柴油机调速系统的模糊控制技术

赵小军

（九江学院，江西 九江 332005）

模糊控制技术是一种基于模糊数学理论，并通过模拟人的推理和综合决策过程的高科技技术，是现代智能控制技术的重要组成部分，其使控制算法的可控性、适应性以及合理性得到了充分的发挥。

而柴油机作为现代大多数工程机械以及汽车等设备的主要动力源，其工作性质有着复杂、重载、大负荷等特点，所以随着柴油机的功率和转速的不断变化，其耗油量也很难得到控制。将模糊控制技术合理而科学地应用于柴油机的调整系统中，可以有效地稳定和控制柴油机的转速问题，在提高柴油机性能的同时，也节省了大量的能源消耗。

1 模糊控制的概念

1.1 模糊控制理论

传统的控制理论，对于比较明确的系统，有着有效的控制能力，但是对于一些较为复杂和精密系统的控制，则较为困难。所以利用模糊数学的基本思想和理论，来对复杂机械进行控制的方法，能够实现系统的动态信息精确与详细，从而达到精确控制的目的。

模糊控制是一种宏观的系统控制方法，其加入具体的规则方式，来表达实际控制中的专家知识和规则。模糊控制最大的特征，就是将专家的控制经验和知识，表达成语言规则，采用规则来完成目标系统的控制，因此非常适用于如柴油发动机等数学模型未知的、复杂的、非线性的系统控制。

1.2 模糊控制器的组成

模糊控制器通常由4部分组成，即模糊化接口、知识库、模糊推理机、解模糊接口。各部分的作用如下：

（1）模糊化接口。模糊化接口接受到只有误差信号的输入，然后生成误差的变化率或者误差的差分值，最后来完成论域的变换和模糊化。

（2）知识库。知识库是模糊控制器的重要部分，其存贮着模糊控制器相关的一切知识，并决定着模糊控制器的最终性能。模糊控制器中的数据库，存贮着模糊化、模糊推理以及解模糊的一切知识，其中包括模糊化中的论域变换方法、输入变量各模糊集合的函数定义、模糊护理算法、解模糊算法、变量输出各模糊集合的函数定义等。

规则库负责模糊控制规则形式的条件语句的存贮，如“if……then……”等

（3）模糊推理机。模糊控制所应用的是广义的前向推理方式。

（4）解模糊接口。解模糊接口主要包括解模糊和论域反变换两部分。

2 柴油机的模糊控制系统

2.1 柴油机的模糊控制方法

对于柴油机的复杂系统，建立一个较为科学、合理且精确的数学模型，是非常困难的。在对柴油机的调速控制进行研究时，虽然通过测量可以得到其模型，但对于多变量的非线性变化来说，很难掌握其控制的精确度。

而模糊控制技术，则只要依据操作者实践经验和直观推断，还有设计人员和研发人员的知识储备和经验累积来完成，所以其适应性和主观性较强。也就是说柴油机的调整模糊控制方法，不需要建立精确的数学模型，只需要在常规的模糊控制器上，建立一种在线修正因子和量化因子的自调整模糊控制器，这种修正算法能够进行智能的分析和识别系统的输出状态，从而动态且独立地对量化因子和比例因子进行在线修正，来调节整个控制过程中的控制性能。因此，采用模糊控制技术对柴油机进行转速控制的方法，非常有效。

2.2 柴油机的转速控制系统

作为被控制对象的柴油机，要考虑其延迟性，并经过线性化处理后，可近似为一个一阶或者二阶系统。柴油机的模糊控制系统的执行器，通常采用电磁执行器，可以认为是一个比例环节。柴油机和执行器这两环节，对于一个已知的控制系统来说，应该为确定的。模糊控制器能够在柴油机的运行状态下，自动调节模糊控制规则，使柴油机在工况变化显著的情况下，仍然能够得到有效的控制。柴油机的转速控制系统应该如图1所示。

图1 柴油机转速控制系统

柴油发动机的喷油量，如果想要在某一转速下得到精确控制，可考虑在供油拉杆处增加一台步进电机如图2所示。

图2 柴油机系统结构

控制单元对步进电机进行控制，在反向电流通过时，供油拉杆的位移量会减小，当正向电流通过时，供油拉杆的位移量就会增加。控制单元可以通过接收安装在发动机输出轴上的转速传感器信号，和安装在供油拉杆上的位移传感器信号，来计算柴油机的基本喷油量。如果在柴油发动机运行过程中的某一时段，设定为定速运行，柴油机便应该以此转速进行匀速运行。但如果柴油机受到外界干扰，致使转速发生变化的话，控制单元就会控制步进电机的工作，从而改变供油拉杆的位置，将转速进行调整，以达到设定值。

2.3柴油机模糊控制设计的重要因素

（1）变量的选择。控制变量对系统的性能有很大的影响，所以控制变量的选择，不但要具有系统特性，还要具有高度的准确性。进行转速控制时，系统的输出与设定值之间的误差，可以当做模糊控制器的输入变量。通常情况下，可以选用系统的输出、输出变量、输出误差、输出误差变量及输出误差量总和等，来做为模糊控制系统的语言变量。但在具体的设计中，如何进行选择，或根据设计师对系统的了解和经验知识来确定。所以工程师的丰富经验和高水平的专业知识，是控制变量选择的首要条件。

（2）模糊分割。在控制变量选择并确定之后，就要对模糊控制器的输入变量和输出变量空间进行模糊分割，然后再根据经验和专业知识，来完成控制规则的编写。进行模糊分割时，各领域之间的重叠程度，会严重影响控制系统的性能，通常模糊领域间重叠的程度没有一定的明确方法，大多依据模拟和实验的调整来决定分割，所以效果的理想程度并不算太高。模糊分割时重叠的部分，代表着模糊控制规则间的模糊程度，所以模糊分割是模糊控制的主要特征。

（3）模糊控制规则的获取。在实际的柴油机调整系统模糊控制设计中，专业的经验和知识，是设计线索的基础。模糊控制规则的决策分析通常可用“if……then……”的语言形式表现出来。

模糊控制规则应该多次进行试误法来进行修正，以获取最佳的模糊控制规则，从而使系统的性能得到有效发挥。模糊控制系统在控制上，不但要考虑知识的获得，也在考虑技巧的获得。所以在实际的操作工作中，有效地记录下操作员的操作模式，根据柴油机不同的转速来提出相应的模糊控制规则表，也是获取并构成控制规则的重要方式。

此外，在设计模糊规则时，先要选择好各个阶段的特征点，并记录在模糊控制规则的前件部，然后再考虑在该点采取的动作记录在模糊控制规则的后件部。

3 结束语

应用模糊控制技术对柴油发动机进行调速控制时，可以根据实际经验来建立模糊规则表，并运用规则进行科学的模糊推理。通过对柴油机转速的变化分析，来达到其隶属度，然后代入公式进行计算，再进行解模糊，便可得到转速控制的精确值和转速的预控制，达到柴油机转速调整的目的。模糊控制技术对于提高柴油机的调速系统性能和节能减排，有着重要的作用和意义，值得深入研究和推广。

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