冬季內(nèi)燃機(jī)車燃料恒溫控制系統(tǒng)的方案選擇及仿真

鄭 毅

(黑龍江工業(yè)學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，黑龍江 雞西 158100)

我國(guó)北方冬季溫度低，不僅會(huì)導(dǎo)致內(nèi)燃機(jī)柴油的粘度和密度等指標(biāo)造成影響，而且還會(huì)對(duì)柴油機(jī)的性能造成影響[1]。因此，針對(duì)北方冬季內(nèi)燃機(jī)用柴油的恒溫控制系統(tǒng)的研究，根據(jù)多種不同類型控制方法進(jìn)行對(duì)比，選擇最適合我國(guó)北方低溫環(huán)境的控制方案，對(duì)柴油溫度控制，不僅可以提升我國(guó)北方冬季使用柴油的性能，而且可以提升發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率。

1 加熱過(guò)程數(shù)學(xué)模型的建立

溫控系統(tǒng)中溫度過(guò)高進(jìn)行自然降溫處理，當(dāng)溫度降到最低設(shè)定值時(shí)，再次進(jìn)行加熱過(guò)程，循環(huán)反復(fù)。因此，只需控制加熱過(guò)程。加熱過(guò)程的模型建立是對(duì)油箱內(nèi)的柴油溫度進(jìn)行研究，加熱過(guò)程中的被控制量是柴油溫度，則加熱過(guò)程的關(guān)系式可寫為[2-3]：

ΔQ=Qi-Qo

(1-1)

式中：ΔQ：系統(tǒng)中總的熱量變化量；

Qi：系統(tǒng)中的輸入熱量；

Qo：系統(tǒng)中的輸出熱量。

加熱過(guò)程的熱量主要來(lái)源于高溫防凍液系統(tǒng)的熱量，輔助熱量來(lái)源于其他元器件工作中生成的熱量，輔助熱量可以忽略不計(jì)[4]，則在Δt時(shí)間內(nèi)，加熱過(guò)程的關(guān)系式可整理為：

cρVΔT=Q(t)Δt-K'A(T(t)-Ts)Δt

(1-2)

(1-3)

經(jīng)計(jì)算驗(yàn)證可得Q(t)的數(shù)值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于K'ATs的數(shù)值，所以K'ATs可以近似舍去[5]，加熱過(guò)程中的響應(yīng)也必定會(huì)有慣性和滯后的特性，進(jìn)行拉氏變換整理后可得：

(1-4)

式中：C—柴油的比熱容(KJ/(kg·℃))

ρ—柴油的密度(kg/L)

V—恒溫油箱容積(L)

K'—油箱散熱系數(shù)(w/(m2·℃))

A—油箱散熱面積(m2)

2 加熱過(guò)程參數(shù)選定

根據(jù)相關(guān)規(guī)定對(duì)傳遞函數(shù)式子中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行選定，具體如下：

鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)中對(duì)機(jī)車使用的規(guī)范明確規(guī)定，加載運(yùn)行時(shí)的油水溫度必須要高于40℃時(shí)才可以?！恫裼蜏囟葘?duì)柴油機(jī)性能的影響》中提及，柴油溫度在40℃時(shí)的柴油密度為0.8955kg/L。

柴油的比熱容C根據(jù)《國(guó)標(biāo)柴油和汽油質(zhì)量指標(biāo)》查詢?yōu)?.1KJ/(kg·℃)。

經(jīng)測(cè)量防凍液的進(jìn)口溫度Ti為89℃、防凍液的出口溫度TO為86℃。

根據(jù)TB/T3208-2008《散裝顆粒貨物運(yùn)輸用防凍液技術(shù)條件》[6]中提到內(nèi)燃機(jī)車專用防凍液密度ρ0為1.100g/cm3～1.600g/cm3；防凍液的比熱容C0為4.05KJ/(kg·℃)[6]。

實(shí)驗(yàn)選擇長(zhǎng)寬高比例為1:1:2的油箱，體積V選擇容量為40L[7]。

經(jīng)過(guò)文獻(xiàn)的查詢，對(duì)于油箱的散熱面積計(jì)算公式近似為[7-8]：

(2-1)

