位控式船用柴油机电控喷油系统的控制模型与策略研究

赵春生+朱新河

摘 要：位控式电控喷油系统，即保留了传统船用柴油机的喷射系统，又保留了传统柴油机的机械传动机构，比如喷油泵中的齿条、滑套、柱塞上的控制斜槽等机构，与传统柴油机相比，在喷油泵上，位控式船用柴油机增加了传感器、执行器和微处理器，这些自动化元器件所组成的位控系统，分别调节与控制柴油机喷油泵的喷油量和喷油定时。

关键词：位控式 电控 模型与策略

1.引言

随着智能柴油机的快速发展，首先发展起来的电控喷油系统是位置控制式，这种位置控制式已广泛应用于现代智能柴油机直列式喷油泵与分配泵。在设计方面，位控式电控喷油系统，即保留了传统船用柴油机的喷射系统，又保留了传统柴油机的机械传动机构，由于位控式船用柴油机电控喷油系统是在传统柴油机系统上进行改进的，所以说在技术开发上相对来说就比较容易，在资金上投入少，也降低了运营成本。

本文从三个方面论述位置控制式船用柴油机电控喷油系统的控制模型与控制策略的建立与选择。

2.柴油机的数学模型

Tg～带负载情况下的船用柴油机自稳系数，指柴油机调速器失灵时，柴油机自动平衡的能力；

kη～柴油机特性系数，表征喷油泵齿杆的每单位行程引起Md变化的大小；

kI～柴油机阻力矩系数，表征柴油机Mc变化的大小。

式（1-10）为柴油机的运动方程。不仅柴油机的结构复杂，除此之外，柴油机的工作过程还受到进气系统、排气系统、冷却系统、增压系统等诸多因素的影响。在实际管理过程中，一般用不到这么复杂的数学模型，来分析柴油机工作过程。主要分析影响柴油机工作过程的重要因素，对式（1-10）还需进一步简化。

柴油机的阻力矩Mc可以简单用下式表示：

柴油机传递函数式（1-15），是由达朗贝尔原理推出的，是一阶惯性环节，在柴油机工作过程中，从柴油机的喷油泵齿杆位置改变到柴油机发出相应的输出转矩Md，有一个时间上的滞后过程，对柴油机来说，这一滞后过程形成一个纯滞后环节。纯滞后环节的传递函数为

3.控制策略的选择

对于柴油机控制系统，其基本功能是控制喷油量，实现对柴油机转速的控制。因此，控制算法的速度，齿轮杆双闭环控制。该控制算法的控制原理是杠杆和齿轮转速与变速杆为控制目标的双闭环的控制内循环，调节PID控制器实现对柴油机喷油量的控制；柴油机的转速为控制目标的外环PI控制器调整发动机的转速。最终获得的柴油机调速系统的动力学模型如图1所示。该位移传感器，可以认为是一个比例环节的传递函数，通过Kf1表示；速度传感器也可以被看作是一个比例环节，通过Kf2表示；Up是油门位置信号；MC是外部干扰信号。

4.控制算法的研究与改进

直列泵控制齿条位移的基本功能是调整柴油机转速，柴油机燃油喷射系统的位置控制本质上就是所谓的“电子调速器”。柴油机的调速器早期开发的是模拟式电子调速器。在20世纪90年代，柴油机技术人员开始研究一种新型数字式电子调速器，与传统模拟电子调速器的主要不同在于控制器不再使用模拟电子元器件，而是使用计算机微处理器，能够对一些集成电路芯片进行数字处理。它是将模拟开关输入量转换成数字量进行输出，然后通过数字控制将控制量计算出来，这是模拟式电子调速器难以实现的。

对于智能柴油机来说，不论是在理论方面，还是在控制方面，一种新型的智能控制方法—模糊控制，他与传统的控制方法有很大的区别，在实际工作中，那些比较复杂的数学模型，有时也可以通过一些简化方式得到。由于在简化过程中，受到主管人员的主观因素和客观因素的影响，如果控制模型简化不当，那么该模型就失去了其实际意义。然而，如果采用模糊控制方法，就能达到良好的控制效果。

模糊控制是用来控制个人的经验转化为控制规则的模糊条件语句，模糊集理论来量化语言变量，然后用隶属函数的方法，利用模糊推理系统的实时输入状态，不同的語言变量的模糊输入变量，会产生相应的控制决策，再经过后模糊化，可以得到精确的控制量。许多柴油机生产厂家，就将模糊控制原理应用于柴油机数字调速控制，来改善柴油机的调速性能，如图2所示。

5.结束语

通过大量的实验证明，PID的模糊控制与传统控制相比较，具有很多的优点：

（1）控制方法简单。对数学模型的要求不高，只要主管人员用日常用语来描述输入量、输出量和推理规则，与人的思维比较接近，模糊控制在软件设计和调试上比传统PID控制简单，

因此，在复杂的柴油机系统上应有广泛的应用前景，

（2）程序短、需要的存储器少、速度快。模糊PID 控制与传统PID控制相比，在操作程序上比较短，存储大量数据，需要的存储器少，实验工作量也小的多，并且执行速度快。

（3）适用性比较强。组成模糊逻辑的规则即是相互独立的，又是相互关联的，迷糊规则的输出量是多条规则的合集，如果某一条规则出现了故障，其它的规则可以对其进行相应的补偿。即使受到机舱的恶劣环境温度和外界风浪的影响，模糊规则也能够使柴油机保持正常工作，因此模糊PID控制系统具有适用性强的优点。

（本论文为江苏省高等职业院校教师专业带头人高端研修（个人访学研修），编号2016GRFX015；2016年度高校哲学社会科学研究资助项目（2016SJB880063）。）

参考文献：

[1]赵春生.船用柴油机共轨式电控燃油喷射技术应用研究[D].大连：大连海事大学，2014.

[2]童开军.柴油机电控系统的控制算法与仿真[D].沈阳：东北大学，2008.

[3]高小娟.柴油机电控共轨系统的控制技术[D].大连：大连理工大学，2005.

[4]田雨.柴油机电液调速技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2010.