柴油機(jī)電液調(diào)速技術(shù)分析

段　夢(mèng)，柳永亮

（德州學(xué)院，山東濟(jì)寧　253023）

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柴油機(jī)電液調(diào)速技術(shù)分析

段夢(mèng)，柳永亮

（德州學(xué)院，山東濟(jì)寧253023）

摘要：調(diào)速技術(shù)作為柴油機(jī)電控技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)，能夠起到對(duì)柴油機(jī)性能指標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確衡量的作用。從機(jī)械式調(diào)速器到現(xiàn)在的電液調(diào)速器，柴油機(jī)調(diào)速技術(shù)經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，功能逐漸豐富，自動(dòng)化水平也得以提升。通過系統(tǒng)仿真結(jié)果和柴油機(jī)調(diào)速試驗(yàn)結(jié)果得出的數(shù)據(jù)相互吻合，證明建立模型與仿真計(jì)算是科學(xué)合理的。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī)；電液調(diào)速器；負(fù)荷；仿真；控制

電子控制技術(shù)是促進(jìn)柴油機(jī)性能提升的重要方法，也是現(xiàn)階段柴油機(jī)技術(shù)發(fā)展的重要趨勢。調(diào)速技術(shù)作為柴油機(jī)電控技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)，能夠起到對(duì)柴油機(jī)性能指標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確衡量的作用。實(shí)際上，從機(jī)械式調(diào)速器到現(xiàn)在的電液調(diào)速器，柴油機(jī)調(diào)速技術(shù)經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，功能逐漸豐富，自動(dòng)化水平也得以提升。基于此，本文對(duì)有關(guān)柴油機(jī)電液調(diào)速技術(shù)進(jìn)行研究和探討，以期對(duì)于柴油機(jī)電液調(diào)速技術(shù)的推廣和應(yīng)用，起到一定的理論指導(dǎo)意義。

1　柴油機(jī)電液調(diào)速器的作用

噴油泵的速度特征為工況條件相對(duì)復(fù)雜的柴油機(jī)帶來很多麻煩，如果發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷產(chǎn)生變化，會(huì)直接導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速產(chǎn)生劇烈變化，如果負(fù)荷減小，則轉(zhuǎn)速提升，繼而造成柱塞泵循環(huán)供油量加大，反過來又導(dǎo)致轉(zhuǎn)速提升，從而造成惡性循環(huán)，導(dǎo)致“飛車”情況，對(duì)柴油機(jī)造成一定的損壞。負(fù)荷增大時(shí)情況亦然，最后造成柴油機(jī)熄火。

對(duì)于以上情況，必須要安裝一種可以按照負(fù)荷變化對(duì)供油量進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)的設(shè)備，讓柴油機(jī)始終處在穩(wěn)定可控的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。所以，柴油機(jī)為了符合使用要求，調(diào)速器是不可或缺的重要設(shè)備?？傮w而言，柴油機(jī)電液調(diào)速器的作用包括以下4個(gè)方面。

（1）避免柴油機(jī)超速運(yùn)轉(zhuǎn)，換言之就是對(duì)柴油機(jī)最高轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。

（2）確保在設(shè)置好的最低轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定可靠的運(yùn)轉(zhuǎn)。

（3）如果外界負(fù)荷出現(xiàn)變化，可以對(duì)供油量進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，確保在規(guī)定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)穩(wěn)定可靠工作。

（4）除了調(diào)速功能之外，還具備起動(dòng)功能、速度控制功能、速度設(shè)定功能、速度控制動(dòng)態(tài)、燃油限制功能等。

2　電液調(diào)速器結(jié)構(gòu)及原理分析

（1）結(jié)構(gòu)。本文以伍德沃德公司生產(chǎn)的UG- 25+調(diào)速器為例，對(duì)其結(jié)構(gòu)及原理進(jìn)行介紹。

圖1是UG- 25+調(diào)速器，是一種具有計(jì)算機(jī)控制，具有機(jī)械液壓放大功能的數(shù)字式調(diào)速器，具體包括三個(gè)部分，分別是L系列控制器、液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及用戶界面。其中，最重要也是最關(guān)鍵的是液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括：油泵、泄壓閥、旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、柱塞、動(dòng)力活塞、輸出杠桿、輸出軸、速度感應(yīng)器以及速度傳感器等。

（2）原理。這里所講述的原理指的是液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作原理，分為3個(gè)方面：①負(fù)荷或者速度設(shè)定不斷提升時(shí)，造成L系列控制器輸出軸做逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)，動(dòng)力活塞向上方移動(dòng)，帶動(dòng)輸出軸和浮動(dòng)杠桿，到達(dá)一定設(shè)定好的位置后，柱塞位置回到原位。②負(fù)荷或者速度設(shè)定不斷降低時(shí)，L系列控制器輸出軸做順時(shí)針運(yùn)動(dòng)，柱塞和動(dòng)力活塞隨之下降，使得輸出軸開始向減油方向移動(dòng)，帶動(dòng)浮動(dòng)杠桿也發(fā)生下移，繼而柱塞上移動(dòng)。如果輸出軸到達(dá)設(shè)定好的位置，柱塞位置回到原位。③控制器斷電時(shí)，輸出軸到達(dá)最小供油位，以此確保安全。斷電之后,L控制器喪失力矩，負(fù)荷彈簧使得輸出軸回到原來位置上，帶動(dòng)柱塞，控制孔被打開，油返回到油腔內(nèi)，動(dòng)力活塞發(fā)生下移，最后停留到最小供油位。

