基于PID控制方法的電子調(diào)速器在柴油機(jī)上的應(yīng)用

溫進(jìn)超　李寶強(qiáng)

摘 要：介紹了柴油機(jī)調(diào)速的原理和基于PID自動(dòng)控制方法的電子調(diào)速器的調(diào)速原理、調(diào)整方法、PID轉(zhuǎn)速控制及負(fù)荷分配功能及應(yīng)用；本文主要以2301D型數(shù)字式電子調(diào)速器為核心控制器，研究了該電子調(diào)速器的PID調(diào)節(jié)方法以及在8230ZD型柴油機(jī)應(yīng)用中表現(xiàn)出來(lái)的優(yōu)秀的控制性能。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī)；2301D；電子調(diào)速器；PID速度控制；負(fù)荷分配

中圖分類(lèi)號(hào)：U665.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 前言

隨著電子控制技術(shù)的飛速發(fā)展，電子控制技術(shù)在柴油機(jī)上的應(yīng)用也日益增多。特別是控制精度越來(lái)越高和處理能力越來(lái)越強(qiáng)，使得柴油機(jī)可以在更多控制工況下運(yùn)行，并且能表現(xiàn)出優(yōu)越的性能。2301D型電子調(diào)速器就是使用32位微處理器實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油機(jī)的控制的電子技術(shù)。2301D電子調(diào)速器具有運(yùn)行速度快、硬件少、功耗低、可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)、調(diào)試方便并能實(shí)現(xiàn)多功能控制等優(yōu)點(diǎn)，因此電子調(diào)速器在柴油機(jī)上的運(yùn)用，是柴油機(jī)發(fā)展必然的趨勢(shì)。

2 2301D型電子調(diào)速器調(diào)速原理及功能

2.1 調(diào)速原理

柴油機(jī)工作過(guò)程的控制可以應(yīng)用過(guò)程控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)最佳轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和最佳工況運(yùn)行，其中最重要的是速度調(diào)節(jié)和穩(wěn)定控制，它們成為柴油機(jī)控制中最基本的核心。采用電子調(diào)速器的柴油機(jī)并沒(méi)有改變柴油機(jī)內(nèi)在特性，只是借助電子調(diào)速器微處理器，實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的控制。微處理器控制系統(tǒng)的快速精確綜合控制特點(diǎn)，能彌補(bǔ)柴油機(jī)在某些應(yīng)用功能上的缺陷，使柴油機(jī)的潛力得到發(fā)揮，實(shí)現(xiàn)最佳運(yùn)行，并擴(kuò)展了柴油機(jī)運(yùn)用領(lǐng)域。2301D 電子調(diào)速系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)反饋系統(tǒng)（如圖1） ，基于一個(gè)柴油機(jī)工作過(guò)程規(guī)律的調(diào)速模型，以比例（增益）、積分、微分控制（稱(chēng)為PID控制）算法為基礎(chǔ)，按預(yù)制最佳控制參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制，使系統(tǒng)具有高性能電子調(diào)速和控制功能。

在過(guò)程控制系統(tǒng)中，調(diào)速器實(shí)現(xiàn)最基本的三種調(diào)節(jié)功能：比例（增益）調(diào)節(jié)；積分調(diào)節(jié)；微分調(diào)節(jié)。2301D電子調(diào)速器采用比例（增益）調(diào)節(jié)、微分控制和積分控制相結(jié)合，即PID控制，它是根據(jù)被控過(guò)程的特性確定PID控制的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小，當(dāng)轉(zhuǎn)速偏離預(yù)設(shè)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速時(shí)，2301D電子調(diào)速器所具有的增益環(huán)節(jié)能把變化的速度增量監(jiān)測(cè)放大并抑制其超調(diào)幅度，通過(guò)積分環(huán)節(jié)控制穩(wěn)定時(shí)間、微分調(diào)節(jié)讓超調(diào)控制響應(yīng)得更快，使轉(zhuǎn)速快速減少偏差值，使柴油機(jī)盡快趨于穩(wěn)定。調(diào)節(jié)器的輸出與系統(tǒng)誤差的比例積分微分三者之和成比例，因此調(diào)節(jié)器的增益系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間對(duì)系統(tǒng)控制質(zhì)量有著決定性的影響，參數(shù)值必須恰當(dāng)。

