小型汽油机智能化电子调速系统研究

陈宝华

（娄底职业技术学院，湖南 娄底 417000）

小型汽油机智能化电子调速系统研究

陈宝华

（娄底职业技术学院，湖南 娄底 417000）

随着小型汽油机在农业机械上的广泛应用，对其调速性能的要求也在不断提高。为了满足和提高小型农用动力机械设备的综合技术性能，在小型汽油机上逐步推广使用数字电子调速系统。文章分析了汽油机电子调速器的动态特性，并设计采用了自适应数字PID控制系统，根据汽油机调速过渡过程的要求，设计了一套智能化速度变量调整系统，以全面优化电子调速器的动态响应特性，在提高时调速率值的同时，能及时自动修正超调量，缩短稳态定速时间。试验结果证实：该电子调速系统的综合调速能力优，超调量自适应修正能力强，瞬时定速稳态性能好，整机结构简单成本低，具有较强的推广和应用价值。

电子调速系统；小型汽油机；智能调速器；专家自适应PID

一般中小型内燃机主要采用机械式调速器，大功率柴油机多采用液压调速器，都是通过飞块所产生的离心力随转速变化的特性来控制齿条的位移，进而控制供油量，使内燃机的转速在一定时间范围内达到稳定，从而达到调速的目的。而电子调速器的主要功能是将必要的信息全部转换成电信号并进行运算后产生的。因此，对电子调速器的输入和输出，使用电压、电流或触点的信号就可以了。这样它容易和外部的控制装置进行转换连接。另外，运算全部由软件操作控制，电路本身也标准化了。因此，电子调速器取代机械调速器是必然的发展趋势。由于汽油机负荷时常发生变化，导致转速产生很大的波动，需要调节气门开度来稳定汽油机的转速，所以必须在汽油机上安装调速器。现在，汽油机上的调速使用的是机械式调速器，它存在稳态、瞬时调速性能较差、稳定时间较长等缺点。在对汽油机转速进行调节的整个动态过程中，当实际转速与设定转速存在偏差时，此时超调量都很大，这样要依靠软件来实现各项调节和控制功能，可以实现更高精度的控制。在负载时常变化的情况下，通过改变汽油机节气门的开度，能够使汽油机的转速稳定在设定的某个转速范围内，其瞬时和稳定调速率都有了很大地提高，稳定时间大大降低。电子调速器主要解决执行器、控制软件、抗干扰等问题。数字式电子调速器能够大幅提高内燃机的自动控制精度和调速性能，因此开发数字化多功能调速器已成为调速器技术发展的方向之一。

文章分析了汽油机动态过渡过程中，如何提高电子调速器的动态性能及其控制精度，并以AT89C51单片机为核心的数字控制系统；采用专家自适应PID自动控制算法，获得了在汽油机负荷变化的过渡过程中，汽油机转速的变化量与节气门调节量之间的控制关系。通过实验表明，该电子调速器的瞬时调速能力良好，稳定时间短，整个电子调速器结构简单，成本较低，具有较强的推广和应用价值。

1 汽油机转速调节的动态分析

汽油机转矩T与负载阻转矩Tload的差值决定汽油机转速的变化情况。当负载发生变化，汽油机的稳定工况遭到破坏时，将引起汽油机—能耗装置的转速发生变化。汽油机转速变化的快慢，不仅和汽油机转矩T与负载阻转矩Tload的差值有关，还取决于包括能耗装置在内的汽油机运动件转化到汽油机曲轴旋转中心的当量惯性矩J，视能耗装置不同，当量惯性矩J的值也不同，但一般来说，当量惯性矩都比较大。

图1 汽油机突卸负荷转速变化过程

可以看出，汽油机突卸负荷的转速变化过程是一个惯性系统在阶跃信号作用下的过渡过程。惯性系统是典型的一阶系统。当汽油机装调速器后，若转速增加，调速器关小节气门;转速降低，开大节气门，使汽油机转速始终稳定在额定转速附近，调速器会改变汽油机的过渡过程。启动汽油机，由于转速在上升过程中，节气门逐渐关小，转速上升的加速度降低，上升的幅度也大大减小。当转速上升到最大转速后，转速开始下降，由子进气速度比节气门开度的变化滞后，转速下降到额定转速后还要继续下降；当达到最小转速时，然后再上升，上升所达到的最高转速小于上一次的最高转速，汽油机的转速经过几次这样的波动之后，在设定的转速范围内稳定下来。

