陳寶華

（婁底職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 婁底 417000）

小型汽油機智能化電子調(diào)速系統(tǒng)研究

陳寶華

（婁底職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 婁底 417000）

隨著小型汽油機在農(nóng)業(yè)機械上的廣泛應(yīng)用，對其調(diào)速性能的要求也在不斷提高。為了滿足和提高小型農(nóng)用動力機械設(shè)備的綜合技術(shù)性能，在小型汽油機上逐步推廣使用數(shù)字電子調(diào)速系統(tǒng)。文章分析了汽油機電子調(diào)速器的動態(tài)特性，并設(shè)計采用了自適應(yīng)數(shù)字PID控制系統(tǒng)，根據(jù)汽油機調(diào)速過渡過程的要求，設(shè)計了一套智能化速度變量調(diào)整系統(tǒng)，以全面優(yōu)化電子調(diào)速器的動態(tài)響應(yīng)特性，在提高時調(diào)速率值的同時，能及時自動修正超調(diào)量，縮短穩(wěn)態(tài)定速時間。試驗結(jié)果證實：該電子調(diào)速系統(tǒng)的綜合調(diào)速能力優(yōu)，超調(diào)量自適應(yīng)修正能力強，瞬時定速穩(wěn)態(tài)性能好，整機結(jié)構(gòu)簡單成本低，具有較強的推廣和應(yīng)用價值。

電子調(diào)速系統(tǒng)；小型汽油機；智能調(diào)速器；專家自適應(yīng)PID

一般中小型內(nèi)燃機主要采用機械式調(diào)速器，大功率柴油機多采用液壓調(diào)速器，都是通過飛塊所產(chǎn)生的離心力隨轉(zhuǎn)速變化的特性來控制齒條的位移，進(jìn)而控制供油量，使內(nèi)燃機的轉(zhuǎn)速在一定時間范圍內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定，從而達(dá)到調(diào)速的目的。而電子調(diào)速器的主要功能是將必要的信息全部轉(zhuǎn)換成電信號并進(jìn)行運算后產(chǎn)生的。因此，對電子調(diào)速器的輸入和輸出，使用電壓、電流或觸點的信號就可以了。這樣它容易和外部的控制裝置進(jìn)行轉(zhuǎn)換連接。另外，運算全部由軟件操作控制，電路本身也標(biāo)準(zhǔn)化了。因此，電子調(diào)速器取代機械調(diào)速器是必然的發(fā)展趨勢。由于汽油機負(fù)荷時常發(fā)生變化，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速產(chǎn)生很大的波動，需要調(diào)節(jié)氣門開度來穩(wěn)定汽油機的轉(zhuǎn)速，所以必須在汽油機上安裝調(diào)速器。現(xiàn)在，汽油機上的調(diào)速使用的是機械式調(diào)速器，它存在穩(wěn)態(tài)、瞬時調(diào)速性能較差、穩(wěn)定時間較長等缺點。在對汽油機轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)的整個動態(tài)過程中，當(dāng)實際轉(zhuǎn)速與設(shè)定轉(zhuǎn)速存在偏差時，此時超調(diào)量都很大，這樣要依靠軟件來實現(xiàn)各項調(diào)節(jié)和控制功能，可以實現(xiàn)更高精度的控制。在負(fù)載時常變化的情況下，通過改變汽油機節(jié)氣門的開度，能夠使汽油機的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在設(shè)定的某個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，其瞬時和穩(wěn)定調(diào)速率都有了很大地提高，穩(wěn)定時間大大降低。電子調(diào)速器主要解決執(zhí)行器、控制軟件、抗干擾等問題。數(shù)字式電子調(diào)速器能夠大幅提高內(nèi)燃機的自動控制精度和調(diào)速性能，因此開發(fā)數(shù)字化多功能調(diào)速器已成為調(diào)速器技術(shù)發(fā)展的方向之一。

