根据工况查表确定全制式调速模式确定带故障运行模式怠速运行模式其他模式由工况判断模块对当前工况进行判定 然后选择相应的基本喷油量模式 根据工况点查表模式 实质上是由油门直接控制喷油量 即调负荷的方法 以车用机为例 在喷油量直接受控于油门时 发动机转速的大小是由操作员掌握的 由人的经验来决定油门的大小 工况查表模式 燃油量是油门和发动机转速的函数函数形式以遍历性表格形式给出非标定工况点按照邻近标定工况的数据插值给出表格数据采取试验方法标定得到表格中的数据可在一定条件下进行修改 全制式调速模式 油门直接控制转速 就是说 油门信号代表了目标转速信号 供油量的多少由调速控制算法决定 这种模式的好处在于速度稳定 易操作 但是操作员对发动机的负荷缺少直观把握 全制式调速模式 工作区域相对于查表法具有可调整性油门踏板位置对应于目标转速控制信号具备累进式速度控制和通讯调节速度控制功能 全制式调速特点 由双PID或多PID控制器组成调速控制器对输入项采取滤波和微分处理采取同步控制对于输出量有超前滞后补偿具有多组增益设定值调速控制逻辑可重新设定具备稳态误差控制和加速误差控制功能 带故障运行模式 主要用于部分非重要的传感器或其他机构失效的情况下 属于根据工况点查表模式一类 但是没有优化的修正值 怠速模式 一种点工况 但是要根据具体的环境参数进行修正 喷油的两种主要模式 油门踏板信号对发动机的动力参数提出要求 在一般机械式控制的发动机的工作中 油门踏板都是给出目标供油量 在电控柴油机的控制中 可以沿用这种控制方案 在此称为方案A 也可以设计另一种方案 油门踏板给出目标转速 在此称为方案B 一般来说 两种方案的区别仅限于喷油控制方面 举例说明A 方案A 方案A接受转速信号和目标供油量信号 油门踏板信号 当目标供油量信号发生变化时 输出工况判别结果dyn1 请求系统处于目标过渡模式 并清除当前的目标转速 当目标供油量信号不发生变化时 判断转速是否稳定 如果转速稳定 则输出工况判别结果stable 将当前稳定转速设定为目标转速并输出 请求系统进入稳态工况 如果转速不稳定 则输出工况判别结果dyn2 请求系统处于动态调速模式 举例说明B 方案B 方案B接受转速信号和目标转速信号 油门踏板信号 通过比较实际转速与目标转速 判断系统处于稳态或动态 并将判别信号输出到工作模式编码模块进行处理 两者的区别 方案A与方案B在工作模式上的区别在于 A将动态模式细分为目标过渡模式和动态调速模式两个子模式 B则未加以细化 工况判断 从系统设计的柴油机工作模式来看 需要作出两个基本判断 发动机是否处于启动工况 发动机的转速是否稳定 启动工况的判定根据输入的启动开关信号和实际转速信号来判断柴油机应处于启动工况还是常规工况 拧下点火钥匙 启动开关 发出启动信号 转速到一定值后启动信号关闭 稳态工况判断 稳态工况判别模块接受转速信号n和目标转速信号no 油门踏板信号 通过比较实际转速与目标转速 判断系统处于稳态或动态 在目标转速已知的情况下 发动机转速稳定与否的判别需要定量化的判据 1 进入动态的判据 稳态下转速是一个稳定在目标转速附近的值 它可能有波动 其波动范围取决于动态控制模块的稳态误差指标 所以一旦目标转速与实际转速之差超出了临界值ns 由实机试验确定 即进入动态工况 2 进入稳态的判据 模拟的调速过程如图 将转速误差对时间的积累效应作为判别标准 修改判据 时 进入稳态 油量调整 基本上起着系统调速的功能 LSGHSGRSG 调速控制 全制式调速或两极式调速都基本上采用了PID控制方式 调速特点都是外部负荷发生突变 或者目标转速发生变化两种情况 电控系统所需要的转速 一般而言的转速测量是对柴油机在一段时间内转过的角度进行平均 但是柴油机在调速过程中的时间一般为2 7秒 因此 长时间段内的平均转速定义不能用于柴油机控制 此外 每一循环内柴油机的转速也有变化 循环内的转速变化对柴油机调速的控制也不适用 一般而言 应采取短时间内的平均转速作为定义 时间段短较精确 相对于调速过程的时间长度 根据Nyquist采样定理可以考虑取0 2秒或0 1秒内的平均转速 转速的测频法定义方式 或者采用柴油机曲轴旋转一圈或两圈的时间倒数 转速的测周法定义方式 作为控制用转速定义 转速的测定 柴油机的转速测定是控制的基础 测量方法有很重要的影响 