相繼增壓柴油機(jī)調(diào)速控制算法研究

楊傳雷，馬傳杰，王銀燕，胡松

哈爾濱工程大學(xué) 動(dòng)力與能源工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001

摘 要：為了精確控制相繼增壓柴油機(jī)調(diào)速過(guò)程，在GT-power與MATLAB/Simulink聯(lián)合仿真環(huán)境下，基于常規(guī)PID(proportion integration differentiation)和模糊自適應(yīng)PID兩種控制算法分別建立了TBD234V12型相繼增壓柴油機(jī)調(diào)速控制模型，進(jìn)行仿真和對(duì)比研究，并將標(biāo)定工況下氣缸壓力仿真值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。結(jié)果表明，相較于經(jīng)典PID算法，模糊自適應(yīng)PID算法響應(yīng)快、超調(diào)量少，控制效果較優(yōu)。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī)；相繼增壓；調(diào)速；PID；模糊；控制；算法；仿真

近年來(lái)，隨著海洋環(huán)境的惡化，國(guó)際海事組織(International Maritime Organization，IMO)制定了《MARPOL73/78公約》對(duì)船用柴油機(jī)NOx排放量加以限制[1-2]。NOx是柴油機(jī)排放污染物中最重要的組成部分。相繼增壓是改善高增壓柴油機(jī)低速大扭矩性能最有效的方法，可以擴(kuò)大經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)范圍，降低NOx排放量[3]。速度控制系統(tǒng)是相繼增壓柴油機(jī)的重要組成部分，控制效果的好壞直接影響到柴油機(jī)排放物的成分。目前，大多數(shù)商用機(jī)中仍然使用經(jīng)典PID(proportion integration differentiation)對(duì)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。由于經(jīng)典PID控制算法參數(shù)是固定值，而發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)具有滯后、非線性特性，所以經(jīng)典PID控制器很難滿足柴油機(jī)全工況的調(diào)節(jié)要求，為提高控制效果必須根據(jù)具體運(yùn)行情況對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)整[4-6]。模糊PID算法具有模糊控制和PID控制的優(yōu)點(diǎn)，可以適應(yīng)柴油機(jī)的非線性和時(shí)變性，已經(jīng)在很多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[7-9]。但此算法在相繼增壓柴油機(jī)速度控制系統(tǒng)的應(yīng)用未見(jiàn)報(bào)道。

文中在經(jīng)典PID控制算法的基礎(chǔ)上，結(jié)合模糊控制原理提出應(yīng)用模糊自適應(yīng)PID控制算法對(duì)相繼增壓柴油機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。在GT-power與SIMULINK聯(lián)合仿真環(huán)境下分別建立TBD234V12型相繼增壓柴油機(jī)速度調(diào)節(jié)的PID控制和模糊自適應(yīng)PID控制模型，對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間、超調(diào)量等指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析和研究。

1 控制算法研究

1.1 經(jīng)典PID控制算法

PID控制器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)態(tài)控制精度高等特點(diǎn)，在控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[10]。PID控制器由比例單元(P)、積分單元(I)和微分單元(D)組成。其輸入e(t)與控制量輸出u(t)的關(guān)系為

式中：e(t)為測(cè)量值與給定值偏差；TD、TI、KP分別為微分項(xiàng)、積分項(xiàng)和比例項(xiàng)調(diào)節(jié)常數(shù)。

1.2 模糊PID控制算法

在復(fù)雜的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中，由于被控對(duì)象的時(shí)變性、非線性和不確定性等特點(diǎn)，經(jīng)典PID控制器不能對(duì)其進(jìn)行良好的控制，而模糊自適應(yīng)PID控制器是經(jīng)典PID控制器與模糊控制原理相結(jié)合的一種先進(jìn)控制策略，是解決上述問(wèn)題的一種有效途徑[11]。模糊自適應(yīng)PID控制器不需要受控對(duì)象準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，而是根據(jù)預(yù)先設(shè)定的控制規(guī)則對(duì)控制量進(jìn)行判決。使系統(tǒng)具有模糊控制的靈活性和適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，又具有PID控制精度高的優(yōu)勢(shì)[12]。模糊自適應(yīng)PID控制器基本控制原理框圖如圖1所示。

圖1 單變量二維模糊控制原理

1.3 模糊自適應(yīng)PID控制器的設(shè)計(jì)

1.3.1 確定模糊控制器的結(jié)構(gòu)

采用雙輸入(偏差E和偏差變化量EC)和三輸出KP、KI、KD的模糊控制器結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 模糊控制器結(jié)構(gòu)

1.3.2 確定語(yǔ)言變量和語(yǔ)言值得隸屬度函數(shù)

設(shè)定輸入誤差e的語(yǔ)言變量為E，誤差變化率ec的語(yǔ)言變量為EC，控制器輸出u的語(yǔ)言變量為U，三者的論域都為{-3，-2，-1，1,2,3}，相應(yīng)的語(yǔ)言值為{負(fù)大(NB)，負(fù)中(NM)，負(fù)小(NS)，零(ZR)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)}。輸入變量的隸屬度函數(shù)采用guassmf高斯函數(shù)，輸入變量的隸屬度函數(shù)采用trimf三角函數(shù)。