2. 2 調(diào)速器轉(zhuǎn)速控制PID 調(diào)整方法

以廣州柴油機(jī)廠股份有限公司8230ZD 型柴油機(jī)為運(yùn)用實(shí)例，該型柴油機(jī)飛輪齒數(shù)為230 ，用磁電式速度傳感器感應(yīng)單位時(shí)間內(nèi)飛輪齒脈沖數(shù)，并將其變換成與轉(zhuǎn)速成正比的脈沖信號(hào)輸入給2301D電子調(diào)速器，電子調(diào)速器將轉(zhuǎn)速信號(hào)與給定轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，并進(jìn)行相應(yīng)的控制運(yùn)算，如果速度低于或高于參考值，經(jīng)過(guò)PID運(yùn)算后轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)由功率輸出環(huán)節(jié)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器，增加或減少輸出給執(zhí)行器的電流。執(zhí)行器響應(yīng)執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)的信號(hào)，往執(zhí)行器給定方向調(diào)整柴油機(jī)燃油齒桿的位置，改變供油量大小從而改變柴油機(jī)的速度，直到轉(zhuǎn)速信號(hào)與軟件設(shè)定的參考值相等，即達(dá)到控制轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的目的。2301D電子調(diào)速器PID 動(dòng)態(tài)參數(shù)的調(diào)整使控制器適應(yīng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的各種變化。積分調(diào)整影響突然負(fù)荷變化后原動(dòng)機(jī)恢復(fù)需要的反應(yīng)時(shí)間。負(fù)荷突然變化導(dǎo)致的速度變化量通過(guò)調(diào)整增益控制，補(bǔ)償參數(shù)則是補(bǔ)償執(zhí)行器和柴油機(jī)油門(mén)對(duì)控制器信號(hào)的反應(yīng)時(shí)間。鑒于柴油機(jī)負(fù)荷變化時(shí)轉(zhuǎn)速會(huì)跟隨變化，負(fù)荷突變大時(shí)轉(zhuǎn)速偏差大，2301D控制器可以自動(dòng)切換兩個(gè)增益設(shè)定（如圖2），以提供更好的動(dòng)態(tài)性能。負(fù)荷變化時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)速偏差超過(guò)可調(diào)整的窗口時(shí)（如圖3），2301D控制器根據(jù)可調(diào)整的比率自動(dòng)增加增益。

2.2.1 無(wú)負(fù)荷時(shí)的調(diào)整

如果柴油機(jī)快速游車(chē)，則降低增益直到柴油機(jī)穩(wěn)定。如果緩慢游車(chē)，則可能有兩種情況：

（1）增益太高時(shí)，并且積分太小時(shí)，那么就降低增益，慢慢增加積分，直到滿意為止；如果增加積分時(shí)間超過(guò)2.0單位時(shí)，則可以增加一半微分時(shí)間，積分時(shí)間降回原來(lái)的值，直到柴油機(jī)穩(wěn)定；如微分太大，那么柴油機(jī)在負(fù)荷突變時(shí)，執(zhí)行器可能動(dòng)作過(guò)大，導(dǎo)致柴油機(jī)燃油桿波動(dòng)厲害。

（2）增益太低時(shí)，則增加增益。如果上述兩種方法仍然不能改進(jìn)緩慢游車(chē)，則可慢慢減少微分，有時(shí)可能降到0。

2.2.2 穩(wěn)定負(fù)荷時(shí)的調(diào)整

如果輕微的負(fù)荷變化或人為干擾執(zhí)行器，柴油機(jī)變化很大，但卻能穩(wěn)定下來(lái)，則增加增益斜率，直到滿意。

2.2.3 突變負(fù)荷時(shí)的調(diào)整

負(fù)荷突變時(shí)，執(zhí)行器能快速減少油門(mén)，并且轉(zhuǎn)速偏差超過(guò)2301D設(shè)置的窗口寬度時(shí)，PID 的增益值將按增益斜率及窗口寬度（按照?qǐng)D2與圖3所示）相結(jié)合來(lái)調(diào)整控制增益值，進(jìn)而在快速減少負(fù)荷突變時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量，所示隨著柴油機(jī)所需要的供油量同步發(fā)生變化，直到柴油機(jī)穩(wěn)定。如果增益比例太大，轉(zhuǎn)速波動(dòng)時(shí)，可能引起柴油機(jī)游車(chē)。其中，高增益= 低增益×增益比例。

