田玉，何西常，關(guān)立哲，張眾杰，董素榮，劉瑞林

（1.煙臺(tái)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系，山東煙臺(tái)264000；2.工程兵學(xué)院工程裝備與保障系，江蘇徐州221000；3.軍事交通學(xué)院科研部，天津300161；4.軍事交通學(xué)院軍用車輛系，天津300161）

柴油機(jī)低氣壓模擬系統(tǒng)是柴油機(jī)高原適應(yīng)性模擬試驗(yàn)中極其重要的組成部分［1-2］。在柴油機(jī)低氣壓模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，既要實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)，又要對(duì)環(huán)境參數(shù)的變化做出及時(shí)正確的控制調(diào)整。本文在分析PID 控制算法和模糊控制算法的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了進(jìn)氣壓力模糊PID 控制器。該控制器由PID 控制器和模糊控制器組成，模糊控制器根據(jù)壓力調(diào)整過(guò)程修改PID 控制器的參數(shù)，確保模擬控制參數(shù)的精確、穩(wěn)定。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

柴油機(jī)低氣壓模擬系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)控制的方式，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要包括工業(yè)控制機(jī)、進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥、排氣調(diào)節(jié)閥、連通電磁閥、真空泵1開(kāi)關(guān)、真空泵2開(kāi)關(guān)、壓力傳感器、溫度傳感器、流量計(jì)、進(jìn)氣穩(wěn)壓箱、排氣穩(wěn)壓箱等。

圖1 柴油機(jī)低氣壓模擬控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of diesel engine′s low pressure simulation control system

從圖1中看出，控制系統(tǒng)輸入量有6個(gè)，輸出量有5個(gè)，其中壓力信號(hào)P1控制進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，壓力信號(hào)P2控制排氣調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，進(jìn)氣流量信號(hào)F1控制真空泵1和真空泵2的開(kāi)、關(guān)，連通電磁閥的開(kāi)閉由模擬系統(tǒng)工作狀態(tài)決定，溫度信號(hào)T1，T2，T3是狀態(tài)量參數(shù)，作為檢測(cè)工作是否異常的信號(hào)。

2 模糊PID控制算法及控制器設(shè)計(jì)

PID 控制算法對(duì)大多數(shù)過(guò)程都具有較好的控制效果和適應(yīng)性，且PID參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)在線自動(dòng)化調(diào)整；模糊控制對(duì)過(guò)程參數(shù)的變化不敏感，能夠克服非線性因素的影響。把PID 控制和模糊控制結(jié)合起來(lái)就產(chǎn)生了模糊PID 控制［3］。模糊PID 控制對(duì)輸出響應(yīng)的波形進(jìn)行在線監(jiān)控，求出作為控制性能的指標(biāo)，并用專家調(diào)整知識(shí)建立調(diào)整規(guī)則IF-THEN 模型，利用模糊邏輯推理，實(shí)時(shí)調(diào)整PID 參數(shù)，使PID 控制器適應(yīng)被控對(duì)象的變化，能獲得良好的控制性能［4］。PID 控制和模糊控制策略結(jié)合起來(lái)組成新的控制器，可以大大改善傳統(tǒng)PID 控制器的功能，為實(shí)際控制參數(shù)變化較大的非線性系統(tǒng)提供了一個(gè)良好的方法［5］。

2.1 進(jìn)、排氣壓力模擬系統(tǒng)模糊PID算法設(shè)計(jì)

在柴油機(jī)低氣壓模擬系統(tǒng)中，發(fā)動(dòng)機(jī)工況變化時(shí)，進(jìn)氣穩(wěn)壓箱氣體流出流量Qv_out也隨之變化，即控制對(duì)象的參數(shù)是不斷變化的，且模擬系統(tǒng)要滿足適應(yīng)多種發(fā)動(dòng)機(jī)的需求。因此，設(shè)計(jì)的低氣壓模擬系統(tǒng)采用模糊PID 控制算法，利用模糊控制調(diào)整PID 控制器的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)PID 參數(shù)的自整定。利用模糊控制算法的控制系統(tǒng)原理見(jiàn)圖2。

圖2 模糊PID控制系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of fuzzy-PID control system