式中H—油箱總的發(fā)熱量(kcal/h)；

K'—油箱散熱系數(shù)(w/m2·h·℃)；

T1—油箱內(nèi)柴油溫度(℃)；

T2—油箱外部環(huán)境溫度(℃)；

A—油箱散熱面積(m2)。

在油箱的長(zhǎng)寬高比為1:1:2或1:2:3，以及油液深度是油箱高度的0.8倍時(shí)，則有油箱散熱面積A與油箱容積V有如下的關(guān)系式[9]：

(2-2)

式中V—油箱的有效容積(L)；

A—油箱散熱面積(m2)。

將本文油箱的實(shí)際容積帶入2-2式中，可求得油箱散熱面積A為0.76m2。

油箱散熱系數(shù)K'依照文獻(xiàn)《基于三級(jí)油箱結(jié)構(gòu)的精密油溫控制系統(tǒng)》中提到，油箱散熱系數(shù)K'為0.03w/(m2·℃)[10]。

仿真時(shí)間t和滯后時(shí)間τ分別設(shè)定為150s和2s。

柴油的初始溫度T0根據(jù)文獻(xiàn)《寒冷冬季內(nèi)燃機(jī)車的預(yù)熱問(wèn)題》中有提及，內(nèi)燃機(jī)車出庫(kù)前加熱打溫范圍為20℃～40℃。

JB3743—1984《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)方法》第5、6款已經(jīng)對(duì)調(diào)節(jié)柴油的溫度定制了規(guī)范，溫差區(qū)間規(guī)范在37℃～43℃比較適合[11]。當(dāng)柴油溫度升高時(shí)，柴油的消耗量降低，柴油成本降低，但柴油的運(yùn)動(dòng)粘度降低，導(dǎo)致柴油的燃燒效率降低。所以溫度越高，柴油的燃燒效率越低。因此，綜合考慮各方面因素，本文確定柴油的目標(biāo)溫度定為43℃。

整理后可得加熱過(guò)程仿真中用到的實(shí)際指標(biāo)參數(shù)如表1所示。

表1 加熱過(guò)程仿真參數(shù)

將表1所涉及到的加熱過(guò)程參數(shù)通過(guò)單位換算后帶入(1-4)式中，得到加熱過(guò)程傳遞函數(shù)：

(2-3)

3 PID參數(shù)整定

PID控制中選擇適合系數(shù)，會(huì)使系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，否則可能出現(xiàn)震蕩超調(diào)。根據(jù)本系統(tǒng)要達(dá)到的性能指標(biāo)和控制效果，經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)數(shù)字型增量式PID控制最為適合。PID參數(shù)整定主要在時(shí)域內(nèi)研究和頻域內(nèi)研究。本文溫度隨時(shí)間變化，符合時(shí)域規(guī)律，因此選擇時(shí)域PID控制器整定。

時(shí)域內(nèi)常用的整定方法有Z-N法、CHR法、C-C法、IMC法和OPT法。不同的時(shí)域內(nèi)對(duì)系統(tǒng)的PID參數(shù)進(jìn)行整定的常用方法規(guī)則[12]如表2所示。

表2 時(shí)域內(nèi)系統(tǒng)的不同的PID參數(shù)進(jìn)行整定法的整定規(guī)則

將(1-4)式子經(jīng)整合得到加熱過(guò)程的化簡(jiǎn)后的傳遞函數(shù)為：

(3-1)

式中，K—被控對(duì)象的開(kāi)環(huán)增益；

T—慣性時(shí)間常數(shù)；

τ—純滯后時(shí)間常數(shù)。

本文設(shè)定采樣周期T'=1s，比較選擇被控對(duì)象的開(kāi)環(huán)增益K=44，慣性時(shí)間常數(shù)T=3299，純滯后時(shí)間常數(shù)τ=2。根據(jù)表2時(shí)域內(nèi)系統(tǒng)的不同的PID參數(shù)進(jìn)行整定法的整定規(guī)律，可得到不同整定法的三個(gè)系數(shù)指標(biāo)[13]。

