高文中， 劉進(jìn)志， 程林章， 蘇會(huì)芳

(石家莊鐵道大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北石家莊050043)

0 引言

機(jī)械化施工是目前各項(xiàng)工程最主要的施工方式之一，必然大量使用各種挖掘機(jī)械。發(fā)動(dòng)機(jī)是挖掘機(jī)械的“心臟”，其高效、節(jié)能的工作，是工程順利進(jìn)行的保證。當(dāng)今能源緊張，油價(jià)飆升，環(huán)境問題突出，發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率和油耗問題，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度、施工環(huán)境和能源消耗。因此，研究柴油發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)具有重要意義。

目前國內(nèi)外挖掘機(jī)械油門控制的傳統(tǒng)方法，一般是由司機(jī)通過手動(dòng)控制油門來調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。司機(jī)操作頻繁，影響了機(jī)械的工作效率，有時(shí)難以顧及油門調(diào)節(jié)，造成了空載時(shí)燃料的無謂消耗。本設(shè)計(jì)是在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)有機(jī)械和電氣技術(shù)基礎(chǔ)上，增加測控系統(tǒng)，通過傳感器連接到工作裝置，實(shí)現(xiàn)油門的自動(dòng)控制。機(jī)械出力時(shí)，油門自動(dòng)升到設(shè)定轉(zhuǎn)速，機(jī)械不出力時(shí)，油門自動(dòng)降到怠速，從而達(dá)到節(jié)油、減排和提高工作效率的目的。適合所有國內(nèi)外挖掘機(jī)械的柱塞泵、PT泵柴油機(jī)和電噴柴油機(jī)的安裝使用［1］。

1 總體設(shè)計(jì)方案

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)總體方案框圖如圖1所示?？刂葡到y(tǒng)主要由油門控制器(ECU)、自動(dòng)/手動(dòng)開關(guān)、熄火按鈕、油門設(shè)定旋鈕、驅(qū)動(dòng)模塊、油門執(zhí)行器、空擋傳感器、油門位置傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器等組成［2］。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)上電后，控制器內(nèi)的計(jì)算機(jī)通過對油門設(shè)定信號和油門位置反饋信號的檢測和處理驅(qū)動(dòng)油門執(zhí)行器，使發(fā)動(dòng)機(jī)在油門設(shè)定的任意轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定可靠地工作。若因外界因素使油門增高或降低時(shí)，控制系統(tǒng)可自動(dòng)將油門調(diào)到最佳狀態(tài)?？諜n傳感器用于檢測操縱桿的狀態(tài)，當(dāng)操縱桿在空檔位置時(shí)，油門自動(dòng)降到怠速，當(dāng)操縱桿在工作位置時(shí)，油門立刻升到設(shè)定的轉(zhuǎn)速，可節(jié)約燃油2.5%～4.5%。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，控制器通過自檢后輸出故障碼，以示故障部位，同時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警。當(dāng)故障排除后，故障碼自動(dòng)清除，同時(shí)解除報(bào)警。

為了增強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，設(shè)計(jì)了自動(dòng)/手動(dòng)功能。應(yīng)急情況時(shí)，可采用手動(dòng)控制方式控制油門。熄火按鈕通過編程，可適合不同熄火方式的發(fā)動(dòng)機(jī)安裝使用。

2 控制系統(tǒng)模型及數(shù)字仿真

通過油門設(shè)定旋鈕將油門設(shè)定為φr，控制器將油門設(shè)定值φr與油門位置傳感器得到的實(shí)際反饋值φc進(jìn)行比較，輸出控制電壓ud到直流電機(jī)，使電機(jī)以速度n正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，通過減速機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)油門的大小，形成閉環(huán)控制［3］，使油門始終穩(wěn)定在設(shè)定的位置工作。系統(tǒng)控制框圖如圖2所示。圖2中，φr為給定油門位置角;Δφ為誤差輸出角;ud為電樞電壓;n為直流電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速;φc為實(shí)測油門位置角。

圖2 控制系統(tǒng)框圖

2.1 控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)

