挖掘机械柴油发动机油门节能控制系统研究

2011-07-25高文中刘进志程林章苏会芳

石家庄铁道大学学报(自然科学版) 2011年3期

高文中，刘进志，程林章，苏会芳

(石家庄铁道大学机械工程学院，河北石家庄050043)

0 引言

机械化施工是目前各项工程最主要的施工方式之一，必然大量使用各种挖掘机械。发动机是挖掘机械的“心脏”，其高效、节能的工作，是工程顺利进行的保证。当今能源紧张，油价飙升，环境问题突出，发动机工作效率和油耗问题，严重影响施工进度、施工环境和能源消耗。因此，研究柴油发动机节能控制系统具有重要意义。

目前国内外挖掘机械油门控制的传统方法，一般是由司机通过手动控制油门来调节发动机转速。司机操作频繁，影响了机械的工作效率，有时难以顾及油门调节，造成了空载时燃料的无谓消耗。本设计是在柴油发动机现有机械和电气技术基础上，增加测控系统，通过传感器连接到工作装置，实现油门的自动控制。机械出力时，油门自动升到设定转速，机械不出力时，油门自动降到怠速，从而达到节油、减排和提高工作效率的目的。适合所有国内外挖掘机械的柱塞泵、PT泵柴油机和电喷柴油机的安装使用［1］。

1 总体设计方案

柴油发动机节能控制系统总体方案框图如图1所示。控制系统主要由油门控制器(ECU)、自动/手动开关、熄火按钮、油门设定旋钮、驱动模块、油门执行器、空挡传感器、油门位置传感器和转速传感器等组成［2］。

图1 系统总体设计方案

系统上电后，控制器内的计算机通过对油门设定信号和油门位置反馈信号的检测和处理驱动油门执行器，使发动机在油门设定的任意转速下稳定可靠地工作。若因外界因素使油门增高或降低时，控制系统可自动将油门调到最佳状态。空档传感器用于检测操纵杆的状态，当操纵杆在空档位置时，油门自动降到怠速，当操纵杆在工作位置时，油门立刻升到设定的转速，可节约燃油2.5%～4.5%。当发动机控制系统出现故障时，控制器通过自检后输出故障码，以示故障部位，同时发出声光报警。当故障排除后，故障码自动清除，同时解除报警。

为了增强系统运行的可靠性，设计了自动/手动功能。应急情况时，可采用手动控制方式控制油门。熄火按钮通过编程，可适合不同熄火方式的发动机安装使用。

2 控制系统模型及数字仿真

通过油门设定旋钮将油门设定为φr，控制器将油门设定值φr与油门位置传感器得到的实际反馈值φc进行比较，输出控制电压ud到直流电机，使电机以速度n正转或反转，通过减速机构调节发动机油门的大小，形成闭环控制［3］，使油门始终稳定在设定的位置工作。系统控制框图如图2所示。图2中，φr为给定油门位置角;Δφ为误差输出角;ud为电枢电压;n为直流电机的输出转速;φc为实测油门位置角。

图2 控制系统框图

2.1 控制系统传递函数

根据系统控制方案和原理分别求出各环节传递函数。比较环节:Δφ=φr－φc;转换及功率放大环节:ud(s)/Δφ(s)=k1，k1为转换环节放大系数。电机环节:以直流电机电枢电压ud为输入，以转速n作为输出。传递函数为:其中，Td为电机电磁时间常数;Ce为电机电势常数;Tm是电机的机电时间常数，Tm=GD2Rd/375CmCe。减速环节:减速器为蜗轮蜗杆。k2为减速器比例常数，传递函数为:φ(s)/n(s)=k2/s。由闭环系统传递函数求解方法求出系统闭环传递函数为

式中，K=60/2π;由于Td很小可忽略，令Td=0，将相关电气参数代入(1)式得

2.2 系统稳定性分析

在发动机的使用中一般使用转速进行控制，由柴油机速度特性可知，油门转速设定值φn为常数，φn与设定转角φr、执行器转角φc与转速n之间为线性关系［1］，引入转速后的系统简化控制框图如图3所示。该系统的稳定性可以等价为油门转角闭环控制系统的稳定性。以国产6135G柴油机为例，额定转速为1 500 r/min，以设定1 300 r/min为例进行分析。设控制器为比例控制，比例系数Kp=1，得传递函数的特征方程为