测周法测频法 转速测量示意图 测频法误差分析 定义图中的角度 为初始空程转角 设定柴油机的飞轮为125齿 所以初始空程角的范围是 0 0 05rad 在采样时间为T 发动机转速为 时 转过初始空程角所需的时间 转过每个齿的时间 采样时间内传感器测得的齿数为 在此 floor 为取整算法符号 测频法误差 初始空程角为0 采样长度为0 2毫秒时 测量值和实际转速之间的误差与发动机转速之间的关系 转速为1300r min 采样长度为0 2毫秒时 测量误差与初始空程角之间的关系 转速为1300r min 初始空程角为0 03rad时 测量误差与采样长度之间的关系 测频法误差特点 可以看到 测频法的误差与采样长度有着密切的关系 同时 测频法用于柴油机转速测量有两个缺点 在采样周期内 出现的脉冲有可能有一个计时脉冲的差异 低速时一个计时脉冲导致的误差明显增大 瞬时转速对发动机转速测量造成影响无法消除 测周法 柴油机转速的测周法是测量柴油机曲轴转动一周或两周的时间 其时间测量精度取决于测量脉冲的基频 例如 测周法采用的基频为50kHz 测量一周时 其测量值和实际值之间可能存在一个计数脉冲的差异引起的误差 测周法误差 测周法误差分析 柴油机一个工作循环的瞬时转速波动受缸数的影响 由于柴油机的发火间隔是均匀的 所以发动机曲轴旋转一整圈的时间是瞬时转速的波动周期的整数倍 因此 瞬时转速造成的误差被前后抵销了 所以 测周法不存在初始空程角的影响 瞬时转速的影响也可忽略 发动机的转速测量方法 目前 采用测周法的发动机电控系统较多 但是一般不采用一转测一次周期 而是在转速测量的装置上设计一个定角度的装置 测定转过该曲轴转角的时间 以此计算 PID控制原理 PID控制是比例 积分 微分控制方法的简称 PID控制的实质是一个三维空间的搜索问题 可采取的方法有试探搜索法经验公式法目前结合其它控制方法 又提出了模糊PID 神经网络PID 自适应PID等多种先进PID方法 内燃机速度特性曲线 柴油机与汽油机扭矩的速度特性 内燃机与工作机械匹配 负载特性 负荷与柴油机的配合特性 调距桨 汽车换档的工作原理 调速器工作原理 调速过程 柴油机动态性能指标 1 稳定调速率2 瞬时调速率3 不灵敏度4 转速波动率 机械式调速器结构 机械式调速器静力分析 作为自控系统的柴油机 柴油机动态方程调速器动态方程柴油机系统稳定性柴油机系统动态特性柴油机系统的分析假设前提 柴油机的动态方程 根据达兰贝尔原理 柴油机扭矩的速度特性 扭矩与速度的关系比较复杂 为简单起见 近似为线性 柴油机动态方程 动态方程为 传递函数为 柴油机动态特性 引入控制器后的柴油机特性 负载的动力特性 船用负载车用机负载发电机负载 带负载的柴油机动态特性 柴油机自身是一个稳定性较弱或不稳的的系统 但是带负载的柴油机系统由于引入了负载的动力特性 使得整体的动态稳定特性有较大改善 调速器设计 以柴油机的传递函数为目标采用经典控制方法设计控制器方程设计机械式结构满足控制器方程要求 机械式调速系统 机械式调速器方程 油泵特性 机械调速柴油机调速过程 调速设计的假设及误差 柴油机动力特性的线性假设调速器特性的线性假设油泵特性的线性假设 柴油机线性假设的误差 柴油机系统的动态特性 从试验结果可以看到 柴油机的机械式调速存在着超调量较大 静态误差明显的特点 并且 这种特点在不同调速工况的表现程度也不同 动态特征分析 柴油机的动力特性是非线性的 在设计 分析简化时采用了简单线性化的方法 造成了一定误差 并且这种误差在柴油机传递函数上影响较大 飞锤式机械调速器的稳定性系数Fp是一个变量 随着转速和负荷会发生一定变化 因此 严格意义上机械式调速器也是一个非线性系统 机械式调速器是一个不包含0极点的二阶系统 所以整个发动机系统是一个0型控制系统 即使设计为1型控制系统 在偏离设计点时 由于非线性因素影响 仍会变成0型系统 在调速过程中不可避免地存在着稳态误差 改善调速特性的方法 在高速区采用一种调速方程 在低速区采用另一种调速方程 采用非线性方法研究调速方程 柴油机动态特性方程 柴油机转速的变化直接取决于其动力扭矩M和负载扭矩Ml的差值 根据达兰贝尔原理 其基本运动方程为 输出扭矩M是柴油机动态过程中的扭矩 考虑到动态过程可理解为一个准静态过程 以柴油机稳态下的扭矩特性代替动态过程的扭矩特性 