根據(jù)系統(tǒng)控制方案和原理分別求出各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)。比較環(huán)節(jié):Δφ=φr－φc;轉(zhuǎn)換及功率放大環(huán)節(jié):ud(s)/Δφ(s)=k1，k1為轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)放大系數(shù)。電機(jī)環(huán)節(jié):以直流電機(jī)電樞電壓ud為輸入，以轉(zhuǎn)速n作為輸出。傳遞函數(shù)為:其中，Td為電機(jī)電磁時(shí)間常數(shù);Ce為電機(jī)電勢常數(shù);Tm是電機(jī)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)，Tm=GD2Rd/375CmCe。減速環(huán)節(jié):減速器為蝸輪蝸桿。k2為減速器比例常數(shù)，傳遞函數(shù)為:φ(s)/n(s)=k2/s。由閉環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)求解方法求出系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為

式中，K=60/2π;由于Td很小可忽略，令Td=0，將相關(guān)電氣參數(shù)代入(1)式得

2.2 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

在發(fā)動(dòng)機(jī)的使用中一般使用轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，由柴油機(jī)速度特性可知，油門轉(zhuǎn)速設(shè)定值φn為常數(shù)，φn與設(shè)定轉(zhuǎn)角φr、執(zhí)行器轉(zhuǎn)角φc與轉(zhuǎn)速n之間為線性關(guān)系［1］，引入轉(zhuǎn)速后的系統(tǒng)簡化控制框圖如圖3所示。該系統(tǒng)的穩(wěn)定性可以等價(jià)為油門轉(zhuǎn)角閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。以國產(chǎn)6135G柴油機(jī)為例，額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，以設(shè)定1 300 r/min為例進(jìn)行分析。設(shè)控制器為比例控制，比例系數(shù)Kp=1，得傳遞函數(shù)的特征方程為

圖3 系統(tǒng)簡化控制框圖

由圖4看出，控制系統(tǒng)的超調(diào)量為14.38%;上升時(shí)間較短為0.35 s;調(diào)節(jié)時(shí)間為3 s;系統(tǒng)最終穩(wěn)定在1 220 r/min，與設(shè)定值差距較大。因此，系統(tǒng)不能滿足設(shè)計(jì)要求，不能進(jìn)行實(shí)際控制。需要進(jìn)行控制策略研究，本設(shè)計(jì)采用模糊PID控制器進(jìn)行控制。

2.3 模糊控制器設(shè)計(jì)及仿真

對于研究的柴油機(jī)油門電控系統(tǒng)，采用單變量二維模糊控制器［3］，以偏差e、偏差變化率ec作為模糊控制器的輸入變量，Kp、Ki、Kd作為輸出并封裝。在MATLAB模糊推理工具箱中，利用模糊編輯器(FIS Editor)設(shè)計(jì)的模糊控制器和仿真框圖如圖5所示。仿真曲線如圖6所示。

圖4與圖6比較，采用模糊控制器后，系統(tǒng)階躍響應(yīng)無振蕩，上升時(shí)間為0.3 s，調(diào)節(jié)時(shí)間為0.8 s，具有良好的動(dòng)態(tài)性能，且不存在穩(wěn)態(tài)靜差。

當(dāng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)由于外界負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，必然導(dǎo)致柴油機(jī)轉(zhuǎn)速迅速增大或減小，系統(tǒng)在加入擾動(dòng)干擾情況下的階躍響應(yīng)曲線如圖7所示，調(diào)節(jié)過程用時(shí)較短約為0.2 s。因此設(shè)計(jì)的模糊控制器滿足柴油機(jī)油門控制的要求，可以用于實(shí)際控制。

圖4 電控系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線

圖5 系統(tǒng)模糊控制器仿真框圖

圖6 模糊PID控制器系統(tǒng)階躍響應(yīng)

圖7 t=1 s時(shí)，突卸負(fù)荷時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)曲線

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖如圖8所示。控制器以C8051F020單片機(jī)［4］為控制核心，使用環(huán)境溫度－40～+80℃。硬件系統(tǒng)主要由油門控制電路、節(jié)能控制電路、報(bào)警電路和故障診斷顯示電路等組成。

圖8 發(fā)動(dòng)機(jī)油門電控系統(tǒng)硬件框圖

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制電路:轉(zhuǎn)速通過電位器的連續(xù)可調(diào)進(jìn)行設(shè)定，由控制器經(jīng)控制算法后控制直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)，使油門增大或減小，油門的實(shí)際位置又反饋到控制器形成閉環(huán)控制，從而達(dá)到控制和穩(wěn)定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。為了適應(yīng)不同發(fā)動(dòng)機(jī)對怠速和高速的不同要求，硬件系統(tǒng)均可進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置。

