1、毕业设计文献综述 电气工程及其自动化 船舶柴油机自动调速系统设计与仿真 前 言 具有百年历史的柴油机，作为一种工业原动机，由于它的热效率高、功率范围宽、适应性好等一系列突出优点，是目前世界上应用最广泛的一种动力机械，而且在今后相当长的时期内仍将继续保持这一地位 1。 随着科学技术的不断进步，在柴油机的百年发展过程中，其技术水平出现过三次飞跃：第一次飞跃是本世纪二十年代，以机械喷射式供油系统代替蓄压式供油系统；第二次飞跃是五十年代增压技术的采用；八十年代电子控制的研究和应用，带来了柴油机技术的第三次飞跃 2。对于柴油机来说，在其燃烧室及进排气系统己确定的情况下，如何使柴油机的动力性能在各种工况下
2、得到充分发挥，并能通过控制排放和降低油耗以满足日益严格的排放法规要求，则必须借助于调节控制技术的改进。而作为柴油机调节控制核心的调速系统，其不断改进和完善伴随着柴油机发展的全过程。 主 题 1.调速器的功能 柴油机调速系统是指能根据负荷变化情况自动调节喷油泵循环供油量，协助操作人员稳定柴油机转速的装置。柴油机上均要用到调速装置，这是柴油机自身的特点 由扭矩速度特性及喷油泵速度特性所决定的。 柴油机转速变化时，可 燃混合气的数量、成分变化不大。因此，通过燃烧所产生的扭矩变化也不大。柴油机扭矩速度特性这一特点，是柴油机在负荷略有变化时，会引起转速很大的变化。在操作人员不能及时操纵加速踏板改变油泵循
3、环供油量的情况下，柴油机或因负荷增大而转速迅速下降，以至熄火；或因负荷减少而转速立即升高，甚至出现超速运转及“飞车”现象。另一方面，从喷油的速度特性对柴油机转速的影响来看：当柴油机负荷减少而转速立即升高时，需要减少循环供油量，而喷油泵却相反的增大循环供油量。可燃混合气成分由稀趋向合适，质量得到改善，燃烧速度加快，促使柴油机转速 越来越高。反之，当柴油机负荷增大转速降低时，需要循环供油量相应增加，而喷油泵却又减少对了供油量，使可燃混合气成分变稀，质量变差，燃烧速度变慢，促使柴油机转速降低。可见喷油泵的这一特性进一步降低了柴油机转速的稳定性。因此，为了使柴油机在负荷变化的情况下，在需要某一转速下运
4、转，防止意外熄火和超速运行，柴油机上必须安装调速装置，以保证柴油机的稳定运行。 2.柴油机调速器发展历史 动力机械上最早出现的转速自动调节装置，即调速器是 1784 年瓦特 (James Watt)发明的用于蒸气机上的离心式机械调速器，它揭开了调速 器历史的第一页。四十年代末五十年代初，出现了间接作用的机械液压式调速器，这是调速器发展的第二代 4。上述的两代调速器中，由于敏速装置和控制装置都是由机械元件来实现。因而，不可避免地存在惯性滞后及摩擦阻力大等固有缺陷。这就决定了它们难于实现较为复杂的调节规律和控制功能，无法满足降低油耗、减少有害排放、进一步提高调节精度和自动化程度的要求。 六十年代，
5、美国 WOODWARD 公司将新兴的电子技术成功地应用于柴油机的调速系统，推出了一种全新的调速器，即 2301/EG3P 型电液调速器。它由转速传感器、电子控制器和电液 执行器三个基本部分组成。该调速器的转速反馈环节采用了非接触式磁电传感器，通过频率电压转换器得到转速值。控制部分采用了模拟电子线路组成的 PID 调节器，由其输出电信号驱动电液执行器，以输出机械角位移，进而驱动喷油泵齿条运动，使发动机供油量与外界负载变化相适应，达到转速调节的目的。该电液调速器奠定了模拟式电子调速器 第三代调速器的基本结构模式 5。六十年代至八十年代初，是模拟式电子调速技术迅速发展的鼎盛时期，并在越来越多的场合，
6、取代了传统的机械一液压调速器 6-9。模拟式电子调速器，虽然可以大大提高柴油机调速 精度和扩展系统控制功能，但是由于其各项功能全部依靠硬件电路加以实现，因而通用性较差，而且扩展功能与系统复杂程度、成本及可靠性之间的矛盾也难以得到很好的解决。 随着数字集成电路以及计算机控制技术的发展，自八十年代以来，又出现了以微处理器为控制器核心的第四代调速器 数字式电子调速器。在数字式电子调速器中，控制器由专门的控制用微处理器和一系列输入、输出接口电路所构成。除了各输入、输出信号的转换外，系统的各项控制与调节功能主要依靠软件编程加以实现。因而，对硬件的依靠程度大大降低，只需改变控制软件和配置必要的接口，就 可
