柴油机调速控制原理

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。
柴油机的动态方程
❖ 根据达兰贝尔原理：
J

d
dt

M
Ml
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 M a1 n a2 q
柴油机动态方程
❖ 动态方程为：
J

dn dt

a

n

b

q

Ml
❖ 传递函数为：
H(s) b J sa
柴油机动态特性
❖ 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
❖ 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
Pe K • nm, m(1.6,3.2)
K f (d, )
负荷与柴油机的配合特性
调距桨、汽车换档的工作原理
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
M k n2
M k n2
M kn
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
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
Ts n 0.02 n
Te
Te
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α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ω时， 转过初始空程角所需的时间
，转
t1
过每个齿的时间 t2 1225，采样时间内传感器
测得的齿数为 算法符号。
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。
n n0 ns
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：
t
h | n n0 |dt
0
t t
❖ 修改判据： ht | n n0 |dt hs 时， 进入稳态
t
油量调整
❖ 基本上起着系统调速的功能：
LSG HSG RSG
汽油机发展历史 柴油机发展历史
电控结构
传感器 ECU 执行机构
结构类型 工作原理 传输技术 量化原理 结构 控制策略
实现技术
汽油机策略 柴油机策略
嵌入式设计 实时操作系统 RCP/HILS
汽油机系统 柴油机系统
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。
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
m

f loorT
，t1 在此，floor[]为取整
t2

测频法误差
t

2
125

floor (T


)
125 2

❖ 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；
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
❖ 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
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
2

n3 n1 nb
1

n2 nb
n1
n2' n1'
n
nmax nm
nm
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
❖ 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。
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
❖ 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：
m
d2x dt 2

c
dx dt

Fp
(x

x0
)

A
2
Fp

K

A 2
x
❖ 油泵特性：
q an2 bn z cn d z e
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。
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：
J

d
dt

M
Ml
❖ 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。
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。
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
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，
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。
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
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。
❖ 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：
内燃机电子控制
柴油机喷油控制原理
本课程的结构
发动机特性 负载特性
提前角 共轨压力
EGR 喷油模式
发动机模型 控制器设计 控制性能分析
排放原理 排放特性 各系统的特性
百度文库
动力特性 能控型参数
自控分析 排放性能及控制
柴油机控制
共轨蓄压 HEUI
高压共轨
汽油机系统 柴油机系统
典 型 系 统 /原 理
电控
电控起源