文章分析了汽油機動態(tài)過渡過程中，如何提高電子調(diào)速器的動態(tài)性能及其控制精度，并以AT89C51單片機為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)；采用專家自適應(yīng)PID自動控制算法，獲得了在汽油機負(fù)荷變化的過渡過程中，汽油機轉(zhuǎn)速的變化量與節(jié)氣門調(diào)節(jié)量之間的控制關(guān)系。通過實驗表明，該電子調(diào)速器的瞬時調(diào)速能力良好，穩(wěn)定時間短，整個電子調(diào)速器結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，具有較強的推廣和應(yīng)用價值。

1 汽油機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的動態(tài)分析

汽油機轉(zhuǎn)矩T與負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩Tload的差值決定汽油機轉(zhuǎn)速的變化情況。當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化，汽油機的穩(wěn)定工況遭到破壞時，將引起汽油機—能耗裝置的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化。汽油機轉(zhuǎn)速變化的快慢，不僅和汽油機轉(zhuǎn)矩T與負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩Tload的差值有關(guān)，還取決于包括能耗裝置在內(nèi)的汽油機運動件轉(zhuǎn)化到汽油機曲軸旋轉(zhuǎn)中心的當(dāng)量慣性矩J，視能耗裝置不同，當(dāng)量慣性矩J的值也不同，但一般來說，當(dāng)量慣性矩都比較大。

圖1 汽油機突卸負(fù)荷轉(zhuǎn)速變化過程

可以看出，汽油機突卸負(fù)荷的轉(zhuǎn)速變化過程是一個慣性系統(tǒng)在階躍信號作用下的過渡過程。慣性系統(tǒng)是典型的一階系統(tǒng)。當(dāng)汽油機裝調(diào)速器后，若轉(zhuǎn)速增加，調(diào)速器關(guān)小節(jié)氣門;轉(zhuǎn)速降低，開大節(jié)氣門，使汽油機轉(zhuǎn)速始終穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速附近，調(diào)速器會改變汽油機的過渡過程。啟動汽油機，由于轉(zhuǎn)速在上升過程中，節(jié)氣門逐漸關(guān)小，轉(zhuǎn)速上升的加速度降低，上升的幅度也大大減小。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到最大轉(zhuǎn)速后，轉(zhuǎn)速開始下降，由子進(jìn)氣速度比節(jié)氣門開度的變化滯后，轉(zhuǎn)速下降到額定轉(zhuǎn)速后還要繼續(xù)下降；當(dāng)達(dá)到最小轉(zhuǎn)速時，然后再上升，上升所達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速小于上一次的最高轉(zhuǎn)速，汽油機的轉(zhuǎn)速經(jīng)過幾次這樣的波動之后，在設(shè)定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)穩(wěn)定下來。

由此可見，有調(diào)速器的汽油機過渡過程不再是一個一階系統(tǒng)的過渡過程，而是在原慣性環(huán)節(jié)上又加上了一個欠阻尼二階環(huán)節(jié)的階躍信號時間響應(yīng)。汽油機的動態(tài)過渡過程中，動態(tài)特性主要是考查瞬時調(diào)速率δt、穩(wěn)定調(diào)速率δs占：以及過渡穩(wěn)定時間Ts。

2 汽油機調(diào)速系統(tǒng)的自適應(yīng)PID控制

汽油機電子調(diào)速系統(tǒng)是一個典型的閉環(huán)反饋系統(tǒng)，其組成框圖如2所示。

圖2 閉環(huán)反饋系統(tǒng)框圖

雖然汽油機調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速變化與節(jié)氣門開度的增量之間不是一個線性關(guān)系，但它是一個單輸入——單輸出恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)，即在自動控制系統(tǒng)的工作過程中，轉(zhuǎn)速在設(shè)定值的附近進(jìn)行變動。所以，可以將該非線性系統(tǒng)假設(shè)為近似線性系統(tǒng)，根據(jù)汽油機轉(zhuǎn)速變化的特點應(yīng)用經(jīng)典控制理論來進(jìn)行控制。在汽油機轉(zhuǎn)速變化的整個動態(tài)過程中，調(diào)速系統(tǒng)總的來說可以看作慣性系統(tǒng)和欠阻尼二階系統(tǒng)的疊加。理論和實踐均證明，在連續(xù)控制系統(tǒng)中，對象為一階和二階慣性環(huán)節(jié)或同時帶有滯后時間不大的滯后環(huán)節(jié)時，PID控制是一種比較好的控制方法。

