某系列柴油機(jī)與電子調(diào)速器匹配標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)優(yōu)化

孫現(xiàn)偉，張青鋒，孫延斐，唐 毅，劉 峰，陳孝平

(河南柴油機(jī)重工有限責(zé)任公司，河南 洛陽 471039)

某系列柴油機(jī)是本公司從德國DEUTZ集團(tuán)引進(jìn)，該系列柴油機(jī)具有世界先進(jìn)水平。伴隨著電子技術(shù)高速發(fā)展，數(shù)字式調(diào)速器也應(yīng)運而生，并在調(diào)速器技術(shù)發(fā)展中占據(jù)了主導(dǎo)地位。它不但很好地解決了機(jī)械式調(diào)速器動態(tài)響應(yīng)滯后，同時也解決了調(diào)速精度低等問題[1]。但是在實際工作中，數(shù)字電調(diào)的靈活性也存在一定的瓶頸，為改善柴油機(jī)的綜合性能，對相關(guān)參數(shù)需要反復(fù)調(diào)整，進(jìn)而也就造成了成本的增加，同時也會對調(diào)試工人的技術(shù)要求增加[2-3]。

1 柴油機(jī)啟動粗暴問題的優(yōu)化

鑒于在海因茲曼數(shù)字電子調(diào)速器標(biāo)準(zhǔn)化程序中所設(shè)置的的原始參數(shù)文件中，未設(shè)定起用斜度啟動，所以柴油機(jī)在啟動時比較粗暴，啟動以后需3～4 s升至額定轉(zhuǎn)速。但在實際情況下，發(fā)動機(jī)啟動后，往往需緩慢地升到設(shè)定的轉(zhuǎn)速，目的是減小不必要的磨損以及轉(zhuǎn)速過大而引起的波動。

通過加入帶斜度的啟動功能，柴油機(jī)啟動平穩(wěn)，各啟動性能良好。設(shè)定參數(shù) ：240 Start Speed Ramp On 為1，來實現(xiàn)該斜坡功能。在柴油機(jī)達(dá)到參數(shù)255 Start Speed 1設(shè)定的啟動轉(zhuǎn)速后，調(diào)速器即認(rèn)可柴油機(jī)正在被啟動，將設(shè)定轉(zhuǎn)速從0迅速升至參數(shù)257 Start Speed 3設(shè)定的轉(zhuǎn)速值，在柴油機(jī)運行后，設(shè)定的轉(zhuǎn)速將會以參數(shù)240 Start Speed Ramp Up設(shè)定的斜度，從參數(shù)257 Start Speed 3設(shè)定的轉(zhuǎn)速值升至外部轉(zhuǎn)速設(shè)定裝置所設(shè)定的轉(zhuǎn)速值。

當(dāng)柴油機(jī)啟動后，以一定的速度緩慢升至設(shè)定轉(zhuǎn)速，柴油機(jī)此時升速較平穩(wěn)，怠速至額定轉(zhuǎn)速的時間一般為8～10 s，即能滿足一般需求。

2 柴油機(jī)轉(zhuǎn)速波動的優(yōu)化

2.1 PID各參數(shù)的控制作用

PID參數(shù)有針對性的實現(xiàn)閉環(huán)控制系統(tǒng)的響應(yīng)達(dá)到快速準(zhǔn)確和穩(wěn)定的最佳狀態(tài)。增大比例參數(shù)P將加快系統(tǒng)的響應(yīng)，它能對控制輸出值快速影響，其目的是放大誤差的幅值。對于積分參數(shù)I，它能對轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后有累積誤差的進(jìn)行系統(tǒng)誤差修整，減小穩(wěn)態(tài)誤差，作用是消除穩(wěn)態(tài)誤差。在微分參數(shù)D設(shè)置合適的情況下，可提高系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)，減小系統(tǒng)超調(diào)量，增加穩(wěn)定性，減小動態(tài)誤差。所以，比例參數(shù)P控制系統(tǒng)響應(yīng)的快速性，并快速作用于輸出。

2.2 PID控制器參數(shù)的調(diào)節(jié)實例

2.2.1 基準(zhǔn)PID參數(shù)的調(diào)整

PID參數(shù)的調(diào)整是基準(zhǔn)，需啟動柴油機(jī)并調(diào)整到額定轉(zhuǎn)速空載的情況下來調(diào)整此參數(shù)，調(diào)整過程如下。

1)比例參數(shù)100 Gain的參數(shù)值逐漸增大，到轉(zhuǎn)速出現(xiàn)波動，再緩慢地減小參數(shù)值，直至波動減小到適當(dāng)?shù)某潭然蛳?。圖1為比例參數(shù)值太小，圖2為比例參數(shù)值太大。

