胡軍科，趙 存，牛奇斌，徐坤鴻

（1.中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，2.高性能復(fù)雜制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410083）

0 引言

我國(guó)國(guó)土地勢(shì)呈階梯狀分布，西高東低，其中海拔2000m以上的高原地區(qū)占33%左右，少數(shù)地區(qū)達(dá)5000 m以上[1]。高原地區(qū)的鐵路公路沿線路況復(fù)雜、氣候多變、海拔跨度較大，給各種車輛和發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力設(shè)備的正常使用帶來(lái)很多問(wèn)題。隨著海拔升高，空氣越來(lái)越稀薄，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力下降，進(jìn)氣量不足，油料燃燒不充分，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力下降，排放尾氣中的有害氣體增加，大大降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的各方面性能和使用壽命。

為解決高原環(huán)境下發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力下降問(wèn)題，專家學(xué)者做了大量的研究工作，如廢氣渦輪增壓技術(shù)[2]，可調(diào)渦輪增壓技術(shù)[3]等。現(xiàn)有的各種增壓技術(shù)主要是通過(guò)對(duì)空氣進(jìn)行壓縮，提高進(jìn)氣壓力，但都只實(shí)現(xiàn)了一定海拔范圍的工況匹配，當(dāng)海拔高度發(fā)生變化，則匹配失效，發(fā)動(dòng)機(jī)增壓系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)能力和高原適應(yīng)性較差[4]。

本文提出一套發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力自動(dòng)控制系統(tǒng)，引入反饋校正環(huán)節(jié)，通過(guò)PID反饋調(diào)節(jié)控制發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力，可以有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)在高原環(huán)境下的進(jìn)氣壓力，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的高原適應(yīng)性。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

高原環(huán)境下發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能如何主要取決于缸內(nèi)燃燒效果，油料與空氣的混合比是否合理至關(guān)重要，因此，需要對(duì)進(jìn)氣量和燃燒耗氣量的匹配程度進(jìn)行研究。

1）發(fā)動(dòng)機(jī)與增壓器的匹配條件[5]

（1）能量平衡

式(1)中，PC是壓氣機(jī)功率，PT是渦輪功率。

（2）轉(zhuǎn)速平衡

式(2)中，nC是壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速，nT是渦輪轉(zhuǎn)速。

（3）流量平衡

式(3)中，GC是壓氣機(jī)排氣量，GT是渦輪排氣量，Gf是燃燒所需空氣量。

2）壓氣機(jī)流量計(jì)算公式

式(4)中，VN是壓氣機(jī)額定排量，n是葉輪轉(zhuǎn)速。

根據(jù)以上公式可知，轉(zhuǎn)速n和流量Q是進(jìn)行匹配計(jì)算的重要變量。壓氣機(jī)排量VN由葉輪結(jié)構(gòu)決定，當(dāng)排量VN一定，不考慮其他影響因素，則風(fēng)量Q大小由轉(zhuǎn)速n決定，因此，控制進(jìn)氣壓力和流量關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)對(duì)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速n的控制，現(xiàn)有的研究工作在這一方面涉及的很少。

本文提出一套新的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力自動(dòng)控制系統(tǒng)方案，如圖1所示。在發(fā)動(dòng)機(jī)原系統(tǒng)上添加一套可以實(shí)現(xiàn)反饋調(diào)節(jié)的進(jìn)氣壓力自動(dòng)控制系統(tǒng)。在系統(tǒng)中引入反饋校正環(huán)節(jié)[6]，通過(guò)檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力作為反饋校正信號(hào)，進(jìn)行PID運(yùn)算，輸出相應(yīng)控制信號(hào)，改變輔助增壓機(jī)轉(zhuǎn)速，從而改變進(jìn)氣壓力和流量?？刂崎y關(guān)閉，自動(dòng)控制系統(tǒng)斷開(kāi)，發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)不發(fā)生任何改變；控制閥開(kāi)啟，自動(dòng)控制系統(tǒng)開(kāi)啟，輔助增壓機(jī)啟動(dòng)，空氣經(jīng)過(guò)可控的輔助增后進(jìn)入主進(jìn)氣道。輔助增壓系統(tǒng)具有模塊化特征，便于安裝拆卸。當(dāng)輔助增壓機(jī)故障時(shí)，將控制閥關(guān)閉，輔助增壓機(jī)斷開(kāi)，空氣直接進(jìn)入主進(jìn)氣道，發(fā)動(dòng)機(jī)仍可正常運(yùn)行。本文提出的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力自動(dòng)控制系統(tǒng)具有模塊化特征，便于安裝拆卸，適用于大部分高原地區(qū)運(yùn)行的車輛和發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力設(shè)備。