由此可见，有调速器的汽油机过渡过程不再是一个一阶系统的过渡过程，而是在原惯性环节上又加上了一个欠阻尼二阶环节的阶跃信号时间响应。汽油机的动态过渡过程中，动态特性主要是考查瞬时调速率δt、稳定调速率δs占：以及过渡稳定时间Ts。

2 汽油机调速系统的自适应PID控制

汽油机电子调速系统是一个典型的闭环反馈系统，其组成框图如2所示。

图2 闭环反馈系统框图

虽然汽油机调速系统的转速变化与节气门开度的增量之间不是一个线性关系，但它是一个单输入——单输出恒值调节系统，即在自动控制系统的工作过程中，转速在设定值的附近进行变动。所以，可以将该非线性系统假设为近似线性系统，根据汽油机转速变化的特点应用经典控制理论来进行控制。在汽油机转速变化的整个动态过程中，调速系统总的来说可以看作惯性系统和欠阻尼二阶系统的叠加。理论和实践均证明，在连续控制系统中，对象为一阶和二阶惯性环节或同时带有滞后时间不大的滞后环节时，PID控制是一种比较好的控制方法。

根据以上分析，选用数字PID控制实际运行经验和理论分析都表明，数字PID控制能满足相当多工业对象的控制要求，至今仍是一种应用最广泛的控制算法。

（1）专家自适应PID控制算法。常规PID算法可能导致的问题：当偏差较大时，需要将增益Kc设置较大，系统反应较快，但水位接近设定时，系统达到稳态时，可能出现振荡，如果将增益Kc调小，系统负载加大时，变频器反应又不够迅速。在这里可以引入专家PID算法。

专家PID算法从偏差e和偏差变化Δe这两个基本的控制量出发，构建系统知识库，同样en=SPn-PVn（给定值-反馈值），Δen=en-en-1；（第n时刻的偏差变化值，也就是偏差变化趋势的判断），emin为最小允许偏差；emax为最大允许偏差。

当|en|≥emax时，说明偏差的绝对值已经比较大了，不论误差往什么方向变化，都应该加快响应速度，应取较大增益Kc值。同时为了防止积分饱和，避免系统响应出现超调，应该去掉积分作用。

当emin≤|en|＜emax，且en*Δe＞0时，说明偏差的绝对值在朝增大的趋势发展，应尽量使系统响应超调减小，应该取较小的积分值，增益Kc的大小要适中，以保证响应速度。

当emin≤|en|＜emax，且en*Δe=0时，说明偏差为某一常值，未发生变化，应增加小的控制量，取较小的增益Kc值和积分值。

当emin≤|en|＜emax，且en*Δe＜0时，说明偏差绝对值在朝减小的趋势变化，应适当减少控制量，应取更小的Kc值，同时为了防止出现再次超调，应去掉积分作用。

当|en|＜emax时，说明偏差已经较小，已达到允许范围，为之系统具有良好的稳态性能，应取Kc=0。

对控制规律进行分段处理后，在给定值与反馈实际值的偏差比较大时，系统能以较快的速度平缓控制输出使反馈实际值向给定值靠近，在偏差很小系统接近稳定时，系统又不会因为太大惯性而引起振荡，从而提高了系统的稳定性。

（2）智能调速控制系统的稳定性分析。不同的能耗装置有不同的速度——阻转矩特性，由于汽油机的速度特性是随着转速的上升而转矩下降，汽油机调速系统具有很好的自定性。只要专家PID数字控制的参数取得合适，控制系统就能够稳定运行。

影响稳定性的参数主要有两个：其一是比例控制系数Kp，Kp过大会使转速忽高忽低，造成系统不稳定；另一个影响稳定性的参数是采样周期T，过长的转速采样周期会使控制器的响应变慢，因而使控制滞后，这同样会引起转速控制的超调量增加和系统的不稳定。一般来说，微机控制系统是既含有连续量又含有离散量的混合系统，在此处，汽油机的转速是连续量，微机所接受的转速信号以及对执行机构的控制等都是离散量。离散系统及混合系统的稳定性不如连续系统的稳定性好，而转速负反馈只是在离散的采样瞬间才接通，所以，采样周期越短，越接近连续系统，系统的稳定性越好。

