基于PID控制方法的電子調速器在柴油機上的應用

溫進超　李寶強

摘 要：介紹了柴油機調速的原理和基于PID自動控制方法的電子調速器的調速原理、調整方法、PID轉速控制及負荷分配功能及應用；本文主要以2301D型數字式電子調速器為核心控制器，研究了該電子調速器的PID調節方法以及在8230ZD型柴油機應用中表現出來的優秀的控制性能。

關鍵詞：柴油機；2301D；電子調速器；PID速度控制；負荷分配

中圖分類號：U665.1 文獻標識碼：A

1 前言

隨著電子控制技術的飛速發展，電子控制技術在柴油機上的應用也日益增多。特別是控制精度越來越高和處理能力越來越強，使得柴油機可以在更多控制工況下運行，并且能表現出優越的性能。2301D型電子調速器就是使用32位微處理器實現對柴油機的控制的電子技術。2301D電子調速器具有運行速度快、硬件少、功耗低、可靠性高、適應性強、調試方便并能實現多功能控制等優點，因此電子調速器在柴油機上的運用，是柴油機發展必然的趨勢。

2 2301D型電子調速器調速原理及功能

2.1 調速原理

柴油機工作過程的控制可以應用過程控制系統來實現最佳轉速調節和最佳工況運行，其中最重要的是速度調節和穩定控制，它們成為柴油機控制中最基本的核心。采用電子調速器的柴油機并沒有改變柴油機內在特性，只是借助電子調速器微處理器，實現更復雜的控制。微處理器控制系統的快速精確綜合控制特點，能彌補柴油機在某些應用功能上的缺陷，使柴油機的潛力得到發揮，實現最佳運行，并擴展了柴油機運用領域。2301D 電子調速系統是一個閉環反饋系統（如圖1） ，基于一個柴油機工作過程規律的調速模型，以比例（增益）、積分、微分控制（稱為PID控制）算法為基礎，按預制最佳控制參數來實現優化控制，使系統具有高性能電子調速和控制功能。

在過程控制系統中，調速器實現最基本的三種調節功能：比例（增益）調節；積分調節；微分調節。2301D電子調速器采用比例（增益）調節、微分控制和積分控制相結合，即PID控制，它是根據被控過程的特性確定PID控制的比例系數、積分時間和微分時間的大小，當轉速偏離預設的目標轉速時，2301D電子調速器所具有的增益環節能把變化的速度增量監測放大并抑制其超調幅度，通過積分環節控制穩定時間、微分調節讓超調控制響應得更快，使轉速快速減少偏差值，使柴油機盡快趨于穩定。調節器的輸出與系統誤差的比例積分微分三者之和成比例，因此調節器的增益系數、積分時間和微分時間對系統控制質量有著決定性的影響，參數值必須恰當。

2. 2 調速器轉速控制PID 調整方法

以廣州柴油機廠股份有限公司8230ZD 型柴油機為運用實例，該型柴油機飛輪齒數為230 ，用磁電式速度傳感器感應單位時間內飛輪齒脈沖數，并將其變換成與轉速成正比的脈沖信號輸入給2301D電子調速器，電子調速器將轉速信號與給定轉速信號進行對比，并進行相應的控制運算，如果速度低于或高于參考值，經過PID運算后轉換為電流信號由功率輸出環節驅動執行器，增加或減少輸出給執行器的電流。執行器響應執行器驅動的信號，往執行器給定方向調整柴油機燃油齒桿的位置，改變供油量大小從而改變柴油機的速度，直到轉速信號與軟件設定的參考值相等，即達到控制轉速穩定的目的。2301D電子調速器PID 動態參數的調整使控制器適應柴油機轉速的各種變化。積分調整影響突然負荷變化后原動機恢復需要的反應時間。負荷突然變化導致的速度變化量通過調整增益控制，補償參數則是補償執行器和柴油機油門對控制器信號的反應時間。鑒于柴油機負荷變化時轉速會跟隨變化，負荷突變大時轉速偏差大，2301D控制器可以自動切換兩個增益設定（如圖2），以提供更好的動態性能。負荷變化時發生轉速偏差超過可調整的窗口時（如圖3），2301D控制器根據可調整的比率自動增加增益。

2.2.1 無負荷時的調整

如果柴油機快速游車，則降低增益直到柴油機穩定。如果緩慢游車，則可能有兩種情況：

（1）增益太高時，并且積分太小時，那么就降低增益，慢慢增加積分，直到滿意為止；如果增加積分時間超過2.0單位時，則可以增加一半微分時間，積分時間降回原來的值，直到柴油機穩定；如微分太大，那么柴油機在負荷突變時，執行器可能動作過大，導致柴油機燃油桿波動厲害。

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

2.2.2 穩定負荷時的調整

如果輕微的負荷變化或人為干擾執行器，柴油機變化很大，但卻能穩定下來，則增加增益斜率，直到滿意。

2.2.3 突變負荷時的調整

負荷突變時，執行器能快速減少油門，并且轉速偏差超過2301D設置的窗口寬度時，PID 的增益值將按增益斜率及窗口寬度（按照圖2與圖3所示）相結合來調整控制增益值，進而在快速減少負荷突變時的轉速超調量，所示隨著柴油機所需要的供油量同步發生變化，直到柴油機穩定。如果增益比例太大，轉速波動時，可能引起柴油機游車。其中，高增益= 低增益×增益比例。