7、以用于各种系统和完成不同的控制功能。这一特点决定了它具有极强的适应性和几乎无限的功能扩展潜力。 3.柴油机调速器的控制策略 柴油机转速控制实质上，是调速器根据柴油机的运行状况和外界的负载变化，通过调整喷油泵的齿条位置以改变供油量，从而使柴油机的转速保持在给定的转速范围内。因此，调速器对柴油机的转速控制属于闭环控制。从闭环控制理论上看，合理地建立系统的数学模型，是进行分析研究和设计的基础及关键。但是，由于柴油机结构复杂、影响因数众多，其工作过程的非线性、时变性和不确定性，使得用数学方法对其特性加以准确描述具 有很大困难，甚至是不可能的。 因此，这就限制了过于依赖精确数学模型的控制方法在柴油机调速
8、系统中的应用。另外，由于成本等因素，控制器普遍使用单片机系统，这也使得复杂控制算法无用武之地。像其它行业的自动控制装置一样，目前实际应用中的电子调速器，无论是模拟式还是数字式的，其控制方案基本上均采用 PID 控制方式 10。但是，由于 PID 控制器本身稳定性和快速性之间的矛盾，以及柴油机在不同工况下其系统参数不能够全部能够得到最优秀的控制效果。 总之，在数字式调速系统的应用中， PID 控制算法为了同时兼顾调速器的动稳态性能， 以及补偿柴油机本身的非线性，实际上都采用了基于过程运行条件测量的增益调度控制 1112，以弥补常规 PID 控制器的不足。 总 结 通过查阅大量有关调速器和自动控制
9、方面的文献资料，对各种柴油机调速器的技术现状有了一定的了解。 1.柴油机数字式电子调速技术不是简单地用数字控制代替以往的模拟控制，而是要充分发挥数字控制可实现智能控制的潜力；要考虑柴油机特殊的动态特性，灵活运用数字控制的设计理论和方法。 2.船舶柴油机运行工况变化范围较大，由于常规 PID 控制器控制参数的固定不能很好适应各种工况。因此，有关于智 能 PID 控制算法的研究成为这一工作的关键。 因此，在阅读了大量和我的课题（船舶柴油机自动调速系统设计与仿真）相关文献之后，对我论文正文的撰写提供了坚实有力的基础，为相关专业知识提供了有力支持。 参考文献： 1 赵士林 九十年代内燃机 M 上海 ：
10、 上海交通大学出版社 ， 1992. 2 丁洪祥 .基于模糊 PID 控制的船舶柴油机调速系统仿真研究 D大连海事大学 ,2005. 3 杜荣铭 . 船舶柴油机 M. 大连 : 大连海事大学出版社 ,2000. 4 邵家镶 . 发动机转速自动控制 M. 北京 : 人民交通出版社 ,1990. 5 Woodward Governor Company, SPEED CONTROLS-8271， 1951. 6 庄一凡 .船舶发电柴油机电子调速系统建模与仿真 D集美大学， 2010. 7 王致新 .LR4105 型柴油机数字式电子调速器的设计研究 D哈尔滨工程大学 ,2008. 8 邵家骤 . 调速
11、器技术 M，大连： 中国造船学会轮机学术委员会 , 1981. 9 王斌斌 .船舶柴油机转速控制仿真研究 D，大连海事大学 ,2009. 10 陈曾海 .柴油机数字调速器的模糊 PID 控制研究 D西南石油大学， 2006. 11 李彦强，朱从乔，黄次浩柴 油机数字式电子调速系统仿真研究 J海军工程大学学报， 2001， 10(2)： 55-58 12 宋恩哲，姚崇智能增益修正改进电控柴油机调速性能的研究 J船舶工程， 2006，28(3)： 82-84 13 冯国胜，贾素梅电控柴油机模糊自适应整定 PID 控制 J农业化研究， 2007(8)：167-169 14 盛立峰，张德江模糊控制在柴油机电控系统中的应用 J控制工程， 2004， 11(5)：400-402 15 Rolf I, Stefan S, Jochen S. Modeling and real-time simulation of diesel engines for control design J. SAE Special Publications, 1998(2): 161-168. 16 Guzzella L, Amstutz A. Control of diesel engines J. IEEE Control Systems M agazine, 1998(4): 53-70.