根據(jù)以上分析，選用數(shù)字PID控制實際運行經(jīng)驗和理論分析都表明，數(shù)字PID控制能滿足相當(dāng)多工業(yè)對象的控制要求，至今仍是一種應(yīng)用最廣泛的控制算法。

（1）專家自適應(yīng)PID控制算法。常規(guī)PID算法可能導(dǎo)致的問題：當(dāng)偏差較大時，需要將增益Kc設(shè)置較大，系統(tǒng)反應(yīng)較快，但水位接近設(shè)定時，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，可能出現(xiàn)振蕩，如果將增益Kc調(diào)小，系統(tǒng)負(fù)載加大時，變頻器反應(yīng)又不夠迅速。在這里可以引入專家PID算法。

專家PID算法從偏差e和偏差變化Δe這兩個基本的控制量出發(fā)，構(gòu)建系統(tǒng)知識庫，同樣en=SPn-PVn（給定值-反饋值），Δen=en-en-1；（第n時刻的偏差變化值，也就是偏差變化趨勢的判斷），emin為最小允許偏差；emax為最大允許偏差。

當(dāng)|en|≥emax時，說明偏差的絕對值已經(jīng)比較大了，不論誤差往什么方向變化，都應(yīng)該加快響應(yīng)速度，應(yīng)取較大增益Kc值。同時為了防止積分飽和，避免系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)超調(diào)，應(yīng)該去掉積分作用。

當(dāng)emin≤|en|＜emax，且en*Δe＞0時，說明偏差的絕對值在朝增大的趨勢發(fā)展，應(yīng)盡量使系統(tǒng)響應(yīng)超調(diào)減小，應(yīng)該取較小的積分值，增益Kc的大小要適中，以保證響應(yīng)速度。

當(dāng)emin≤|en|＜emax，且en*Δe=0時，說明偏差為某一常值，未發(fā)生變化，應(yīng)增加小的控制量，取較小的增益Kc值和積分值。

當(dāng)emin≤|en|＜emax，且en*Δe＜0時，說明偏差絕對值在朝減小的趨勢變化，應(yīng)適當(dāng)減少控制量，應(yīng)取更小的Kc值，同時為了防止出現(xiàn)再次超調(diào)，應(yīng)去掉積分作用。

當(dāng)|en|＜emax時，說明偏差已經(jīng)較小，已達(dá)到允許范圍，為之系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能，應(yīng)取Kc=0。

對控制規(guī)律進(jìn)行分段處理后，在給定值與反饋實際值的偏差比較大時，系統(tǒng)能以較快的速度平緩控制輸出使反饋實際值向給定值靠近，在偏差很小系統(tǒng)接近穩(wěn)定時，系統(tǒng)又不會因為太大慣性而引起振蕩，從而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（2）智能調(diào)速控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析。不同的能耗裝置有不同的速度——阻轉(zhuǎn)矩特性，由于汽油機的速度特性是隨著轉(zhuǎn)速的上升而轉(zhuǎn)矩下降，汽油機調(diào)速系統(tǒng)具有很好的自定性。只要專家PID數(shù)字控制的參數(shù)取得合適，控制系統(tǒng)就能夠穩(wěn)定運行。

影響穩(wěn)定性的參數(shù)主要有兩個：其一是比例控制系數(shù)Kp，Kp過大會使轉(zhuǎn)速忽高忽低，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定；另一個影響穩(wěn)定性的參數(shù)是采樣周期T，過長的轉(zhuǎn)速采樣周期會使控制器的響應(yīng)變慢，因而使控制滯后，這同樣會引起轉(zhuǎn)速控制的超調(diào)量增加和系統(tǒng)的不穩(wěn)定。一般來說，微機控制系統(tǒng)是既含有連續(xù)量又含有離散量的混合系統(tǒng)，在此處，汽油機的轉(zhuǎn)速是連續(xù)量，微機所接受的轉(zhuǎn)速信號以及對執(zhí)行機構(gòu)的控制等都是離散量。離散系統(tǒng)及混合系統(tǒng)的穩(wěn)定性不如連續(xù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性好，而轉(zhuǎn)速負(fù)反饋只是在離散的采樣瞬間才接通，所以，采樣周期越短，越接近連續(xù)系統(tǒng)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性越好。