在控制中，先設(shè)定PID 控制器的初始參數(shù)KP，KI，KD，通過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)的輸出值，并實(shí)時(shí)計(jì)算出偏差和偏差變化率，然后將其模糊化得到E，EC，通過(guò)模糊推理計(jì)算得到UP，UI，UD的值，從而得到參數(shù)KP，KI，KD的變化值，用這個(gè)變化值修正PID控制器的參數(shù)，從而完成控制器參數(shù)的調(diào)整。

2.2 模糊PID控制器設(shè)計(jì)

2.2.1 控制器結(jié)構(gòu)

控制器采用兩輸入、三輸出的結(jié)構(gòu)，以誤差e和誤差變化率ec 為輸入量，PID 控制器參數(shù)調(diào)整量ΔKP，ΔKI，ΔKD為輸出量。進(jìn)排氣穩(wěn)壓箱設(shè)定的壓力為P′，測(cè)量的壓力為P，其誤差e=P′-P，取語(yǔ)言變量為E。壓力誤差前后2次采樣值的變化量ec=e2-e1，取其語(yǔ)言變量為EC。系統(tǒng)的輸出控制量為ΔKP，ΔKI，ΔKD，其語(yǔ)言變量為UP，UI，UD。E和EC的語(yǔ)言值取為｛負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大｝，記為：｛NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB｝。UP，UI，UD的語(yǔ)言值取為｛負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大｝，記為：｛NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB｝。E和EC的論域?yàn)椋簕-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。UP，UI，UD的論域?yàn)椋簕-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。

2.2.2 模糊控制規(guī)則

模糊控制規(guī)則的建立是設(shè)計(jì)模糊控制器的關(guān)鍵。模糊自整定PID參數(shù)的目的是使參數(shù)KP，KI，KD隨著e和ec的變化而自行調(diào)整，故應(yīng)首先建立它們之間的關(guān)系，根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，參數(shù)KP，KI，KD在不同的e和ec下要滿足如下調(diào)整原則：1）當(dāng)e較大時(shí)，為加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度使系統(tǒng)具有較好的跟蹤性，防止因開(kāi)始時(shí)e的瞬間變大可能會(huì)引起的微分溢出，應(yīng)取較大的KP和較小的KD；同時(shí)由于積分作用太強(qiáng)會(huì)使系統(tǒng)超調(diào)加大，因而要對(duì)積分作用加以限制，通常取較小的KI；2）當(dāng)e中等大小時(shí)，為減小系統(tǒng)的超調(diào)量，保證一定的響應(yīng)速度，KP應(yīng)適當(dāng)減小；在這種情況下，KD的取值對(duì)系統(tǒng)的影響較大，值應(yīng)取小些，KI的取值大小要適中；3）當(dāng)e較小時(shí)，為了減小穩(wěn)態(tài)誤差，使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)態(tài)性能，KP與KI應(yīng)取得大些，為了避免輸出響應(yīng)在設(shè)定值附近振蕩，同時(shí)考慮系統(tǒng)的抗干擾性能，當(dāng)ec較大時(shí)，KD的取值可取得小些；當(dāng)ec較小時(shí)KD的取值可大些。

根據(jù)以上規(guī)則可得參數(shù)UP，UI，UD的模糊控制視圖見(jiàn)圖3，UP，UI，UD模糊控制表見(jiàn)表1～表3。

圖3 模糊控制規(guī)則視圖Fig.3 View of fuzzy control regulation

表1 UP模糊控制規(guī)則表Tab.1 UPfuzzy-control regulation table

表2 UI模糊控制規(guī)則表Tab.2 UIfuzzy-control regulation table

表3 UD模糊控制規(guī)則表Tab.3 UDfuzzy-control regulation table

2.2.3 PID參數(shù)自整定的實(shí)現(xiàn)

通過(guò)模糊控制器得到了不同e，ec 條件下的PID 參數(shù)KP，KI，KD的調(diào)節(jié)值ΔKP,ΔKI,ΔKD，通過(guò)以下公式可得到PID控制器的參數(shù)值：

