一种柴油机控制系统软件设计

一种柴油机控制系统软件设计

发表时间：2018-06-06T11:51:08.107Z 来源：《知识-力量》2018年5月上作者：屈磊杜晓辉付政郁岩张腾威

[导读] 柴油机控制系统是保证柴油机安全运行的重要系统之一。该系统控制着柴油机各种运行状况，实时监测柴油机的各种运行数据，对于柴油机的正常运转有着重要意义。

（拖拉机动力系统国家重点试验室洛阳拖拉机研究所有限公司，河南洛阳 471039）

摘要：柴油机控制系统是保证柴油机安全运行的重要系统之一。该系统控制着柴油机各种运行状况，实时监测柴油机的各种运行数据，对于柴油机的正常运转有着重要意义。柴油机控制系统通过人工操作输入需求的信号，通过调速器对柴油机运行工况进行直接或间接控制，保证柴油机满足工作要求。本文通过C#语言进行编写代码，实现柴油机控制系统故障仿真软件的正常运行，该故障仿真软件的结果与实测数据吻合，对于以后的软件仿真分析有着重要意义。

关键词：柴油机；控制系统；软件设计

1.柴油机控制系统的组成、原理、作用

如图1所示，柴油机的控制系统由手柄、调速器及控制单元，传动机构等组成，手柄将目标转速发送到调速器，调速器将目标转速和调速器所采集到的转速反馈信号进行比较，并作为控制调速器的控制输入信号控制燃油齿条并作用在喷油泵的调节齿条上。

2.GUI设计

该界面的设计是遵循协议书的规范和拖拉机驾驶室操纵平台。

在该界面中，包含的button控件，主要是模拟拖拉机（车钟）实现档位的变化，自动半自动模式的切换，转速螺距的微调和返回主菜单的命令。Teechart控件主要是通过档位选择之后，显示转速、螺距、燃油齿条和功率的相应变化，呈现的曲线能直观反应柴油的各项运行数据。三个仪表盘是模拟了转速表、功率表和螺距表，给人以真实的感觉，同时也能呈现柴油机运行的各种状态。其中还有一个红色的报警灯，此报警灯将会在不能正常启动，不能操作手柄时发出红色警报，提醒操作人员违规操作。在界面的设计上，根据需求，我们采用的分辨率为1680*1050，FORM的背景颜色控制为深灰色，FORM控制为全屏无框显示。在控制系统界面中，控件大小为186*50，按钮字体要求为微软雅黑，15pt，注释文字设置为微软雅黑，12pt。

3.控件的设计

柴油机控制系统主要包含了以下的控件：

（1）Button控件：Button控件是由System.Windows.Form.Button类提供的，该控件最常用就是编写处理按钮的Click事件代码。

在该系统中，Button包括进退档的按钮、自动半自动的按钮、螺距转速的加减按钮、返回主菜单按钮等；

（2）PictureBox控件：PictureBox控件作用为显示图片内容，是由System.Windows.Form.PictureBox类提供的。

在该系统中，PictureBox控件包括档位两边显示白色红色的方框、功率所对应的的图形、主机转速所对应的图形、燃油齿条所对应的的图形、螺距所对应的图形、报警灯；

（3）Label控件：Label控件是由bel类提供的，用来提供其他控件的描述文字。

在该系统中，Label控件包括各种文字说明；

（4）Teechart控件：TeeChartProActiveX是西班牙Steema SL公司开发的图表类控件。

在该系统中，Teechart控件包括波形图表；

（5）表控件：表控件是由此软件开发者通过CSharp自主设计的表类控件。

在该系统中，表控件包括：转速表、功率表、螺距表；

a. 转速表

b. 功率表

c. 螺距表

a. tachometer

b. Power table

c. Pitch table

图1 表控件

Fig.1 Table control

4.数学模型的设计与应用

4.1 PID控制原理：

在柴油机控制系统中，手柄将目标转速发送到调速器，调速器将目标转速和调速器所采集到的转速反馈信号进行比较，并作为控制调速器的控制输入信号控制燃油齿条并作用在喷油泵的调节齿条上，完成这一步骤最常用的控制规律为PID控制。常规PID控制系统框图如图5所示。系统由模拟PID控制器和被控对象组成。

作为一种线性控制器，它根据设定值yset(t)和实际输出值y(t)构成控制偏差e(t)，将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量u(t)。对被控对象进行控制。

比例环节：比例作用的引入是为了及时成比例地反映控制系统的偏差信号e(t)，以最快速度产生控制作用，使偏差向减小的方向变化。随着比例系数Kp的增大，稳态误差在减小；同时动态性能变差，振荡比较严重，超调量增大。