采样周期受到CPU工作时钟、执行机构的动态响应、采样时间等限制，并且，由于汽油机的工作特点，转速具有瞬时波动性，过短的采样时间反而不能反映其转速。

3 智能电子调速系统设计

汽油机电子调速系统的工作原理为：转速采样系统获取当前的转速信号，对信号进行数字化处理后送给数字控制器，数字控制器根据控制算法程序进行输出控制计算，执行机构根据此计算结果驱动执行器，从而达到对汽油机节气门的控制，对汽油机的转速进行调节。电子调速器组成框图如图3所示。

图3 数字式电子调速器系统组成框图

电子调速器是由数字控制、转速采样、执行驱动和执行器等四部分组成。汽油机的输出转速是连续量，而数字控制器所接受的转速信号以及对执行机构的控制等都是离散量。

数字控制器主要完成调节汽油机的转速和控制计算，它是数字式电子调速器的核心部分。根据系统的控制要求，对汽油机的转速进行控制，控制算法是由程序来实现的，控制算法以及相应的控制程序决定了控制的效果。转速采样要求稳定可靠，采样的周期越短，包括汽油机在内的整个系统越接近于连续系统，转速也就越稳定。汽油机具有周期性工作的特点，即使在稳定工作时，不同的曲轴转角，汽油机的瞬时转速也不尽相同。因此，过短的采样时间反而不能准确反映汽油机的转速。

执行器是调速器实现其功能的关键部分，执行器的性能直接影响调速器的控制效果，要求执行器的惯性较小，动态反应快。

4 智能电子调速系统实验与分析

基于上述控制系统思路，采用AT89C51单片机，设计了一套智能调速系统，同时汽车机工作转速3000r/min，输出功率8kW，负载为4kW发电机。对此智能调速系统进行了突加和突卸负载实验。具体过程是：当汽油机处于空载稳定工况时，发电机突加负载4kW，测取汽油机转速变化的情况，待汽油机转速稳定后，再突然卸去全部负载，同时又测取汽油机突卸时转速的变化，从而得到系统突加和突卸时动态调速特性图，如图4所示。多次测量，平均结果如表1所示：

图4 汽油机突加4kW负荷的过渡过程

表1 突加负荷及突减负荷结果

（1）突加负荷。当汽油机处于空载运行，突然增加全部负荷时，此时汽油机的转速下降很快。当转速变当汽油机处于空载运行，突然增加全部负荷时，此时汽油机的转速下降很快。当转速变化率很大且远离平衡点的趋势时，立即调用大调节子程序。当转速得到控制时，就可以进行正常的PDI调节。所以专家自适应PID方案能够在很短的时间内使系统无振荡地过渡到稳定状态，同时也最大限度地降低了瞬时调速率。

（2）突卸负荷。突然卸去汽油机的全部负荷时，汽油机的转速骤然上升，呈现“飞车”的趋势。在这种工作过程中，汽油机转速的变化快慢及加速度变化可以忽略不计，PID调节器的积分项和微分项可以近似为零，只有比例项在起作用，产生较大的超调量，这时必须调用大调节子程序，使转速的最大值降至3200r/min以下，就可以满足线性化假设的条件，开始进入分段专家PID调节，调用相应的小调节子程序，使系统平稳地过渡到稳定状态。

5 结论

针对汽油机突加负荷动态过程的试验进行分析,由突加和突卸负荷汽油机动态特性的试验数据可以得出，选择合适的控制参数，是提高电子式调速器动态特性的重要方面，并能有效改善汽油机的调速性能。由此可知，数字式电子调速器完全适用与小排量的通用汽油机，与机械式调速器相比具有更好的动态调速性能，其瞬时调速率和稳定时间都有很大地提高，均满足国家行业规定的调速标准。本次试验对汽油机数字式电子调速器的动态特性进行分析与研究，是一项具有实用价值的创新。此电子调速器依靠控制软件来实现调节和控制功能，瞬时调速率、稳定转速、稳定调速率等都可用程序来进行控制，具有很强的通用性和功能扩展能力。

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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

陈宝华（1973-），男，湖南涟源人，硕士，讲师，主要研究方向：农业机械化与数控技术,电力电子及其控制技术。