1.3.3 模糊控制規(guī)則的建立

模糊控制設(shè)計(jì)核心是總結(jié)工程設(shè)計(jì)人員技術(shù)知識(shí)和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，建立模糊規(guī)則表[13]。文中，兩輸入變量劃分為7個(gè)語(yǔ)言變量，共7×7=49條控制規(guī)則，如表1所示。模糊控制器采用Mamdani推理，即max-min符合算法。在FIS編輯器中,進(jìn)入規(guī)則編輯器，將控制規(guī)則添加進(jìn)入規(guī)則庫(kù)中，在MATLAB命令窗口輸入surfview命令，顯示如圖3所示為輸出變量KP、KI、KD的模糊規(guī)則視圖。通過(guò)觀察圖形是否平滑，可以判斷模糊規(guī)則的合理性。

表1 模糊控制規(guī)則表

項(xiàng)目NBNMNSZRPSPMPBNBPB、ZR、PSPB、PS、PSPM、PB、PMPS、PB、PBPM、PB、PMPB、PS、PSPB、ZR、PSNMPB、ZR、PSPB、PS、PSPM、PB、PMPS、PB、PBPM、PB、PMPB、PS、PSPB、ZR、PSNSPB、ZR、PSPM、ZR、PMPS、PM、PBZR、PB、PBPS、PM、PBPM、ZR、PMPB、ZR、PSZRPB、ZR、PSPM、ZR、PMPS、PM、PBZR、PB、PBPS、PM、PBPM、ZR、PMPB、ZR、PSPSPB、ZR、PSPM、ZR、PMPS、PM、PBZR、PB、PBPS、PM、PBPM、ZR、PMPB、ZR、PSPMPB、ZR、PSPM、PS、PSPM、PB、PMPS、PB、PBPM、PB、PMPB、PB、PSPB、ZR、PSPBPB、ZR、PSPM、PS、PSPM、PB、PMPS、PB、PBPM、PB、PMPB、PS、PSPB、ZR、PS

圖3 輸出變量KP、KI、KD的模糊規(guī)則視圖

1.3.4 輸出變量的反模糊化

模糊控制器的輸出量是一個(gè)模糊集合，通過(guò)反模糊化方法判決出一個(gè)精確量，文中選取重心法centroid進(jìn)行反模糊化，重心元素即反模糊化后的得到的精確量u*計(jì)算公式如式(1)，得到不同誤差E和誤差變化量EC輸入時(shí)控制參數(shù)KP、KI、KD的推理輸出，并傳遞給調(diào)速控制數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出調(diào)整速度[10]。

u*=

(1)

式中：μi為輸出論域中相關(guān)元素；μ(μi)為μi的隸屬度函數(shù)。

2 相繼增壓柴油機(jī)建模及驗(yàn)證

2.1 相繼增壓柴油機(jī)建模

基于GT-power軟件對(duì)TBD234型相繼增壓柴油機(jī)建模，TBD234V12型相繼增壓柴油機(jī)主要參數(shù): 缸徑為128 mm，行程為140 mm，壓縮比為15∶1，12個(gè)氣缸，額定功率444 kW，額定轉(zhuǎn)速1 800 r/min。整機(jī)模型如圖4所示。其中噴油模塊選擇InjProfileCon，該模塊可以靈活方便地設(shè)置噴油壓力、時(shí)間等參數(shù)。

圖4 相繼增壓柴油機(jī)GT-power模型

2.2 模型驗(yàn)證

標(biāo)定工況下TBD234柴油機(jī)缸壓仿真值與試驗(yàn)值如圖5所示，柴油機(jī)在標(biāo)定工況下，缸內(nèi)壓力變化曲線的模擬計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)實(shí)測(cè)示功圖形狀基本吻合，說(shuō)明相繼增壓柴油機(jī)GT-power模型模型邊界條件設(shè)置合理，仿真計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確。

圖5 氣缸壓力的仿真值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比

3 調(diào)速控制模型的建立

3.1 建立聯(lián)合仿真平臺(tái)

GT-power與Simulink耦合是通過(guò)GT-power中的控制模塊實(shí)現(xiàn)的，聯(lián)合仿真原理圖如圖6所示。包括外部聯(lián)接模塊(SimulinkHarness)、傳感器模塊(SensorCon)、執(zhí)行器模塊(ActuatorCon)、自定義輸出模塊(MonitorSignal)等。在GT-power模型中Sensor采集柴油機(jī)轉(zhuǎn)速作為輸入信號(hào)，經(jīng)SimulinkHarness傳至Simulink模型中，渦輪、壓氣機(jī)、進(jìn)排氣管及排放參數(shù)直接輸入MATLAB工作空間，保存計(jì)算結(jié)果[14]；在Simulink模型中，從GT-power中采集得到的轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速相比較得出差值，經(jīng)PID控制器整定得到每缸每循環(huán)噴油量，噴油量作為輸出信號(hào)經(jīng)由GT-SUITE Model模塊傳至GT-power模型中的SimulinkHarness，并經(jīng)過(guò)ActuatorCon施控于噴油模塊。

