孫現(xiàn)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(fā)展，數(shù)字式調(diào)速器也應運而生，并在調(diào)速器技術發(fā)展中占據(jù)了主導地位。它不但很好地解決了機械式調(diào)速器動態(tài)響應滯后，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，為改善柴油機的綜合性能，對相關參數(shù)需要反復調(diào)整，進而也就造成了成本的增加，同時也會對調(diào)試工人的技術要求增加[2-3]。

1 柴油機啟動粗暴問題的優(yōu)化

鑒于在海因茲曼數(shù)字電子調(diào)速器標準化程序中所設置的的原始參數(shù)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(fā)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(wěn)，各啟動性能良好。設定參數(shù) ：240 Start Speed Ramp On 為1，來實現(xiàn)該斜坡功能。在柴油機達到參數(shù)255 Start Speed 1設定的啟動轉速后，調(diào)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(shù)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(shù)240 Start Speed Ramp Up設定的斜度，從參數(shù)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(wěn)，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(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)的響應達到快速準確和穩(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，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，它能對轉速穩(wěn)定后有累積誤差的進行系統(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設置合適的情況下，可提高系統(tǒng)的動態(tài)性能指標，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PID參數(shù)的調(diào)整

PID參數(shù)的調(diào)整是基準，需啟動柴油機并調(diào)整到額定轉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?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)的轉速波動消失，如果無法實現(xiàn)，則須適當降低積分參數(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?？芍貜瓦M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(wěn)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(shù)值。

2.2.2 三維PID參數(shù)值設定

對于以固定轉速的柴油機，可一次性調(diào)整好基準PID參數(shù)。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(jù)噴油量和轉速的變化去改變動態(tài)參數(shù)，需修正基準PID動態(tài)響應參數(shù)。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(tài)響應參數(shù)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(tài)響應參數(shù)就需要相應提高。一般在空載和額定轉速的情況下，PID參數(shù)是設定好的。但在實際情況下，怠速時就需減小PID參數(shù)值，當然加載后就需增大參數(shù)值，這樣設定好的PID參數(shù)值就當作修正的基準值，若修正參數(shù)值設定為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400%，減小修正后的參數(shù)值，最小可達10%。如圖6所示。

圖5 三維PID參數(shù)值

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

如果負載不穩(wěn)定，柴油機轉速也容易引起波動，原因其一就是：發(fā)動機穩(wěn)態(tài)運行時，所設置的比例參數(shù)值比較小，負載變化時，很難再穩(wěn)定控制住柴油機。為此，在標準參數(shù)文件中也開啟了設定穩(wěn)態(tài)運行時的轉速變化對PID參數(shù)值的修正，即：在動態(tài)負載時，PID參數(shù)值調(diào)整到相對應值，穩(wěn)態(tài)運行時，PID參數(shù)值相應地減小。這樣不但保證柴油機在穩(wěn)態(tài)運行時平穩(wěn)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(shù)111 Static Corr Range設定的范圍內(nèi)，轉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，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(shù)4110 Static Corr On = 1，可以啟用此修正功能。

3 結束語

數(shù)字電調(diào)標準化程序的設計使某系列柴油機與海因茲曼電子調(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(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，同時使柴油機的性能得到了大幅度提升。