3　柴油機(jī)電液調(diào)速技術(shù)分析

柴油機(jī)模型比較多，不同模型條件下的功用也不同，從理論上對(duì)柴油機(jī)電液調(diào)速技術(shù)進(jìn)行研究，必須要針對(duì)于此用途建立專門的數(shù)學(xué)模型，同時(shí)確保準(zhǔn)確性和精確性，以此揭示柴油機(jī)在電液調(diào)速方面的變化。因此，本文首先建立相關(guān)模型，并且以仿真模型為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算，得出基于柴油機(jī)電液調(diào)速技術(shù)的PID控制策略。最后，獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也證明數(shù)學(xué)建模的準(zhǔn)確性，從而真正驗(yàn)證本文所述技術(shù)具有一定的可行性。

（1）建立模型。柴油機(jī)電液調(diào)速技術(shù)的關(guān)鍵在于液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)其液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行研究必須要先建立數(shù)學(xué)模型，一般情況下選擇傳遞函數(shù)法、狀態(tài)空間法等方法，本文選擇傳遞函數(shù)法對(duì)系統(tǒng)特性進(jìn)行研究。

首先，對(duì)液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳遞函數(shù)進(jìn)行推導(dǎo)，其中涉及到幾個(gè)基本方程，具體包括閥的線性化分析及閥系數(shù)、滑閥的流量方程、液壓缸流量連續(xù)性方程、液壓缸和負(fù)載的力平衡方程、閥開口量方程等。

閥的線形化分析：

其中，QL為負(fù)載流量，XV是閥芯位移，PL是負(fù)載壓力。

滑閥流量方程：

其中，Kq是滑閥的流量增益，KC是流量——壓力系數(shù)，PC是活塞頭端的控制壓力。

其次，建立起傳遞函數(shù)模型，以及相關(guān)仿真模型。具體是利用MATLAB仿真工具，對(duì)模型進(jìn)行分層描述，確保用戶可以準(zhǔn)確的建立計(jì)算模型，并且可以對(duì)動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)進(jìn)行直接處理。將相關(guān)參數(shù)帶入到公式中獲取閥控缸的具體工作參數(shù)：流量——壓力系數(shù)是1.12×10-11（m3/s）/Pa；液壓油有效體積彈性模量是700MPa；液壓固有頻率為200rad/s；液壓阻尼比大約為0.08。

最后得到以下系統(tǒng)仿真模型，如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)仿真模型

（2）仿真計(jì)算。液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特征是基于原本平衡條件下，向另外新的平衡條件進(jìn)行轉(zhuǎn)化的一個(gè)過程，引發(fā)動(dòng)態(tài)過程的具體原因包括兩個(gè)方面：一方面是因?yàn)閭鲃?dòng)和控制系統(tǒng)發(fā)生變化；另一方面是外界因素干擾。所以，對(duì)柴油機(jī)電液調(diào)速技術(shù)進(jìn)行研究可以概括為液壓系統(tǒng)穩(wěn)定問題和過渡品質(zhì)問題。利用仿真計(jì)算，能夠獲取液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特征。

以仿真模型為基礎(chǔ)，利用求解器實(shí)現(xiàn)仿真計(jì)算，其中要考慮幾個(gè)主要影響參數(shù)，包括阻尼比、固有頻率、流量增益、杠桿結(jié)構(gòu)參數(shù)等，在研究過程中發(fā)現(xiàn)必須要采取措施提升阻尼比和液壓固有頻率，比如對(duì)旁路泄漏進(jìn)行設(shè)置、選擇正開口閥、提升負(fù)載的粘性阻尼、降低控制腔的容積等。此外，還需要對(duì)穩(wěn)定性的影響因素進(jìn)行綜合考慮，包括結(jié)構(gòu)參數(shù)、結(jié)構(gòu)剛度、非線性因素等，去除穩(wěn)態(tài)誤差后對(duì)仿真模型進(jìn)行修正。

最后，對(duì)液壓伺服機(jī)構(gòu)的各項(xiàng)影響因素進(jìn)行充分考慮的前提下，對(duì)柴油機(jī)電液調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特征進(jìn)行仿真計(jì)算，利用調(diào)整參數(shù)組合的方法，最后得出較為理想的仿真結(jié)果。其中，液壓固有頻率是609rad/s；液壓阻尼比是0.1；伺服閥流量增益是0.830m2/s；浮動(dòng)杠桿結(jié)構(gòu)參數(shù)是0.25。