2.3 負(fù)荷分配功能及其他控制功能

8230ZD 型柴油機(jī)上的各種控制保護(hù)功能，主要是通過(guò)控制柴油機(jī)供油量來(lái)實(shí)現(xiàn)的，供油規(guī)律調(diào)整是電子調(diào)速器最突出的特點(diǎn)。2301D 電子調(diào)速器在進(jìn)行循環(huán)供油量的調(diào)整時(shí)，不再單獨(dú)依賴(lài)轉(zhuǎn)速，該調(diào)速器有47個(gè)I/O接口，可以實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)轉(zhuǎn)速控制、怠速、額定轉(zhuǎn)速、遠(yuǎn)程速度控制、動(dòng)態(tài)切換、外部停車(chē)、各轉(zhuǎn)速之間的穩(wěn)定過(guò)渡、負(fù)荷平衡、負(fù)荷轉(zhuǎn)移等控制功能。

2301D電子調(diào)速器帶有負(fù)荷分配功能，接入發(fā)電機(jī)的電壓互感器或電流互感器時(shí)控制器有功率校準(zhǔn)計(jì)算功能，能精確計(jì)算出有功功率，控制器有用于負(fù)荷分配通訊的專(zhuān)用繼電器口，當(dāng)多臺(tái)機(jī)組并機(jī)運(yùn)行時(shí)，功率計(jì)算器及負(fù)荷分配通訊功能將一直處于運(yùn)行狀態(tài)。

2301D電子調(diào)速器有兩個(gè)基本方法用于并車(chē)：

（1）有差調(diào)速模式：速度或頻率隨負(fù)荷比例變化而變化，如圖4所示。

（2）同步模式：負(fù)荷增加而速度保持不變，如圖5所示。

使用負(fù)荷分配功能時(shí)，每個(gè)控制器都需要設(shè)置對(duì)應(yīng)柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組的額定功率、額定轉(zhuǎn)速的百分比、基本負(fù)荷點(diǎn)、卸載值、卸載率及加載率等參數(shù)，這樣控制器才能按設(shè)定的參數(shù)值進(jìn)行有效地控制有功功率的分配、調(diào)整及轉(zhuǎn)移。負(fù)荷分配功能負(fù)荷校準(zhǔn)的調(diào)整方法：在柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組100%負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，使用PC通訊軟件觀察“KW INPUT CALIBRATION”中的Gen Output （read kW）讀數(shù)，如果讀數(shù)與外部?jī)x表不匹配，則調(diào)整KW INPUT CALIBRATN ZERO值及KW INPUT CALIBRATN GAIN直到讀數(shù)與儀表匹配。這樣電子調(diào)速器才能夠精確控制柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組的有功輸出， 滿足系統(tǒng)對(duì)有功負(fù)荷分配功能的需求。

3 2301D 電子調(diào)速器的配機(jī)試驗(yàn)

廣州柴油機(jī)廠股份有限公司生產(chǎn)的8230ZD型柴油機(jī)額定轉(zhuǎn)速為750 rpm，均配裝2301D電子調(diào)速器+UG15執(zhí)行器，機(jī)組型號(hào)為CCFJ960J-W的配套用于粵海鐵3#、4#渡輪輔機(jī)共6臺(tái)機(jī)組，額定功率為960 kW；機(jī)組型號(hào)為CCFJ880J-W的配套用于4 500 t全回轉(zhuǎn)起重船輔機(jī)共2臺(tái)機(jī)，額定功率為880 kW。該型號(hào)柴油機(jī)原來(lái)使用的機(jī)械液壓式調(diào)速器，其調(diào)速精度和動(dòng)態(tài)特性等方面都不太理想，更主要的是無(wú)法實(shí)現(xiàn)多種綜合控制功能，難于滿足現(xiàn)在自動(dòng)化控制要求越來(lái)越高的船舶的使用要求。