節(jié)能控制電路:將空擋開關(guān)量傳感器安裝在機(jī)械操縱桿或液壓操作系統(tǒng)的先導(dǎo)油路上，當(dāng)控制器檢測到機(jī)械不干活時(shí)，經(jīng)過延時(shí)(可設(shè)定)油門自動(dòng)降到怠速;當(dāng)機(jī)械干活時(shí)，油門立刻升到設(shè)定轉(zhuǎn)速工作。該設(shè)計(jì)既減輕了司機(jī)勞動(dòng)強(qiáng)度，又提高了機(jī)械效率，還減少了燃料的無謂消耗，達(dá)到了節(jié)能減排目的，適合所有的柴油機(jī)節(jié)能安裝。

故障監(jiān)測電路:單片機(jī)檢測到控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，以二進(jìn)制形式輸出故障部位代碼，同時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警，方便操作人員及時(shí)知道或排除系統(tǒng)發(fā)生的故障。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

發(fā)動(dòng)機(jī)油門控制采用模塊化的結(jié)構(gòu)。首先初始化，然后進(jìn)行系統(tǒng)自檢，若有故障，則顯示故障碼以示故障部位。若正常，則進(jìn)入相應(yīng)的處理程序，啟動(dòng)A/D，讀入油門設(shè)定值和油門反饋值，控制算法處理，最后向執(zhí)行機(jī)構(gòu)送出控制量。主程序流程框圖如圖9所示。

由于工程機(jī)械工作環(huán)境惡劣，為保證可靠性，進(jìn)行了抗干擾設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)方面，在控制器入口和A/D轉(zhuǎn)換器的入口進(jìn)行了濾波，I/O接口均采用光電隔離電路，設(shè)計(jì)了看門狗電路實(shí)現(xiàn)自動(dòng)復(fù)位。在軟件設(shè)計(jì)方面，采用指令冗余、軟件陷阱及軟件看門狗。微處理器采用掉電復(fù)位、端口交叉開關(guān)復(fù)位、比較器復(fù)位、系統(tǒng)時(shí)鐘丟失復(fù)位和軟件復(fù)位等措施。當(dāng)系統(tǒng)因上述原因死機(jī)時(shí)，控制系統(tǒng)可自動(dòng)復(fù)位恢復(fù)工作，提高了系統(tǒng)的可靠性。

5 結(jié)論

通過對柴油發(fā)動(dòng)機(jī)油門節(jié)能控制系統(tǒng)的分析，建立了系統(tǒng)控制模型，進(jìn)行了控制策略研究，并在MATLAB環(huán)境下進(jìn)行了數(shù)字仿真研究，結(jié)果表明:采用模糊PID控制技術(shù)設(shè)計(jì)的控制器，其動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)指標(biāo)得到了較大改善，控制效果良好，滿足了設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)了以C8051F020微處理器為核心的節(jié)能控制系統(tǒng)，進(jìn)行了系統(tǒng)硬、軟件設(shè)計(jì)和抗干擾設(shè)計(jì)。該裝置在6135柴油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制精度達(dá)±2 r/min，經(jīng)安裝在山推小松-6挖掘機(jī)上使用證明，平均節(jié)油2.5%～4.5%，操作簡單，運(yùn)行可靠，不僅節(jié)約燃料，而且減輕了操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了施工效率，達(dá)到了節(jié)能減排目的，適用于所有國產(chǎn)和進(jìn)口挖掘機(jī)械柴油發(fā)動(dòng)機(jī)安裝使用，應(yīng)用前景廣闊。

圖9 主程序流程

［1］王定祥，劉興國.現(xiàn)代工程機(jī)械柴油機(jī)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［2］王宏橋，李駿，劉巽俊.車用柴油機(jī)電控系統(tǒng)電子控制單元的開發(fā)［J］.中國機(jī)械工程，2001(z1):220-222.

［3］劉金琨.智能控制［M］.2版.北京:電子工業(yè)出版社，2009:32-43.

［4］張俊謨.SoC單片機(jī)原理與應(yīng)用—基于C8051F系列［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2007.