（3）控制策略分析。本文所指的控制策略分析是PID控制器，也就是按照偏差比例、積分、微分進(jìn)行控制的控制器，這是現(xiàn)階段應(yīng)用比較廣泛的控制器，其應(yīng)用使得柴油機(jī)電液調(diào)速技術(shù)取得理想控制效果?？刂葡到y(tǒng)的要求包括穩(wěn)定、精確以及快速，針對(duì)柴油機(jī)來說，快速而又穩(wěn)定是其工作要求。利用PID控制器，如果僅僅是增加快速性，則有可能失穩(wěn)；如果僅僅是提升穩(wěn)定性，那么快速性與精確性則又無法控制；而假如精確性要求降低，那么穩(wěn)定性不能控制。所以，對(duì)PID控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，成為對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化控制的關(guān)鍵。

本文選擇湊試法對(duì)PID工程參數(shù)進(jìn)行整定，詳細(xì)步驟如下所示：首先，確定整定比例部分。把積分與微分系數(shù)設(shè)置成零，提升比例系數(shù)的同時(shí)，對(duì)其響應(yīng)進(jìn)行觀察，確保系統(tǒng)的過渡過程以四比一的衰減響應(yīng)曲線呈現(xiàn)，假如系統(tǒng)的靜差不斷降低至最小允許范圍，此時(shí)得到最優(yōu)比例度；其次，增加積分環(huán)節(jié)：理論上分析，假如僅僅進(jìn)行比例控制，系統(tǒng)靜態(tài)誤差實(shí)際上無法達(dá)到要求，

必須要增加積分環(huán)節(jié)。整定過程中把比例系數(shù)降低到80%，以補(bǔ)償由于增加積分而導(dǎo)致的系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，對(duì)積分參數(shù)進(jìn)行調(diào)升。確保系統(tǒng)一定動(dòng)態(tài)性能的前提下，對(duì)靜差進(jìn)行消除。此步驟反復(fù)進(jìn)行，獲取理想效果；最后，增加微分調(diào)節(jié)的過程：以上兩步調(diào)整之后，如果系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程和理想效果存在偏差，那么增加微分環(huán)節(jié)構(gòu)成PID控制器的步驟。整定過程中，把微分系數(shù)設(shè)置成零，逐漸提升微分系數(shù)，對(duì)比例系數(shù)與微分系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，逐步獲取理想中的控制效果與控制參數(shù)。

（4）結(jié)果分析。調(diào)速器的性能會(huì)對(duì)柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定可靠產(chǎn)生直接的影響。調(diào)速器安裝完畢，在對(duì)柴油機(jī)性能進(jìn)行鑒定過程中，進(jìn)行柴油機(jī)突變負(fù)荷試驗(yàn)，利用瞬時(shí)記錄儀與轉(zhuǎn)速自動(dòng)記錄儀對(duì)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線進(jìn)行記錄，從而對(duì)調(diào)速器性能進(jìn)行分析。

因此，得出以下結(jié)論：如果柴油機(jī)處于額定轉(zhuǎn)速為1050r/min時(shí)，處于一種穩(wěn)定的工作狀態(tài)，突卸負(fù)荷狀態(tài)下其最大瞬時(shí)轉(zhuǎn)速是1100r/min，此時(shí)瞬時(shí)調(diào)速率是5.5%，穩(wěn)定時(shí)間是7.0s；突加負(fù)荷狀態(tài)下最小瞬時(shí)轉(zhuǎn)速是980r/min，此時(shí)瞬時(shí)調(diào)速率是5.8%，穩(wěn)定時(shí)間是7.5s。此結(jié)果滿足瞬時(shí)調(diào)速率不大于10%，以及穩(wěn)定時(shí)間不大于10s的調(diào)速系統(tǒng)指標(biāo)要求。

4　結(jié)語

系統(tǒng)仿真結(jié)果和柴油機(jī)調(diào)速試驗(yàn)結(jié)果得出的數(shù)據(jù)相互吻合，證明建立模型與仿真計(jì)算是科學(xué)合理的。本文在對(duì)柴油機(jī)電液調(diào)速技術(shù)進(jìn)行研究過程中也存在許多不足，和國外先進(jìn)技術(shù)相比較而言，還存在很大差距，必須要結(jié)合我國實(shí)際情況，逐步發(fā)展，從而促進(jìn)產(chǎn)品競爭力的提升。

Analysis of Electric Hydraulic Governing Technology of Diesel Engine

DUAN Meng，LIU Yong-liang
（Dezhou College，Jining，Shandong 272100，China）

Abstract:The speed regulating technology is a critical technology in diesel engine electric controlling technology and can accurately measure the functional indexes of diesel engine.After decades of development，diesel engines has more and more functions and its automatic ability has also been improved.The result of system simulation matches that of the speed regulating experiment，which indicates that model and simulation calculation are reasonable.

Key words:diesel engine；electro-hydraulic governor；Load；simulation；control

作者簡介：段夢(mèng)（1993-），男，山西臨汾人，大學(xué)本科，主要研究方向：汽車。

收稿日期：2016-01-17

中圖分類號(hào)：TK423

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-980X（2016）02-0013-02