采樣周期受到CPU工作時鐘、執(zhí)行機構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)、采樣時間等限制，并且，由于汽油機的工作特點，轉(zhuǎn)速具有瞬時波動性，過短的采樣時間反而不能反映其轉(zhuǎn)速。

3 智能電子調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

汽油機電子調(diào)速系統(tǒng)的工作原理為：轉(zhuǎn)速采樣系統(tǒng)獲取當(dāng)前的轉(zhuǎn)速信號，對信號進(jìn)行數(shù)字化處理后送給數(shù)字控制器，數(shù)字控制器根據(jù)控制算法程序進(jìn)行輸出控制計算，執(zhí)行機構(gòu)根據(jù)此計算結(jié)果驅(qū)動執(zhí)行器，從而達(dá)到對汽油機節(jié)氣門的控制，對汽油機的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。電子調(diào)速器組成框圖如圖3所示。

圖3 數(shù)字式電子調(diào)速器系統(tǒng)組成框圖

電子調(diào)速器是由數(shù)字控制、轉(zhuǎn)速采樣、執(zhí)行驅(qū)動和執(zhí)行器等四部分組成。汽油機的輸出轉(zhuǎn)速是連續(xù)量，而數(shù)字控制器所接受的轉(zhuǎn)速信號以及對執(zhí)行機構(gòu)的控制等都是離散量。

數(shù)字控制器主要完成調(diào)節(jié)汽油機的轉(zhuǎn)速和控制計算，它是數(shù)字式電子調(diào)速器的核心部分。根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，對汽油機的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，控制算法是由程序來實現(xiàn)的，控制算法以及相應(yīng)的控制程序決定了控制的效果。轉(zhuǎn)速采樣要求穩(wěn)定可靠，采樣的周期越短，包括汽油機在內(nèi)的整個系統(tǒng)越接近于連續(xù)系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速也就越穩(wěn)定。汽油機具有周期性工作的特點，即使在穩(wěn)定工作時，不同的曲軸轉(zhuǎn)角，汽油機的瞬時轉(zhuǎn)速也不盡相同。因此，過短的采樣時間反而不能準(zhǔn)確反映汽油機的轉(zhuǎn)速。

執(zhí)行器是調(diào)速器實現(xiàn)其功能的關(guān)鍵部分，執(zhí)行器的性能直接影響調(diào)速器的控制效果，要求執(zhí)行器的慣性較小，動態(tài)反應(yīng)快。

4 智能電子調(diào)速系統(tǒng)實驗與分析

基于上述控制系統(tǒng)思路，采用AT89C51單片機，設(shè)計了一套智能調(diào)速系統(tǒng)，同時汽車機工作轉(zhuǎn)速3000r/min，輸出功率8kW，負(fù)載為4kW發(fā)電機。對此智能調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了突加和突卸負(fù)載實驗。具體過程是：當(dāng)汽油機處于空載穩(wěn)定工況時，發(fā)電機突加負(fù)載4kW，測取汽油機轉(zhuǎn)速變化的情況，待汽油機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，再突然卸去全部負(fù)載，同時又測取汽油機突卸時轉(zhuǎn)速的變化，從而得到系統(tǒng)突加和突卸時動態(tài)調(diào)速特性圖，如圖4所示。多次測量，平均結(jié)果如表1所示：