Z-N法求得

CHR法求得

C-C法求得

IMC法求得

KI=KPT'/TI=0.0000069；KD=KPTD/T'=0.023。

OPT法求得

根據(jù)時(shí)域內(nèi)系統(tǒng)的不同的PID參數(shù)進(jìn)行整定法的整定規(guī)律原則，通過(guò)對(duì)不同整定法計(jì)算得到的三個(gè)系數(shù)指標(biāo)整理后如表3所示。

表3 時(shí)域內(nèi)系統(tǒng)的不同的PID參數(shù)

4 加熱過(guò)程數(shù)學(xué)模型的仿真

圖1 不同PID整定法加熱過(guò)程仿真界面

從圖1中可知，將五種整定方法的仿真結(jié)構(gòu)各自集合在模塊中，而五個(gè)模塊內(nèi)部仿真結(jié)構(gòu)相同，其中以Z-N法模塊為例，其內(nèi)部仿真結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 五種整定方法內(nèi)部仿真結(jié)構(gòu)

當(dāng)給定值為43時(shí)，時(shí)域內(nèi)系統(tǒng)的五種參數(shù)整定法在加溫過(guò)程仿真結(jié)果的溫度圖形的對(duì)比曲線如圖3所示。

圖3 五種不同時(shí)域整定法加溫過(guò)程溫度仿真比對(duì)結(jié)果

從圖3中可看出，雖然在用CHR法和OPT法進(jìn)行運(yùn)算的規(guī)則和最終得出的參數(shù)均不相同，但是從結(jié)果中可以看出卻極度相近，溫度上升平穩(wěn)，雖然沒(méi)有超調(diào)，但是上升速度并不算快；從C-C法和IMC法得到的結(jié)果不難看出，兩種方法的積分系數(shù)KI數(shù)值過(guò)小，導(dǎo)致在短時(shí)間內(nèi)溫度升不上去，不能達(dá)到設(shè)計(jì)的指標(biāo)和要求。使用Z-N整定法對(duì)參數(shù)進(jìn)行整定時(shí)，數(shù)值快速上升，但是在到達(dá)設(shè)定值43時(shí)并未停止，此時(shí)進(jìn)入超調(diào)過(guò)程，但是在極短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行了抑制，并最終穩(wěn)定保持在設(shè)定值43，超調(diào)幅度小，反應(yīng)時(shí)間短，抑制能力強(qiáng)。

綜上所述，根據(jù)加熱過(guò)程模型可知，本系統(tǒng)的慣性時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于滯后時(shí)間常數(shù)，針對(duì)這類傳遞函數(shù)和模型來(lái)講，一般情況下應(yīng)用Z-N整定法整定最為適合，整定結(jié)果也是最優(yōu)的。經(jīng)過(guò)對(duì)比，雖然Z-N法在溫度上升的過(guò)程中有少許超調(diào)，但是在溫度上升的過(guò)程中有自身抑制超調(diào)的效果，最終達(dá)到要求指標(biāo)，加溫速度最快，加溫過(guò)程也是最穩(wěn)定的，超調(diào)幅度小，反應(yīng)時(shí)間短，抑制能力強(qiáng)，非常適合本設(shè)計(jì)所應(yīng)用的環(huán)境，選用Z-N整定法對(duì)PID進(jìn)行整定。

結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)依據(jù)熱平衡定律對(duì)我國(guó)北方冬季鐵路運(yùn)輸中的柴油加熱過(guò)程進(jìn)行了數(shù)學(xué)模型的建立，根據(jù)實(shí)際參數(shù)推導(dǎo)出傳遞函數(shù)，并對(duì)參數(shù)和控制方案進(jìn)行了選定，通過(guò)已有常用的PID整定方法進(jìn)行比對(duì)，選取最為適合本設(shè)計(jì)的整定方案，并進(jìn)行參數(shù)整定及對(duì)加熱過(guò)程進(jìn)行仿真。最終選擇最為合適的整定方法，取得了令人滿意的效果。