积分环节：积分作用的引入主要是为了保证实际输出值y(t)在稳态时对设定值yset(t)的无静差跟踪。积分环节作用的强弱取决于积分时间常数界Ti。Ti增大，系统超调量变小，相应速度变慢。但是过小的会加剧系统振荡，甚至使系统变得不稳定。

微分环节：增加系统微分环节，主要作用是提高系统的相应速度，同时减少系统超调量，抵消系统惯性环节的相位滞后导致的不良影响，改善了系统的稳定性。Td偏大或偏小，都会使超调量增大，调整时间加长。由于该环节所产生的控制量与信号变化速率有关，对于信号变化缓慢或无变化的系统，微分环节不起作用。

4.2 PID算法在CSharp中的设计

//增量PID具体算法

public double IncrementPID(double setemp, double acltemp)

{ pid_d.SetTemp = setemp;

pid_d.ActualTemp = acltemp;

pid_d.ActualTemp = acltemp * IncPIDdu +

(acltemp * Coldwateratio + 30 * (1 - Coldwateratio)) * (1 - IncPIDdu);

pid_d.err = pid_d.SetTemp - pid_d.ActualTemp;

IncPIDdu += pid_d.kp * (pid_d.err - pid_d.error_1) +

pid_d.ki * pid_d.err + pid_d.kd * (pid_d.err - 2 * pid_d.error_1 + pid_d.error_2);

if (IncPIDdu>= 1.0001)

IncPIDdu = 1;

if (IncPIDdu<= -0.0001)

IncPIDdu = 0;

pid_d.error_2 = pid_d.error_1;

pid_d.error_1 = pid_d.err;

returnpid_d.ActualTemp;}

4.3 柴油机控制系统建模

柴油机控制系统建模符合控制规律，主要参数设置依据实船参数资料进行参考、建模；其中，机桨的控制分为自动控制和半自动控制两种。

自动控制：用转速加、转速减、螺距加、螺距减触发式控制DE、CPP的调速和调距。

自动控制：按照连控曲线，设计到正常控制和换向控制两种模式。

该联控曲线描述的是手柄档位、轴系转速、螺距间的对应关系，其中主机转速与轴系转速间齿轮箱的变比为12:1。

5.仿真功能的设计

在本系统中，在完成所有准备工作后（包括压缩空气系统，启动系统，燃油系统，滑油系统，冷却水系统等），使用者选择合适按钮和车钟命令后，系统将按照对应的命令进行运行，图表控件将显示对应的曲线、功率、转速等，如图7所示。

主要仿真功能为：

1.手柄操作与主机负荷相适应；

2.仿真系统里的被控对象柴油机能够作为陪练器，同步响应手柄操作；

3.模拟气缸停排功能（在空车和低负荷状态时，停排装置使B排气缸的喷油泵供油状态为零，从而停止B排气缸工作。从而使工作的气缸提高了负荷，改善了空车燃烧状态，减少了由于有不充分燃烧的嫩料而形成的滑油稀释现象，并且降低了排气量；

4.控制系统可对主机工况进行设置（具有负荷限制、加速率限制、和恶劣海况模式等）；

5.负荷限值：根据负荷控制功能表里的主机转速及燃油齿条位置绘制负荷限制曲线，超出需降螺距至0；

6.加速率限制：

在自动模式下：柴油机从进一到进三加减螺距，最大96%，每档约10S到位；柴油机从进四到进六加减速，每档约20秒到位。直接从进一拉进六时间累计90S。

在紧急推进模式下：可以直接拉倒车，柴油机瞬时直接回到空车，螺距约30秒变为倒车螺距。

6.结论

本文总结分析了柴油机控制系统的原理与结构，并先通过CorelDRAW软件制作设备及仪表图形，然后通过C#语言进行编写代码，实现柴油机控制系统故障仿真软件的正常运行，该故障仿真软件的结果是与实测数据相吻合，对于以后的软件仿真分析有着重要意义。参考文献

[1]翁泽民. 船舶柴油机故障诊断仿真系统研究[J]，计算机仿真，2000，17(6):48-50.

[2]徐恒达. 船舶柴油机故障分析诊断系统[D]，大连理工大学，2015.

[3]李伯成. 嵌入式系统可靠性设计［M］，北京电子工业出版社，2006.

作者简介：屈磊（1988年—），男，河南洛阳人，助理工程师，主要从事发动机排放标定及发动机动力性能优化。