機(jī)械液壓式調(diào)速器在起動(dòng)時(shí)，若是過(guò)大的供油會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)速上升過(guò)大或冒黑煙， 而2301D電子調(diào)速器具有起動(dòng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)及起動(dòng)燃油限制功能，可以根據(jù)柴油機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，直到滿意。2301D的起動(dòng)燃油限制參數(shù)為： 初始供油量+ 供油增量。實(shí)際供油量= 初始供油量+供油增量×起動(dòng)時(shí)間。8230ZD型柴油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)表明，冷機(jī)3MPa起動(dòng)空氣壓力狀態(tài)下起動(dòng)時(shí)間最長(zhǎng)為3 s ，起動(dòng)次數(shù)可達(dá)7次，表現(xiàn)出良好的起動(dòng)性能。更重要的是，2301D具有優(yōu)越的PID動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)性能，在整個(gè)機(jī)組進(jìn)行100%～0負(fù)荷突卸瞬態(tài)調(diào)速性能試驗(yàn)、0～50%負(fù)荷突加瞬態(tài)調(diào)速性能試驗(yàn)以及50%～100%負(fù)荷突加瞬態(tài)調(diào)速性能試驗(yàn)考核柴油機(jī)瞬態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)時(shí)，2301D能快速響應(yīng)PID調(diào)節(jié)，穩(wěn)定地控制在目標(biāo)轉(zhuǎn)速內(nèi)，實(shí)測(cè)參數(shù)如表1所列。

我們通過(guò)性能試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，2301D電子調(diào)速器對(duì)于控制瞬態(tài)調(diào)速特性性能相當(dāng)理想，不僅超調(diào)量及穩(wěn)定時(shí)間遠(yuǎn)小于規(guī)范要求的超調(diào)量不超過(guò)±10%及穩(wěn)定時(shí)間≤5 s，而且調(diào)整曲線平滑，波形鋸齒少，執(zhí)行器控制的燃油總拉桿波動(dòng)小，調(diào)整后運(yùn)行平穩(wěn)。柴油機(jī)在各種不同的工況點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)速波動(dòng)率都小于0. 2 %，也遠(yuǎn)小于規(guī)范要求的0.5%。

4 小結(jié)

雖然8230ZD型柴油機(jī)第一次配套WOODWARD公司2301D電子調(diào)速器，但基于我公司已有8230型柴油機(jī)配WOODWARD公司723電子調(diào)速器的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，因此可以說(shuō)8230型柴油機(jī)配套2301D電子調(diào)速器應(yīng)用于發(fā)電機(jī)組難度不太大，只是船用發(fā)電機(jī)組的性能指標(biāo)要求與船用主機(jī)有所區(qū)別，所以8230ZD型柴油機(jī)配套2301D電子調(diào)速器，并用于粵海鐵3#、4#渡輪項(xiàng)目及4 500 t全回轉(zhuǎn)起重船共有8臺(tái)機(jī)組，只是在第一臺(tái)機(jī)組摸底調(diào)試時(shí)需要時(shí)間調(diào)試調(diào)速瞬態(tài)特性等指標(biāo)并總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，剩下的機(jī)組均非常順利快捷地完成出廠試驗(yàn)及客戶(hù)驗(yàn)收等工作，相比液壓式調(diào)速器模糊地進(jìn)行調(diào)試，2301D電子調(diào)速器是應(yīng)用軟件進(jìn)行數(shù)字式參數(shù)調(diào)整，可以精確地進(jìn)行調(diào)整，有了第一臺(tái)機(jī)組的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，就能在以后的類(lèi)似項(xiàng)目中快速地完成出廠調(diào)試工作，大量節(jié)省調(diào)試成本及時(shí)間，配機(jī)試驗(yàn)表明，WOODWARD公司 2301D 電子調(diào)速器具有良好的調(diào)速性能，可以滿足廣州柴油機(jī)廠股份有限公司生產(chǎn)的8230系列柴油機(jī)作為船舶發(fā)電機(jī)組或船舶主機(jī)的要求?？梢灶A(yù)測(cè)，電子調(diào)速器在柴油機(jī)上的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣泛。

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