圖1 PID增益太低

圖2 PID增益太高

2)積分參數(shù)101 Stability的參數(shù)值逐漸增大，直至轉(zhuǎn)速出現(xiàn)緩慢波動。圖3為比例參數(shù)值太小，圖4為比例參數(shù)值太大。

圖3 積分增益太低

圖4 積分增益太高或微分增益太低

3)微分參數(shù)102 Derivative的參數(shù)值逐漸增大，直至前面出現(xiàn)的轉(zhuǎn)速波動消失，如果無法實現(xiàn)，則須適當(dāng)降低積分參數(shù)。

4)PID調(diào)整順序：調(diào)試過程中，可依次調(diào)節(jié)P、I、D之后再調(diào)P和I?？芍貜?fù)進(jìn)行1)～3)過程，直至達(dá)到理想的結(jié)果。

5)人為過程干擾造成轉(zhuǎn)速波動，若轉(zhuǎn)速恢復(fù)穩(wěn)定的過程不理想，則重復(fù)上述過程，待控制效果滿意后，存儲參數(shù)值。

2.2.2 三維PID參數(shù)值設(shè)定

對于以固定轉(zhuǎn)速的柴油機(jī)，可一次性調(diào)整好基準(zhǔn)PID參數(shù)。而對于工程機(jī)械或船用主機(jī)用柴油機(jī)，轉(zhuǎn)速的范圍較大，要依據(jù)噴油量和轉(zhuǎn)速的變化去改變動態(tài)參數(shù)，需修正基準(zhǔn)PID動態(tài)響應(yīng)參數(shù)。隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，柴油機(jī)的動能也會提高，同樣控制器的動態(tài)響應(yīng)參數(shù)也要提高。當(dāng)柴油機(jī)帶動負(fù)載后，柴油機(jī)的加速特性就會降低，動態(tài)響應(yīng)參數(shù)就需要相應(yīng)提高。一般在空載和額定轉(zhuǎn)速的情況下，PID參數(shù)是設(shè)定好的。但在實際情況下，怠速時就需減小PID參數(shù)值，當(dāng)然加載后就需增大參數(shù)值，這樣設(shè)定好的PID參數(shù)值就當(dāng)作修正的基準(zhǔn)值，若修正參數(shù)值設(shè)定為100%，原參數(shù)值保持不變，以此為起點，增大修正后的參數(shù)值，最大可達(dá)400%，減小修正后的參數(shù)值，最小可達(dá)10%。如圖6所示。

圖5 三維PID參數(shù)值

2.2.3 設(shè)定穩(wěn)態(tài)運行時的轉(zhuǎn)速變化對PID參數(shù)值的修正

如果負(fù)載不穩(wěn)定，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速也容易引起波動，原因其一就是：發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)運行時，所設(shè)置的比例參數(shù)值比較小，負(fù)載變化時，很難再穩(wěn)定控制住柴油機(jī)。為此，在標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)文件中也開啟了設(shè)定穩(wěn)態(tài)運行時的轉(zhuǎn)速變化對PID參數(shù)值的修正，即：在動態(tài)負(fù)載時，PID參數(shù)值調(diào)整到相對應(yīng)值，穩(wěn)態(tài)運行時，PID參數(shù)值相應(yīng)地減小。這樣不但保證柴油機(jī)在穩(wěn)態(tài)運行時平穩(wěn)運行，同時又能應(yīng)對大的負(fù)載變化時做出快速響應(yīng)。如果在參數(shù)111 Static Corr Range設(shè)定的范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速的波動偏差仍然較大，則按照參數(shù)110Static Corr Factor來修正PID參數(shù)，如果轉(zhuǎn)速的波動偏差值超過上述參數(shù)范圍的兩倍以上，原PID參數(shù)則需恢復(fù)，若偏差處于二者之間，控制器則按比例推算修正值。

通過設(shè)置參數(shù)4110 Static Corr On = 1，可以啟用此修正功能。

3 結(jié)束語

數(shù)字電調(diào)標(biāo)準(zhǔn)化程序的設(shè)計使某系列柴油機(jī)與海因茲曼電子調(diào)速器匹配更加優(yōu)化，從而改善了柴油機(jī)啟動粗暴及轉(zhuǎn)速波動等問題，提升了柴油機(jī)的性能。同時也保證了參數(shù)的一致性，縮短了調(diào)試時間，在大大降低生產(chǎn)成本的同時，提高了生產(chǎn)效率，同時使柴油機(jī)的性能得到了大幅度提升。