圖1 進(jìn)氣壓力自動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖

2 系統(tǒng)算法設(shè)計(jì)

在本文提出的自動(dòng)控制系統(tǒng)采用反饋校正方式調(diào)節(jié)進(jìn)氣壓力。反饋校正系統(tǒng)常用的算法是PID算法。采用PID算法進(jìn)行反饋校正技術(shù)很成熟，現(xiàn)已在制造業(yè)和工程裝備領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[7]。PID算法公式如下：

式(1)中，u(t)為控制量，KP為比例系數(shù)，TI為積分系數(shù)，TD為微分系數(shù)，e(t)為系統(tǒng)偏差，e(t)=r(t)-c(t)，其中r(t)為系統(tǒng)給定值，c(t)為實(shí)際輸出值。

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，主要是根據(jù)采樣的進(jìn)氣壓力數(shù)據(jù)與設(shè)定壓力計(jì)算出系統(tǒng)偏差，通過(guò)PID運(yùn)算產(chǎn)生控制量，改變PWM脈沖的占空比D，改變電路輸出功率，改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)輔助增壓機(jī)轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)進(jìn)氣壓力和流量[8]。

本文采用數(shù)字增量式PID實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力的調(diào)節(jié)，計(jì)算公式如下：

式(2)中：KP為比例增益；KI=Kp(T/TI) 為積分系數(shù)；KD= Kp(TD/T) 為微分系數(shù)，且參數(shù)KP、KI、KD由實(shí)驗(yàn)調(diào)試結(jié)果確定。

3 運(yùn)算流程圖

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，先給定r(k)值，壓力傳感器采集進(jìn)氣口的壓力數(shù)據(jù)，即實(shí)際輸出值c(k)，根據(jù)e(k)=r(k)-c(k)計(jì)算系統(tǒng)偏差e(k)，再通過(guò)PID計(jì)算得出控制量u(k)，計(jì)算出?D，改變通電時(shí)間，改變電路輸出功率，從而改變輔助增壓機(jī)轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力和流量，達(dá)到實(shí)際工況要求。

進(jìn)氣壓力自動(dòng)控制運(yùn)算流程圖如圖2所示。

圖2 運(yùn)算流程圖

圖2中，TxPR為寄存器，由控制量u(k)改變TxPR對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，得出?D，改變占空比D。為防止啟動(dòng)過(guò)程設(shè)備反應(yīng)滯后，計(jì)算得出過(guò)大的偏差，得出過(guò)大的u(k)，使系統(tǒng)產(chǎn)生很大的占空比D，引起電流過(guò)大燒壞元器件，設(shè)置限幅偏差eM。當(dāng)計(jì)算偏差大于限幅偏差eM時(shí)，按限幅偏差eM進(jìn)行運(yùn)算。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，為避免過(guò)小的偏差引起系統(tǒng)發(fā)生頻繁的振顫，設(shè)置允許偏差e0，當(dāng)計(jì)算偏差小于允許偏差e0時(shí)，不改變控制量，占空比D不變。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

在BF12L-513C型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，設(shè)備型號(hào)如表1所示，實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。試驗(yàn)地點(diǎn)位于青藏鐵路西寧工務(wù)段秀水河區(qū)域，海拔高度4670m，溫度290K，大氣壓力0.055MPa。

表1 試驗(yàn)設(shè)備型號(hào)表

圖3 試驗(yàn)臺(tái)