圖4 汽油機突加4kW負(fù)荷的過渡過程

表1 突加負(fù)荷及突減負(fù)荷結(jié)果

（1）突加負(fù)荷。當(dāng)汽油機處于空載運行，突然增加全部負(fù)荷時，此時汽油機的轉(zhuǎn)速下降很快。當(dāng)轉(zhuǎn)速變當(dāng)汽油機處于空載運行，突然增加全部負(fù)荷時，此時汽油機的轉(zhuǎn)速下降很快。當(dāng)轉(zhuǎn)速變化率很大且遠(yuǎn)離平衡點的趨勢時，立即調(diào)用大調(diào)節(jié)子程序。當(dāng)轉(zhuǎn)速得到控制時，就可以進(jìn)行正常的PDI調(diào)節(jié)。所以專家自適應(yīng)PID方案能夠在很短的時間內(nèi)使系統(tǒng)無振蕩地過渡到穩(wěn)定狀態(tài)，同時也最大限度地降低了瞬時調(diào)速率。

（2）突卸負(fù)荷。突然卸去汽油機的全部負(fù)荷時，汽油機的轉(zhuǎn)速驟然上升，呈現(xiàn)“飛車”的趨勢。在這種工作過程中，汽油機轉(zhuǎn)速的變化快慢及加速度變化可以忽略不計，PID調(diào)節(jié)器的積分項和微分項可以近似為零，只有比例項在起作用，產(chǎn)生較大的超調(diào)量，這時必須調(diào)用大調(diào)節(jié)子程序，使轉(zhuǎn)速的最大值降至3200r/min以下，就可以滿足線性化假設(shè)的條件，開始進(jìn)入分段專家PID調(diào)節(jié)，調(diào)用相應(yīng)的小調(diào)節(jié)子程序，使系統(tǒng)平穩(wěn)地過渡到穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié)論

針對汽油機突加負(fù)荷動態(tài)過程的試驗進(jìn)行分析,由突加和突卸負(fù)荷汽油機動態(tài)特性的試驗數(shù)據(jù)可以得出，選擇合適的控制參數(shù)，是提高電子式調(diào)速器動態(tài)特性的重要方面，并能有效改善汽油機的調(diào)速性能。由此可知，數(shù)字式電子調(diào)速器完全適用與小排量的通用汽油機，與機械式調(diào)速器相比具有更好的動態(tài)調(diào)速性能，其瞬時調(diào)速率和穩(wěn)定時間都有很大地提高，均滿足國家行業(yè)規(guī)定的調(diào)速標(biāo)準(zhǔn)。本次試驗對汽油機數(shù)字式電子調(diào)速器的動態(tài)特性進(jìn)行分析與研究，是一項具有實用價值的創(chuàng)新。此電子調(diào)速器依靠控制軟件來實現(xiàn)調(diào)節(jié)和控制功能，瞬時調(diào)速率、穩(wěn)定轉(zhuǎn)速、穩(wěn)定調(diào)速率等都可用程序來進(jìn)行控制，具有很強的通用性和功能擴(kuò)展能力。

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Research on Intelligent Electronic Speed Control System for Sm all Gasoline Engine

CHEN Bao-hua
（Loudi Vocational and Technical College，Loudi，Hunan 417000，China）

With the extensive application of small gasoline engine in agricultural machinery，the requirement of speed performance is also increasing.In order to meet and improve the comprehensive technical performance of small agricultural power machinery and equipment，digital electronic speed control system is widely promoted in the small gasoline engine.This paper analyzes the dynamic characteristics of gasoline engine electronic governor，and designs an adaptive digital PID control system.According to the requirements of the speed regulation process of gasoline engine，a set of intelligent speed variable adjustment system is designed tooptimize theelectronic governorofthedynamic response characteristics，while improving the rate of speed and automatically correcting theovershootin time toshorten thesteady-state fixed speed time.Theexperimentalresultsshow thattheintegrated speed control system has the advantages of excellent integrated speed，excellent overshoot adaptability，good instantaneous steady-state steady-stateperformance,simpleand low costofthewholestructure，whichhasstrongpromotionand applicationvalue.

electronic speed control system；small gasoline engine；intelligent governor；expert adaptive PID

TK423

A

2095-980X（2017）06-0062-03

2016-06-14

陳寶華（1973-），男，湖南漣源人，碩士，講師，主要研究方向：農(nóng)業(yè)機械化與數(shù)控技術(shù),電力電子及其控制技術(shù)。