2.3 負荷分配功能及其他控制功能

8230ZD 型柴油機上的各種控制保護功能，主要是通過控制柴油機供油量來實現的，供油規律調整是電子調速器最突出的特點。2301D 電子調速器在進行循環供油量的調整時，不再單獨依賴轉速，該調速器有47個I/O接口，可以實現啟動轉速控制、怠速、額定轉速、遠程速度控制、動態切換、外部停車、各轉速之間的穩定過渡、負荷平衡、負荷轉移等控制功能。

2301D電子調速器帶有負荷分配功能，接入發電機的電壓互感器或電流互感器時控制器有功率校準計算功能，能精確計算出有功功率，控制器有用于負荷分配通訊的專用繼電器口，當多臺機組并機運行時，功率計算器及負荷分配通訊功能將一直處于運行狀態。

2301D電子調速器有兩個基本方法用于并車：

（1）有差調速模式：速度或頻率隨負荷比例變化而變化，如圖4所示。

（2）同步模式：負荷增加而速度保持不變，如圖5所示。

使用負荷分配功能時，每個控制器都需要設置對應柴油機發電機組的額定功率、額定轉速的百分比、基本負荷點、卸載值、卸載率及加載率等參數，這樣控制器才能按設定的參數值進行有效地控制有功功率的分配、調整及轉移。負荷分配功能負荷校準的調整方法：在柴油機發電機組100%負荷運行時，使用PC通訊軟件觀察“KW INPUT CALIBRATION”中的Gen Output （read kW）讀數，如果讀數與外部儀表不匹配，則調整KW INPUT CALIBRATN ZERO值及KW INPUT CALIBRATN GAIN直到讀數與儀表匹配。這樣電子調速器才能夠精確控制柴油機發電機組的有功輸出， 滿足系統對有功負荷分配功能的需求。

3 2301D 電子調速器的配機試驗

廣州柴油機廠股份有限公司生產的8230ZD型柴油機額定轉速為750 rpm，均配裝2301D電子調速器+UG15執行器，機組型號為CCFJ960J-W的配套用于粵海鐵3#、4#渡輪輔機共6臺機組，額定功率為960 kW；機組型號為CCFJ880J-W的配套用于4 500 t全回轉起重船輔機共2臺機，額定功率為880 kW。該型號柴油機原來使用的機械液壓式調速器，其調速精度和動態特性等方面都不太理想，更主要的是無法實現多種綜合控制功能，難于滿足現在自動化控制要求越來越高的船舶的使用要求。

機械液壓式調速器在起動時，若是過大的供油會導致轉速上升過大或冒黑煙， 而2301D電子調速器具有起動轉速調節及起動燃油限制功能，可以根據柴油機實際運行狀態進行調整，直到滿意。2301D的起動燃油限制參數為： 初始供油量+ 供油增量。實際供油量= 初始供油量+供油增量×起動時間。8230ZD型柴油機臺架試驗表明，冷機3MPa起動空氣壓力狀態下起動時間最長為3 s ，起動次數可達7次，表現出良好的起動性能。更重要的是，2301D具有優越的PID動態調節性能，在整個機組進行100%～0負荷突卸瞬態調速性能試驗、0～50%負荷突加瞬態調速性能試驗以及50%～100%負荷突加瞬態調速性能試驗考核柴油機瞬態調速性能指標時，2301D能快速響應PID調節，穩定地控制在目標轉速內，實測參數如表1所列。

我們通過性能試驗實測數據可以看出，2301D電子調速器對于控制瞬態調速特性性能相當理想，不僅超調量及穩定時間遠小于規范要求的超調量不超過±10%及穩定時間≤5 s，而且調整曲線平滑，波形鋸齒少，執行器控制的燃油總拉桿波動小，調整后運行平穩。柴油機在各種不同的工況點穩定運行時，轉速波動率都小于0. 2 %，也遠小于規范要求的0.5%。

4 小結

雖然8230ZD型柴油機第一次配套WOODWARD公司2301D電子調速器，但基于我公司已有8230型柴油機配WOODWARD公司723電子調速器的應用經驗，因此可以說8230型柴油機配套2301D電子調速器應用于發電機組難度不太大，只是船用發電機組的性能指標要求與船用主機有所區別，所以8230ZD型柴油機配套2301D電子調速器，并用于粵海鐵3#、4#渡輪項目及4 500 t全回轉起重船共有8臺機組，只是在第一臺機組摸底調試時需要時間調試調速瞬態特性等指標并總結經驗，剩下的機組均非常順利快捷地完成出廠試驗及客戶驗收等工作，相比液壓式調速器模糊地進行調試，2301D電子調速器是應用軟件進行數字式參數調整，可以精確地進行調整，有了第一臺機組的應用經驗，就能在以后的類似項目中快速地完成出廠調試工作，大量節省調試成本及時間，配機試驗表明，WOODWARD公司 2301D 電子調速器具有良好的調速性能，可以滿足廣州柴油機廠股份有限公司生產的8230系列柴油機作為船舶發電機組或船舶主機的要求。可以預測，電子調速器在柴油機上的應用將會越來越廣泛。

參考文獻

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