KP=KP0+ΔKP（1）

KI=KI0+ΔKI（2）

KD=KD0+ΔKD（3）

式中：KP0,KD0,KI0為KP，KI，KD的初始參數(shù)。

模糊PID參數(shù)自整定工作流程見(jiàn)圖4。

圖4 模糊PID參數(shù)自整定工作流程圖Fig.4 Working process of fuzzy-PID parameters′self-turning

在運(yùn)行時(shí)，通過(guò)控制系統(tǒng)不斷的檢測(cè)系統(tǒng)的輸出響應(yīng)值，并實(shí)時(shí)計(jì)算偏差和偏差變化率，然后將其模糊化得到E，EC，通過(guò)查詢模糊調(diào)整控制表可得到UP，UI，UD的值，從而得到ΔKP，ΔKI，ΔKD，完成對(duì)控制器參數(shù)的調(diào)整。

3 系統(tǒng)調(diào)試

進(jìn)、排氣壓力控制系統(tǒng)調(diào)試的主要目的是檢驗(yàn)進(jìn)、排氣壓力和溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制速度和精度，調(diào)試目標(biāo)是壓力控制誤差≤±1.5 kPa，壓力調(diào)節(jié)時(shí)間≤3 min；環(huán)境溫度能夠降到-41℃，降溫時(shí)間＜30 min。由于進(jìn)、排氣壓力控制系統(tǒng)性能除了受自身性能的影響外，還受測(cè)功系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)本身控制系統(tǒng)影響。調(diào)試過(guò)程如下：1）進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)不運(yùn)行時(shí)的控制系統(tǒng)調(diào)試試驗(yàn)；2）進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在某一穩(wěn)定工況時(shí)不同目標(biāo)壓力下的調(diào)試試驗(yàn)；3）進(jìn)行恒定目標(biāo)壓力下發(fā)動(dòng)機(jī)變工況下的系統(tǒng)調(diào)試試驗(yàn)。調(diào)試用發(fā)動(dòng)機(jī)為某6缸高壓共軌柴油機(jī)，其排量為2.8 L、標(biāo)定轉(zhuǎn)速和功率分別為3 600 r/min和92 kW。

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)不運(yùn)行時(shí)的系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果

發(fā)動(dòng)機(jī)不運(yùn)行時(shí)的系統(tǒng)調(diào)試主要用于測(cè)試直接利用真空泵抽排氣穩(wěn)壓箱內(nèi)大氣時(shí)，排氣壓力控制系統(tǒng)的控制性能。設(shè)定目標(biāo)壓力，控制排氣調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，進(jìn)行調(diào)試。圖5a 和圖5b 分別為目標(biāo)壓力為90 kPa 和47 kPa 時(shí)的壓力控制曲線，由控制曲線可見(jiàn)，控制系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)態(tài)氣體空間進(jìn)行壓力控制時(shí)，系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間短（＜3 min），壓力波動(dòng)?。ǎ?.5 kPa），控制精度高。

圖5 壓力控制過(guò)程Fig.5 Pressure control process

3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)變目標(biāo)壓力下的調(diào)試結(jié)果

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在某一穩(wěn)態(tài)工況變目標(biāo)壓力的過(guò)程進(jìn)行調(diào)試，圖6為發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在1 400 r/min全負(fù)荷工況時(shí)，不同目標(biāo)壓力下進(jìn)、排氣穩(wěn)壓箱的壓力調(diào)節(jié)曲線。

圖6 穩(wěn)態(tài)工況下發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)、排氣壓力Fig.6 Intake and exhaust pressure under steady working condition

由圖6 可見(jiàn)：進(jìn)氣穩(wěn)壓箱壓力調(diào)節(jié)的速度較快，調(diào)節(jié)的精度也能夠滿足要求，雖然目標(biāo)壓力分別為47 kPa和52 kPa時(shí)，進(jìn)氣穩(wěn)壓箱壓力出現(xiàn)了波動(dòng)，但波動(dòng)范圍上下不超過(guò)1.5 kPa，能夠滿足試驗(yàn)要求。由于排氣不穩(wěn)定，排氣穩(wěn)壓箱壓力調(diào)整速度較慢，當(dāng)目標(biāo)壓力為80 kPa 時(shí)，出現(xiàn)了震蕩，但最后基本收斂在目標(biāo)值。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在變目標(biāo)壓力時(shí)，控制系統(tǒng)能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在變工況時(shí)的系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果

