柴油機電液調速技術分析

段　夢，柳永亮

（德州學院，山東濟寧　253023）

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柴油機電液調速技術分析

段夢，柳永亮

（德州學院，山東濟寧253023）

摘要：調速技術作為柴油機電控技術的關鍵技術，能夠起到對柴油機性能指標進行準確衡量的作用。從機械式調速器到現在的電液調速器，柴油機調速技術經歷了幾十年的發(fā)展，功能逐漸豐富，自動化水平也得以提升。通過系統仿真結果和柴油機調速試驗結果得出的數據相互吻合，證明建立模型與仿真計算是科學合理的。

關鍵詞：柴油機；電液調速器；負荷；仿真；控制

電子控制技術是促進柴油機性能提升的重要方法，也是現階段柴油機技術發(fā)展的重要趨勢。調速技術作為柴油機電控技術的關鍵技術，能夠起到對柴油機性能指標進行準確衡量的作用。實際上，從機械式調速器到現在的電液調速器，柴油機調速技術經歷了幾十年的發(fā)展，功能逐漸豐富，自動化水平也得以提升。基于此，本文對有關柴油機電液調速技術進行研究和探討，以期對于柴油機電液調速技術的推廣和應用，起到一定的理論指導意義。

1　柴油機電液調速器的作用

噴油泵的速度特征為工況條件相對復雜的柴油機帶來很多麻煩，如果發(fā)動機負荷產生變化，會直接導致發(fā)動機轉速產生劇烈變化，如果負荷減小，則轉速提升，繼而造成柱塞泵循環(huán)供油量加大，反過來又導致轉速提升，從而造成惡性循環(huán)，導致“飛車”情況，對柴油機造成一定的損壞。負荷增大時情況亦然，最后造成柴油機熄火。

對于以上情況，必須要安裝一種可以按照負荷變化對供油量進行自動調節(jié)的設備，讓柴油機始終處在穩(wěn)定可控的轉速范圍內。所以，柴油機為了符合使用要求，調速器是不可或缺的重要設備。總體而言，柴油機電液調速器的作用包括以下4個方面。

（1）避免柴油機超速運轉，換言之就是對柴油機最高轉速進行控制。

（2）確保在設置好的最低轉速下穩(wěn)定可靠的運轉。

（3）如果外界負荷出現變化，可以對供油量進行自動調節(jié)，確保在規(guī)定轉速范圍內穩(wěn)定可靠工作。

（4）除了調速功能之外，還具備起動功能、速度控制功能、速度設定功能、速度控制動態(tài)、燃油限制功能等。

2　電液調速器結構及原理分析

（1）結構。本文以伍德沃德公司生產的UG- 25+調速器為例，對其結構及原理進行介紹。

圖1是UG- 25+調速器，是一種具有計算機控制，具有機械液壓放大功能的數字式調速器，具體包括三個部分，分別是L系列控制器、液壓執(zhí)行機構以及用戶界面。其中，最重要也是最關鍵的是液壓執(zhí)行機構，包括：油泵、泄壓閥、旋轉轉換成直線運動的機械結構、柱塞、動力活塞、輸出杠桿、輸出軸、速度感應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)行機構的工作原理，分為3個方面：①負荷或者速度設定不斷提升時，造成L系列控制器輸出軸做逆時針運動，動力活塞向上方移動，帶動輸出軸和浮動杠桿，到達一定設定好的位置后，柱塞位置回到原位。②負荷或者速度設定不斷降低時，L系列控制器輸出軸做順時針運動，柱塞和動力活塞隨之下降，使得輸出軸開始向減油方向移動，帶動浮動杠桿也發(fā)生下移，繼而柱塞上移動。如果輸出軸到達設定好的位置，柱塞位置回到原位。③控制器斷電時，輸出軸到達最小供油位，以此確保安全。斷電之后,L控制器喪失力矩，負荷彈簧使得輸出軸回到原來位置上，帶動柱塞，控制孔被打開，油返回到油腔內，動力活塞發(fā)生下移，最后停留到最小供油位。

3　柴油機電液調速技術分析

柴油機模型比較多，不同模型條件下的功用也不同，從理論上對柴油機電液調速技術進行研究，必須要針對于此用途建立專門的數學模型，同時確保準確性和精確性，以此揭示柴油機在電液調速方面的變化。因此，本文首先建立相關模型，并且以仿真模型為基礎進行計算，得出基于柴油機電液調速技術的PID控制策略。最后，獲取的實驗數據也證明數學建模的準確性，從而真正驗證本文所述技術具有一定的可行性。

（1）建立模型。柴油機電液調速技術的關鍵在于液壓執(zhí)行機構，對其液壓執(zhí)行機構的動態(tài)性能進行研究必須要先建立數學模型，一般情況下選擇傳遞函數法、狀態(tài)空間法等方法，本文選擇傳遞函數法對系統特性進行研究。

