某系列柴油機與電子調速器匹配標準化參數優化

孫現偉，張青鋒，孫延斐，唐 毅，劉 峰，陳孝平

(河南柴油機重工有限責任公司，河南 洛陽 471039)

某系列柴油機是本公司從德國DEUTZ集團引進，該系列柴油機具有世界先進水平。伴隨著電子技術高速發展，數字式調速器也應運而生，并在調速器技術發展中占據了主導地位。它不但很好地解決了機械式調速器動態響應滯后，同時也解決了調速精度低等問題[1]。但是在實際工作中，數字電調的靈活性也存在一定的瓶頸，為改善柴油機的綜合性能，對相關參數需要反復調整，進而也就造成了成本的增加，同時也會對調試工人的技術要求增加[2-3]。

1 柴油機啟動粗暴問題的優化

鑒于在海因茲曼數字電子調速器標準化程序中所設置的的原始參數文件中，未設定起用斜度啟動，所以柴油機在啟動時比較粗暴，啟動以后需3～4 s升至額定轉速。但在實際情況下，發動機啟動后，往往需緩慢地升到設定的轉速，目的是減小不必要的磨損以及轉速過大而引起的波動。

通過加入帶斜度的啟動功能，柴油機啟動平穩，各啟動性能良好。設定參數 ：240 Start Speed Ramp On 為1，來實現該斜坡功能。在柴油機達到參數255 Start Speed 1設定的啟動轉速后，調速器即認可柴油機正在被啟動，將設定轉速從0迅速升至參數257 Start Speed 3設定的轉速值，在柴油機運行后，設定的轉速將會以參數240 Start Speed Ramp Up設定的斜度，從參數257 Start Speed 3設定的轉速值升至外部轉速設定裝置所設定的轉速值。

當柴油機啟動后，以一定的速度緩慢升至設定轉速，柴油機此時升速較平穩，怠速至額定轉速的時間一般為8～10 s，即能滿足一般需求。

2 柴油機轉速波動的優化

2.1 PID各參數的控制作用

PID參數有針對性的實現閉環控制系統的響應達到快速準確和穩定的最佳狀態。增大比例參數P將加快系統的響應，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I，它能對轉速穩定后有累積誤差的進行系統誤差修整，減小穩態誤差，作用是消除穩態誤差。在微分參數D設置合適的情況下，可提高系統的動態性能指標，減小系統超調量，增加穩定性，減小動態誤差。所以，比例參數P控制系統響應的快速性，并快速作用于輸出。

2.2 PID控制器參數的調節實例

2.2.1 基準PID參數的調整

PID參數的調整是基準，需啟動柴油機并調整到額定轉速空載的情況下來調整此參數，調整過程如下。

1)比例參數100 Gain的參數值逐漸增大，到轉速出現波動，再緩慢地減小參數值，直至波動減小到適當的程度或消失。圖1為比例參數值太小，圖2為比例參數值太大。

圖1 PID增益太低

圖2 PID增益太高

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

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102 Derivative的參數值逐漸增大，直至前面出現的轉速波動消失，如果無法實現，則須適當降低積分參數。

4)PID調整順序：調試過程中，可依次調節P、I、D之后再調P和I。可重復進行1)～3)過程，直至達到理想的結果。

5)人為過程干擾造成轉速波動，若轉速恢復穩定的過程不理想，則重復上述過程，待控制效果滿意后，存儲參數值。

2.2.2 三維PID參數值設定

對于以固定轉速的柴油機，可一次性調整好基準PID參數。而對于工程機械或船用主機用柴油機，轉速的范圍較大，要依據噴油量和轉速的變化去改變動態參數，需修正基準PID動態響應參數。隨著柴油機轉速的提高，柴油機的動能也會提高，同樣控制器的動態響應參數也要提高。當柴油機帶動負載后，柴油機的加速特性就會降低，動態響應參數就需要相應提高。一般在空載和額定轉速的情況下，PID參數是設定好的。但在實際情況下，怠速時就需減小PID參數值，當然加載后就需增大參數值，這樣設定好的PID參數值就當作修正的基準值，若修正參數值設定為100%，原參數值保持不變，以此為起點，增大修正后的參數值，最大可達400%，減小修正后的參數值，最小可達10%。如圖6所示。

圖5 三維PID參數值

2.2.3 設定穩態運行時的轉速變化對PID參數值的修正

如果負載不穩定，柴油機轉速也容易引起波動，原因其一就是：發動機穩態運行時，所設置的比例參數值比較小，負載變化時，很難再穩定控制住柴油機。為此，在標準參數文件中也開啟了設定穩態運行時的轉速變化對PID參數值的修正，即：在動態負載時，PID參數值調整到相對應值，穩態運行時，PID參數值相應地減小。這樣不但保證柴油機在穩態運行時平穩運行，同時又能應對大的負載變化時做出快速響應。如果在參數111 Static Corr Range設定的范圍內，轉速的波動偏差仍然較大，則按照參數110Static Corr Factor來修正PID參數，如果轉速的波動偏差值超過上述參數范圍的兩倍以上，原PID參數則需恢復，若偏差處于二者之間，控制器則按比例推算修正值。

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

3 結束語

數字電調標準化程序的設計使某系列柴油機與海因茲曼電子調速器匹配更加優化，從而改善了柴油機啟動粗暴及轉速波動等問題，提升了柴油機的性能。同時也保證了參數的一致性，縮短了調試時間，在大大降低生產成本的同時，提高了生產效率，同時使柴油機的性能得到了大幅度提升。