按照?qǐng)D1原理圖對(duì)BF12L-513C型柴油機(jī)進(jìn)氣管道進(jìn)行改裝，在管路上設(shè)置三通控制球閥。當(dāng)控制閥關(guān)閉時(shí)，輔助增壓機(jī)斷開(kāi)，空氣直接進(jìn)入主進(jìn)氣管道，整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)沒(méi)有任何改變。當(dāng)控制閥打開(kāi)時(shí)，輔助增壓機(jī)接通，空氣通過(guò)輔助增壓機(jī)增壓后進(jìn)入主進(jìn)氣管道。

實(shí)驗(yàn)采用變頻器-電動(dòng)機(jī)-鼓風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，而非PWM脈寬調(diào)速，但原理相似。ATV610型變頻器具備PID模塊，預(yù)設(shè)PID給定值組合表如表2所示。通過(guò)數(shù)字輸入預(yù)設(shè)給定值（[PID預(yù)設(shè)給定值2]rP2、[PID預(yù)設(shè)給定值3]rP3、[PID 預(yù)設(shè)給定值4]rP4），給定值與控制量在最大最小值之間取值時(shí)成線性對(duì)應(yīng)關(guān)系。

表2 預(yù)設(shè)PID給定值的組合表

在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口裝壓力傳感器，檢測(cè)進(jìn)氣壓力數(shù)據(jù)傳入變頻器，經(jīng)過(guò)內(nèi)部PID模塊運(yùn)算得出控制量，調(diào)節(jié)電源輸入頻率。根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率的關(guān)系：n=60f（1-s）/p，（n、f、s、p分別表示轉(zhuǎn)速、頻率、轉(zhuǎn)差率、磁極對(duì)數(shù)），當(dāng)頻率發(fā)生改變時(shí)，轉(zhuǎn)速隨之改變，即通過(guò)PID運(yùn)算調(diào)節(jié)電源頻率即可實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的控制。

進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)分兩種情況進(jìn)行：第一種情況，三通球閥關(guān)閉，測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)原系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的壓力參數(shù)；第二種情況，三通球閥開(kāi)啟，測(cè)試使用進(jìn)氣壓力自動(dòng)控制系統(tǒng)后的壓力參數(shù)。

采集兩種情況下的進(jìn)氣壓力數(shù)據(jù)，如圖4所示。三通球閥關(guān)閉，進(jìn)氣壓力自動(dòng)控制系統(tǒng)斷開(kāi)時(shí)，壓力傳感器采集壓力數(shù)據(jù)如曲線1，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力值與外界氣壓一致，穩(wěn)定在0.055MPa左右。三通球閥閥開(kāi)啟，輔助增壓機(jī)開(kāi)啟，目標(biāo)壓力0.065MPa，壓力傳感器采集壓力數(shù)據(jù)如曲線2，壓力值從0.055MPa提高至0.065MPa左右，壓力值有波動(dòng)，但最終穩(wěn)定在0.065MPa左右。試驗(yàn)證明，可以將進(jìn)氣壓力提高18%左右，壓力值得到明顯提高。

圖4 進(jìn)氣壓力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線

在理論上，通過(guò)PID反饋校正可以調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力達(dá)到任意目標(biāo)值，無(wú)論車輛處于什么海拔高度，外界大氣壓力值為多少，只要將目標(biāo)壓力設(shè)置為0.1MPa（1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓），經(jīng)過(guò)進(jìn)氣壓力自動(dòng)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)后，都可以將進(jìn)氣壓力在0.1MPa左右，即實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)在任意海拔高度下的恒壓供氣，但因?yàn)樵囼?yàn)裝置功率的限制，現(xiàn)在還不具備將目標(biāo)壓力設(shè)為0.1MPa的試驗(yàn)條件。

5 結(jié)論

根據(jù)現(xiàn)有理論分析和試驗(yàn)結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

1）本文提出的進(jìn)氣壓力自動(dòng)控制系統(tǒng)可以有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力，提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能，在BF12L-513C型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)可以進(jìn)氣壓力提高18%左右。

2）進(jìn)氣壓力自動(dòng)控制系統(tǒng)通過(guò)PID反饋校正可以自動(dòng)調(diào)節(jié)壓力，將進(jìn)氣壓力穩(wěn)定在設(shè)定壓力附近。理想條件下，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)在高原地區(qū)的恒壓供氣，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的高原適應(yīng)性。