首先，對液壓執(zhí)行機構傳遞函數進行推導，其中涉及到幾個基本方程，具體包括閥的線性化分析及閥系數、滑閥的流量方程、液壓缸流量連續(xù)性方程、液壓缸和負載的力平衡方程、閥開口量方程等。

閥的線形化分析：

其中，QL為負載流量，XV是閥芯位移，PL是負載壓力。

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，PC是活塞頭端的控制壓力。

其次，建立起傳遞函數模型，以及相關仿真模型。具體是利用MATLAB仿真工具，對模型進行分層描述，確保用戶可以準確的建立計算模型，并且可以對動態(tài)控制系統進行直接處理。將相關參數帶入到公式中獲取閥控缸的具體工作參數：流量——壓力系數是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。

最后得到以下系統仿真模型，如圖2所示。

圖2　系統仿真模型

（2）仿真計算。液壓系統動態(tài)特征是基于原本平衡條件下，向另外新的平衡條件進行轉化的一個過程，引發(fā)動態(tài)過程的具體原因包括兩個方面：一方面是因為傳動和控制系統發(fā)生變化；另一方面是外界因素干擾。所以，對柴油機電液調速技術進行研究可以概括為液壓系統穩(wěn)定問題和過渡品質問題。利用仿真計算，能夠獲取液壓系統的動態(tài)特征。

以仿真模型為基礎，利用求解器實現仿真計算，其中要考慮幾個主要影響參數，包括阻尼比、固有頻率、流量增益、杠桿結構參數等，在研究過程中發(fā)現必須要采取措施提升阻尼比和液壓固有頻率，比如對旁路泄漏進行設置、選擇正開口閥、提升負載的粘性阻尼、降低控制腔的容積等。此外，還需要對穩(wěn)定性的影響因素進行綜合考慮，包括結構參數、結構剛度、非線性因素等，去除穩(wěn)態(tài)誤差后對仿真模型進行修正。

最后，對液壓伺服機構的各項影響因素進行充分考慮的前提下，對柴油機電液調速系統的動態(tài)特征進行仿真計算，利用調整參數組合的方法，最后得出較為理想的仿真結果。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；浮動杠桿結構參數是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、微分進行控制的控制器，這是現階段應用比較廣泛的控制器，其應用使得柴油機電液調速技術取得理想控制效果。控制系統的要求包括穩(wěn)定、精確以及快速，針對柴油機來說，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PID控制參數進行調整，成為對系統進行優(yōu)化控制的關鍵。

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

必須要增加積分環(huán)節(jié)。整定過程中把比例系數降低到80%，以補償由于增加積分而導致的系統穩(wěn)定性降低，對積分參數進行調升。確保系統一定動態(tài)性能的前提下，對靜差進行消除。此步驟反復進行，獲取理想效果；最后，增加微分調節(jié)的過程：以上兩步調整之后，如果系統動態(tài)過程和理想效果存在偏差，那么增加微分環(huán)節(jié)構成PID控制器的步驟。整定過程中，把微分系數設置成零，逐漸提升微分系數，對比例系數與微分系數進行調整，逐步獲取理想中的控制效果與控制參數。

（4）結果分析。調速器的性能會對柴油機運轉的穩(wěn)定可靠產生直接的影響。調速器安裝完畢，在對柴油機性能進行鑒定過程中，進行柴油機突變負荷試驗，利用瞬時記錄儀與轉速自動記錄儀對柴油機轉速變化曲線進行記錄，從而對調速器性能進行分析。

因此，得出以下結論：如果柴油機處于額定轉速為1050r/min時，處于一種穩(wěn)定的工作狀態(tài)，突卸負荷狀態(tài)下其最大瞬時轉速是1100r/min，此時瞬時調速率是5.5%，穩(wěn)定時間是7.0s；突加負荷狀態(tài)下最小瞬時轉速是980r/min，此時瞬時調速率是5.8%，穩(wěn)定時間是7.5s。此結果滿足瞬時調速率不大于10%，以及穩(wěn)定時間不大于10s的調速系統指標要求。

4　結語

系統仿真結果和柴油機調速試驗結果得出的數據相互吻合，證明建立模型與仿真計算是科學合理的。本文在對柴油機電液調速技術進行研究過程中也存在許多不足，和國外先進技術相比較而言，還存在很大差距，必須要結合我國實際情況，逐步發(fā)展，從而促進產品競爭力的提升。

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（1993-），男，山西臨汾人，大學本科，主要研究方向：汽車。

收稿日期：2016-01-17

中圖分類號：TK423

文獻標識碼：A

文章編號：2095-980X（2016）02-0013-02