柴油机电液调速技术分析

段　梦，柳永亮

（德州学院，山东济宁　253023）



柴油机电液调速技术分析

段梦，柳永亮

（德州学院，山东济宁253023）

摘要：调速技术作为柴油机电控技术的关键技术，能够起到对柴油机性能指标进行准确衡量的作用。从机械式调速器到现在的电液调速器，柴油机调速技术经历了几十年的发展，功能逐渐丰富，自动化水平也得以提升。通过系统仿真结果和柴油机调速试验结果得出的数据相互吻合，证明建立模型与仿真计算是科学合理的。

关键词：柴油机；电液调速器；负荷；仿真；控制

电子控制技术是促进柴油机性能提升的重要方法，也是现阶段柴油机技术发展的重要趋势。调速技术作为柴油机电控技术的关键技术，能够起到对柴油机性能指标进行准确衡量的作用。实际上，从机械式调速器到现在的电液调速器，柴油机调速技术经历了几十年的发展，功能逐渐丰富，自动化水平也得以提升。基于此，本文对有关柴油机电液调速技术进行研究和探讨，以期对于柴油机电液调速技术的推广和应用，起到一定的理论指导意义。

1　柴油机电液调速器的作用

喷油泵的速度特征为工况条件相对复杂的柴油机带来很多麻烦，如果发动机负荷产生变化，会直接导致发动机转速产生剧烈变化，如果负荷减小，则转速提升，继而造成柱塞泵循环供油量加大，反过来又导致转速提升，从而造成恶性循环，导致“飞车”情况，对柴油机造成一定的损坏。负荷增大时情况亦然，最后造成柴油机熄火。

对于以上情况，必须要安装一种可以按照负荷变化对供油量进行自动调节的设备，让柴油机始终处在稳定可控的转速范围内。所以，柴油机为了符合使用要求，调速器是不可或缺的重要设备。总体而言，柴油机电液调速器的作用包括以下4个方面。

（1）避免柴油机超速运转，换言之就是对柴油机最高转速进行控制。

（2）确保在设置好的最低转速下稳定可靠的运转。

（3）如果外界负荷出现变化，可以对供油量进行自动调节，确保在规定转速范围内稳定可靠工作。

（4）除了调速功能之外，还具备起动功能、速度控制功能、速度设定功能、速度控制动态、燃油限制功能等。

2　电液调速器结构及原理分析

（1）结构。本文以伍德沃德公司生产的UG- 25+调速器为例，对其结构及原理进行介绍。

图1是UG- 25+调速器，是一种具有计算机控制，具有机械液压放大功能的数字式调速器，具体包括三个部分，分别是L系列控制器、液压执行机构以及用户界面。其中，最重要也是最关键的是液压执行机构，包括：油泵、泄压阀、旋转转换成直线运动的机械结构、柱塞、动力活塞、输出杠杆、输出轴、速度感应器以及速度传感器等。

（2）原理。这里所讲述的原理指的是液压执行机构的工作原理，分为3个方面：①负荷或者速度设定不断提升时，造成L系列控制器输出轴做逆时针运动，动力活塞向上方移动，带动输出轴和浮动杠杆，到达一定设定好的位置后，柱塞位置回到原位。②负荷或者速度设定不断降低时，L系列控制器输出轴做顺时针运动，柱塞和动力活塞随之下降，使得输出轴开始向减油方向移动，带动浮动杠杆也发生下移，继而柱塞上移动。如果输出轴到达设定好的位置，柱塞位置回到原位。③控制器断电时，输出轴到达最小供油位，以此确保安全。断电之后,L控制器丧失力矩，负荷弹簧使得输出轴回到原来位置上，带动柱塞，控制孔被打开，油返回到油腔内，动力活塞发生下移，最后停留到最小供油位。

3　柴油机电液调速技术分析

柴油机模型比较多，不同模型条件下的功用也不同，从理论上对柴油机电液调速技术进行研究，必须要针对于此用途建立专门的数学模型，同时确保准确性和精确性，以此揭示柴油机在电液调速方面的变化。因此，本文首先建立相关模型，并且以仿真模型为基础进行计算，得出基于柴油机电液调速技术的PID控制策略。最后，获取的实验数据也证明数学建模的准确性，从而真正验证本文所述技术具有一定的可行性。

（1）建立模型。柴油机电液调速技术的关键在于液压执行机构，对其液压执行机构的动态性能进行研究必须要先建立数学模型，一般情况下选择传递函数法、状态空间法等方法，本文选择传递函数法对系统特性进行研究。

首先，对液压执行机构传递函数进行推导，其中涉及到几个基本方程，具体包括阀的线性化分析及阀系数、滑阀的流量方程、液压缸流量连续性方程、液压缸和负载的力平衡方程、阀开口量方程等。

阀的线形化分析：

其中，QL为负载流量，XV是阀芯位移，PL是负载压力。

滑阀流量方程：

其中，Kq是滑阀的流量增益，KC是流量——压力系数，PC是活塞头端的控制压力。

其次，建立起传递函数模型，以及相关仿真模型。具体是利用MATLAB仿真工具，对模型进行分层描述，确保用户可以准确的建立计算模型，并且可以对动态控制系统进行直接处理。将相关参数带入到公式中获取阀控缸的具体工作参数：流量——压力系数是1.12×10-11（m3/s）/Pa；液压油有效体积弹性模量是700MPa；液压固有频率为200rad/s；液压阻尼比大约为0.08。