图3 系统简化控制框图

由图4看出，控制系统的超调量为14.38%;上升时间较短为0.35 s;调节时间为3 s;系统最终稳定在1 220 r/min，与设定值差距较大。因此，系统不能满足设计要求，不能进行实际控制。需要进行控制策略研究，本设计采用模糊PID控制器进行控制。

2.3 模糊控制器设计及仿真

对于研究的柴油机油门电控系统，采用单变量二维模糊控制器［3］，以偏差e、偏差变化率ec作为模糊控制器的输入变量，Kp、Ki、Kd作为输出并封装。在MATLAB模糊推理工具箱中，利用模糊编辑器(FIS Editor)设计的模糊控制器和仿真框图如图5所示。仿真曲线如图6所示。

图4与图6比较，采用模糊控制器后，系统阶跃响应无振荡，上升时间为0.3 s，调节时间为0.8 s，具有良好的动态性能，且不存在稳态静差。

当柴油发动机由于外界负荷发生变化时，必然导致柴油机转速迅速增大或减小，系统在加入扰动干扰情况下的阶跃响应曲线如图7所示，调节过程用时较短约为0.2 s。因此设计的模糊控制器满足柴油机油门控制的要求，可以用于实际控制。

图4 电控系统阶跃响应曲线

图5 系统模糊控制器仿真框图

图6 模糊PID控制器系统阶跃响应

图7 t=1 s时，突卸负荷时系统响应曲线

3 系统硬件设计

控制系统硬件设计框图如图8所示。控制器以C8051F020单片机［4］为控制核心，使用环境温度－40～+80℃。硬件系统主要由油门控制电路、节能控制电路、报警电路和故障诊断显示电路等组成。

图8 发动机油门电控系统硬件框图

发动机转速控制电路:转速通过电位器的连续可调进行设定，由控制器经控制算法后控制直流电机正反转，使油门增大或减小，油门的实际位置又反馈到控制器形成闭环控制，从而达到控制和稳定发动机转速的目的。为了适应不同发动机对怠速和高速的不同要求，硬件系统均可进行相应设置。

节能控制电路:将空挡开关量传感器安装在机械操纵杆或液压操作系统的先导油路上，当控制器检测到机械不干活时，经过延时(可设定)油门自动降到怠速;当机械干活时，油门立刻升到设定转速工作。该设计既减轻了司机劳动强度，又提高了机械效率，还减少了燃料的无谓消耗，达到了节能减排目的，适合所有的柴油机节能安装。

故障监测电路:单片机检测到控制系统出现故障时，以二进制形式输出故障部位代码，同时发出声光报警，方便操作人员及时知道或排除系统发生的故障。

4 系统软件设计

发动机油门控制采用模块化的结构。首先初始化，然后进行系统自检，若有故障，则显示故障码以示故障部位。若正常，则进入相应的处理程序，启动A/D，读入油门设定值和油门反馈值，控制算法处理，最后向执行机构送出控制量。主程序流程框图如图9所示。

由于工程机械工作环境恶劣，为保证可靠性，进行了抗干扰设计。硬件设计方面，在控制器入口和A/D转换器的入口进行了滤波，I/O接口均采用光电隔离电路，设计了看门狗电路实现自动复位。在软件设计方面，采用指令冗余、软件陷阱及软件看门狗。微处理器采用掉电复位、端口交叉开关复位、比较器复位、系统时钟丢失复位和软件复位等措施。当系统因上述原因死机时，控制系统可自动复位恢复工作，提高了系统的可靠性。

5 结论

通过对柴油发动机油门节能控制系统的分析，建立了系统控制模型，进行了控制策略研究，并在MATLAB环境下进行了数字仿真研究，结果表明:采用模糊PID控制技术设计的控制器，其动态性能和稳态指标得到了较大改善，控制效果良好，满足了设计要求。设计了以C8051F020微处理器为核心的节能控制系统，进行了系统硬、软件设计和抗干扰设计。该装置在6135柴油机发动机上进行试验，发动机转速的控制精度达±2 r/min，经安装在山推小松-6挖掘机上使用证明，平均节油2.5%～4.5%，操作简单，运行可靠，不仅节约燃料，而且减轻了操作人员劳动强度，提高了施工效率，达到了节能减排目的，适用于所有国产和进口挖掘机械柴油发动机安装使用，应用前景广阔。