將進(jìn)、排氣壓力固定在某一海拔大氣壓力下，改變發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況，檢驗(yàn)進(jìn)、排氣壓力控制系統(tǒng)的性能。圖7為進(jìn)排氣壓力控制曲線，圖7中點(diǎn)A，B，C 和D 分別對(duì)應(yīng)3 600 r/min，2 000 r/min，2 800 r/min和2 400 r/min工況調(diào)整的點(diǎn)，在上述不同轉(zhuǎn)速下進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性試驗(yàn)，此時(shí)進(jìn)、排氣穩(wěn)壓箱的目標(biāo)壓力分別為60 kPa和61.5 kPa。調(diào)試結(jié)果表明：轉(zhuǎn)速比負(fù)荷對(duì)進(jìn)、排氣壓力控制系統(tǒng)的影響要大，從常壓到目標(biāo)壓力的調(diào)試時(shí)間約3 min，工況調(diào)整時(shí)（B，C 和D 點(diǎn)）對(duì)應(yīng)的調(diào)整時(shí)間分別為2.3 min，1.7 min和1.5 min，不同轉(zhuǎn)速下的負(fù)荷試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)，負(fù)荷從高到低進(jìn)行調(diào)整，在不同轉(zhuǎn)速之間出現(xiàn)的小波峰為發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷變化時(shí)對(duì)進(jìn)、排氣壓力調(diào)整的影響。低負(fù)荷區(qū)域（如C點(diǎn)和D 點(diǎn)之間，靠近D 點(diǎn)的區(qū)域）的控制誤差相對(duì)較大，達(dá)到±2.0 kPa，其他工況下控制精度基本在±1 kPa以內(nèi)。綜上在變工況下進(jìn)、排氣壓力控制系統(tǒng)的性能總體達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)，滿足變工況下的試驗(yàn)需求。

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)變工況進(jìn)、排氣壓力變化Fig.7 Intake and exhaust pressure under variable working conditions

在系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中，KP，KI，KD的變化曲線如圖8 所示。從圖8 中可看出，隨著e 和ec 的變化，模糊控制器對(duì)PID 參數(shù)的調(diào)整過(guò)程。KP0=0.016 79，KI0=0.004 842，KD0=0.000 741 2，當(dāng)e 較大時(shí)，KP相對(duì)初始值有較大增加，增加到0.018左右，KI基本沒(méi)有變化，KD有少量的增加，增加到0.000 82；當(dāng)e中等大小時(shí)，KP有一定的減小，減小到0.016 5，KI也減少到0.047 5，KD減少較多，到了0.000 72；當(dāng)e 較小時(shí)，KP有較大的增加，增加到0.019，KI有一定的增加，增加到0.004 8，KD有較小的減少，減小到0.000 705。

圖8 模糊PID控制算法中KP，KI，KD的變化曲線Fig.8 KP，KI，KDin fuzzy-PID arithmetic

由上述3次調(diào)試結(jié)果可見(jiàn)：開(kāi)發(fā)的進(jìn)、排氣壓力控制系統(tǒng)穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性均滿足開(kāi)發(fā)要求，壓力控制誤差基本在1.5 kPa 以內(nèi)，壓力調(diào)節(jié)時(shí)間小于3 min，該系統(tǒng)可用于高壓共軌柴油機(jī)高海拔下的標(biāo)定和性能模擬實(shí)驗(yàn)。

4 結(jié)論

1）在柴油機(jī)低氣壓模擬試驗(yàn)臺(tái)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了低氣壓模擬控制系統(tǒng)。該低氣壓模擬控制系統(tǒng)能夠滿足柴油機(jī)在不同工況下的模擬試驗(yàn)需求。2）采用模糊PID控制算法，設(shè)計(jì)了柴油機(jī)進(jìn)、排氣壓力控制器。測(cè)試結(jié)果表明：柴油機(jī)進(jìn)、排氣壓力控制誤差在1.5 kPa以內(nèi)，壓力調(diào)節(jié)時(shí)間小于3 min。

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