最后得到以下系统仿真模型，如图2所示。

图2　系统仿真模型

（2）仿真计算。液压系统动态特征是基于原本平衡条件下，向另外新的平衡条件进行转化的一个过程，引发动态过程的具体原因包括两个方面：一方面是因为传动和控制系统发生变化；另一方面是外界因素干扰。所以，对柴油机电液调速技术进行研究可以概括为液压系统稳定问题和过渡品质问题。利用仿真计算，能够获取液压系统的动态特征。

以仿真模型为基础，利用求解器实现仿真计算，其中要考虑几个主要影响参数，包括阻尼比、固有频率、流量增益、杠杆结构参数等，在研究过程中发现必须要采取措施提升阻尼比和液压固有频率，比如对旁路泄漏进行设置、选择正开口阀、提升负载的粘性阻尼、降低控制腔的容积等。此外，还需要对稳定性的影响因素进行综合考虑，包括结构参数、结构刚度、非线性因素等，去除稳态误差后对仿真模型进行修正。

最后，对液压伺服机构的各项影响因素进行充分考虑的前提下，对柴油机电液调速系统的动态特征进行仿真计算，利用调整参数组合的方法，最后得出较为理想的仿真结果。其中，液压固有频率是609rad/s；液压阻尼比是0.1；伺服阀流量增益是0.830m2/s；浮动杠杆结构参数是0.25。

（3）控制策略分析。本文所指的控制策略分析是PID控制器，也就是按照偏差比例、积分、微分进行控制的控制器，这是现阶段应用比较广泛的控制器，其应用使得柴油机电液调速技术取得理想控制效果。控制系统的要求包括稳定、精确以及快速，针对柴油机来说，快速而又稳定是其工作要求。利用PID控制器，如果仅仅是增加快速性，则有可能失稳；如果仅仅是提升稳定性，那么快速性与精确性则又无法控制；而假如精确性要求降低，那么稳定性不能控制。所以，对PID控制参数进行调整，成为对系统进行优化控制的关键。

本文选择凑试法对PID工程参数进行整定，详细步骤如下所示：首先，确定整定比例部分。把积分与微分系数设置成零，提升比例系数的同时，对其响应进行观察，确保系统的过渡过程以四比一的衰减响应曲线呈现，假如系统的静差不断降低至最小允许范围，此时得到最优比例度；其次，增加积分环节：理论上分析，假如仅仅进行比例控制，系统静态误差实际上无法达到要求，

必须要增加积分环节。整定过程中把比例系数降低到80%，以补偿由于增加积分而导致的系统稳定性降低，对积分参数进行调升。确保系统一定动态性能的前提下，对静差进行消除。此步骤反复进行，获取理想效果；最后，增加微分调节的过程：以上两步调整之后，如果系统动态过程和理想效果存在偏差，那么增加微分环节构成PID控制器的步骤。整定过程中，把微分系数设置成零，逐渐提升微分系数，对比例系数与微分系数进行调整，逐步获取理想中的控制效果与控制参数。

（4）结果分析。调速器的性能会对柴油机运转的稳定可靠产生直接的影响。调速器安装完毕，在对柴油机性能进行鉴定过程中，进行柴油机突变负荷试验，利用瞬时记录仪与转速自动记录仪对柴油机转速变化曲线进行记录，从而对调速器性能进行分析。

因此，得出以下结论：如果柴油机处于额定转速为1050r/min时，处于一种稳定的工作状态，突卸负荷状态下其最大瞬时转速是1100r/min，此时瞬时调速率是5.5%，稳定时间是7.0s；突加负荷状态下最小瞬时转速是980r/min，此时瞬时调速率是5.8%，稳定时间是7.5s。此结果满足瞬时调速率不大于10%，以及稳定时间不大于10s的调速系统指标要求。

4　结语

系统仿真结果和柴油机调速试验结果得出的数据相互吻合，证明建立模型与仿真计算是科学合理的。本文在对柴油机电液调速技术进行研究过程中也存在许多不足，和国外先进技术相比较而言，还存在很大差距，必须要结合我国实际情况，逐步发展，从而促进产品竞争力的提升。

Analysis of Electric Hydraulic Governing Technology of Diesel Engine

DUAN Meng，LIU Yong-liang
（Dezhou College，Jining，Shandong 272100，China）

Abstract:The speed regulating technology is a critical technology in diesel engine electric controlling technology and can accurately measure the functional indexes of diesel engine.After decades of development，diesel engines has more and more functions and its automatic ability has also been improved.The result of system simulation matches that of the speed regulating experiment，which indicates that model and simulation calculation are reasonable.

Key words:diesel engine；electro-hydraulic governor；Load；simulation；control

作者简介：段梦（1993-），男，山西临汾人，大学本科，主要研究方向：汽车。

收稿日期：2016-01-17

中图分类号：TK423

文献标识码：A

文章编号：2095-980X（2016）02-0013-02