柴油机的输出扭矩M的特性在稳态下可由实验获得 柴油机输出扭矩的特性 在讨论柴油机动态特性的文献中 一般是将柴油机某一平衡工况附近的扭矩与转速 喷油量的关系近似为线性处理 这种方法在某一点附近近似程度较好 但是在较大范围内将柴油机动力特性进行线性近似 误差较大 负荷特性下的平均有效压力特点 在柴油机转速不变的情况下 可以将平均有效压力与循环喷油量之间的关系认为是线性的 动力特性的多项式表达 将拟合直线的斜率和截距均与转速关联 发现这两者可以转速的二次多项式形式表述 也就是说 采取多项式拟合的方法 其动力特性可以表述成如下所述的多项式形式 采取多项式拟合后的动力特性误差 柴油机动力特性非线性方程 柴油机动力特性的非线性拟合在精度上能够反映出柴油机的动力性能特点 同时也便于进行控制器设计上述表达中 实际上是认为扭矩与转速 喷油量的关系是非线性的 柴油机动力特性的非线性特征 柴油机动力特性方程是一个典型的多项式类非线性微分方程 可以采用非线性频域分析的方法对其非线性特征进行讨论 以确定本研究对象的非线性程度 以及适于采用何种方法进行线性化处理 非线性系统的增益特性 非线性系统的特点是不能满足叠加原理 这就造成了与线性系统的诸多区别 在系统增益方面 线性系统的增益只与输入信号的频率相关 与各频率下的信号幅值无关 线性系统在某个特定频率上的响应 不受施加于系统的其他频率信号的影响 非线性系统的增益既与输入信号的频率相关 又与信号幅值相关 变增益特性 非线性系统对某个频率的正弦响应 可能随着对系统施加另一频率的信号而被改正 从而表现为系统增益的变化 增益互抑特性 因此 研究柴油机模型的增益特性可以考察系统的非线性特征 柴油机系统的变增益特性 柴油机系统的增益互抑特性 随机的考虑 1 2Hz 2 4Hz 3 6Hz三种频率的响应互抑特性 三个分量中的任意两项之间的互抑特性 1与 2 G1 2 t 1 1 0803 h1 1 1与 3 G1 3 t 3 3 052 h1 3 2与 3 G2 3 t 2 1 0001 h1 2 可以看到 在三个分量之间均存在着互抑特性 其中以2Hz频率分量对其它分量的抑制 激励 作用最强 柴油机系统的非线性特性 柴油机系统的动态特性在较大幅度的信号输入情况下变增益特性和频率互抑特性等非线性特征均比较明显 因此不适于采用简单的近似线性化处理 需采用适当方法进行线性补偿 非线性控制器设计 柴油机的动态特性分析表明 柴油机是一个非线性系统 其调速控制器设计若采用线性化设计 则会存在以下几个问题 控制器设计时 参数的选择在很大程度上要采用试凑法 这要求有实际的电控柴油机作为被控对象 在实机条件下进行控制器参数调整 稳态误差 动态特性参数会随着调速的幅度 工况点的变化以及调速路径的变化而发生改变 设计出的控制系统性能无法确切分析 设计的控制器需要进行确切的数学分析 因此 采用非线性设计方案 非线性控制器设计思路 采用微分几何反馈线性化方法设计系统的线性化补偿器 对线性化补偿后的系统进行局部特性的调整 分析系统的控制性能 对控制系统进行离散化 并分析离散化后的系统性能 反馈线性化 采用反馈线性化方法得到的线性补偿器在柴油机的实际工作中 存在着燃烧循环变动等偶然因素 将这些和建模误差等因素都归结为干扰量 设计出鲁棒性较好的控制器 柴油机动态控制结构 系统的稳定裕度 幅值裕度为无穷大相位裕度为90度 系统的离散化 在系统离散化过程中 采样频率起着十分重要的作用 系统不能保证它的采样离散系统一定是稳定的 采样频率过低会使一个稳定的连续系统不稳定 因此 采样要遵循采样理论并保持原系统的基本特征 采样频率 在柴油机的动态过程控制中 主要反馈信号是转速信号 在确定转速采样频率时应考虑以下因素 转速采样频率限制计算机的计算量和控制工作量控制系统的稳定性 离散系统的性能 离散系统的差分方程及其动态性能与转速采样频率有着密切联系 合理选择转速采样频率对系统性能有着重要影响取采样频率为5Hz 离散系统的稳定裕量 幅值裕量 2 34dB相位裕量 64o 调速性能仿真 柴油机系统的调速功能是衡量柴油机动态性能的标志之一 针对柴油机非线性特点设计的非线性控制器的性能能否满足要求 应该进行仿真计算 仿真模块中的柴油机模型 为了模拟柴油机燃烧的循环变动 柴油机扭矩模型中加入了一个0 85 1之间变动的随