圖6 聯(lián)合仿真原理圖

3.2 MATLAB/Simulink環(huán)境建模仿真

分別以傳統(tǒng)PID控制算法和PID模糊自適應(yīng)PID控制算法進(jìn)行Simulink建模仿真。圖7、8分別是經(jīng)典PID控制器仿真模型、模糊自適應(yīng)PID控制器仿真模型。

圖7 經(jīng)典PID控制器仿真模型

圖8 模糊自適應(yīng)PID控制器仿真模型

4 仿真結(jié)果與分析

4.1 2TC狀態(tài)突加速情況下調(diào)速控制仿真

在1 s時(shí)刻，給控制器一個(gè)1 428～1 800的階躍信號(hào)，運(yùn)行模型并利用示波器Scope模塊輸出仿真結(jié)果。圖9是經(jīng)典PID控制器仿真模型、模糊自適應(yīng)PID控制器仿真模型對(duì)階躍信號(hào)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線。

圖9 兩種PID控制器對(duì)階躍信號(hào)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線

從圖9可以看出：2TC狀態(tài)突加速情況下，在系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間方面，經(jīng)典PID控制器是4 s，模糊自適應(yīng)PID控制器是2.8 s；在系統(tǒng)超調(diào)量方面，經(jīng)典PID控制器最大超調(diào)量是95 r/min左右，模糊自適應(yīng)PID控制器超調(diào)量為50 r/min左右?？梢缘贸鼋Y(jié)論：和經(jīng)典PID控制器相比模糊自適應(yīng)PID控制器響應(yīng)時(shí)間短、超調(diào)量小，動(dòng)態(tài)工況下控制效果更優(yōu)。

4.2 1TC向2TC狀態(tài)切換過(guò)程調(diào)速控制仿真

在4 s時(shí)刻，受控增壓器燃?xì)忾y打開(kāi)，渦輪開(kāi)始工作；5 s時(shí)刻，受控增壓器空氣閥打開(kāi)，壓氣機(jī)開(kāi)始工作，切換延遲為1 s。圖10是經(jīng)典PID控制器仿真模型、模糊自適應(yīng)PID控制器仿真模型對(duì)切換信號(hào)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線。

圖10 兩種PID控制器對(duì)切換過(guò)程的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

從圖10中可以看出：1TC向2TC狀態(tài)切換過(guò)程中，燃?xì)忾y及空氣閥剛打開(kāi)時(shí)，兩種控制器響應(yīng)速度差不多，但相比于經(jīng)典PID控制器，模糊PID控制器較快恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)，即動(dòng)態(tài)響應(yīng)更快；另外經(jīng)典PID控制器的最大速度波動(dòng)量為55 r/min，而模糊PID控制器的最大波動(dòng)量為35 r/min，即系統(tǒng)超調(diào)量小。另外，從圖中可以看出，即使是在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速也有5 r/min的波動(dòng)，這是因?yàn)椴捎昧送暾摹⒎蔷€性的GT-power柴油機(jī)模型，由于相繼增壓系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致進(jìn)排氣壓力的波動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致了柴油機(jī)工作不穩(wěn)定、轉(zhuǎn)速高頻波動(dòng)[15]。

5 結(jié)論

1)建立了TBD234型柴油機(jī)在GT-power與MATLAB/Simulink聯(lián)合仿真環(huán)境下的瞬態(tài)調(diào)速控制模型，利用完整的柴油機(jī)仿真模型和靈便的控制方式對(duì)柴油機(jī)突加速情況進(jìn)行仿真計(jì)算。

2)將標(biāo)定工況下氣缸壓力仿真值與原機(jī)實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。仿真結(jié)果表明了和經(jīng)典PID控制器相比，模糊自適應(yīng)PID控制器響應(yīng)時(shí)間短，超調(diào)量小，動(dòng)態(tài)工況下控制效果更優(yōu)。

3)該仿真平臺(tái)的柴油機(jī)模型采用了非線性、時(shí)變性的GT-power模型，柴油機(jī)性能參數(shù)計(jì)算完整、可信，仿真計(jì)算結(jié)果能夠模擬在突加速過(guò)程中柴油機(jī)的參數(shù)變化，為TBD234型柴油機(jī)的選型、調(diào)整提供依據(jù)。

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Research on the speed regulation control algorithms for sequential turbocharging diesel engine

YANG Chuanlei,MA Chuanjie,WANG Yinyan,HU Song

College of Energy and Power Engineering,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China

Abstract：In order to precisely control the speed regulation process of a sequential turbocharging diesel engine,in the joint simulation environment of GT-power and MATLAB/SIMULINK,the speed regulation control models on TBD234V12 sequential turbocharging diesel engine were respectively established on the basis of the classical PID and the fuzzy self-adapted PID(proportion integration differentiation) control algorithm.The simulation and the comparative research were carried out,in addition,the simulative value of the cylinder pressure under the declared working conditions were compared with the testing value,so as to verify the accuracy of the model.The simulation results show that the fuzzy self-adapted PID control algorithm has a better effect than the classical PID algorithm,including fast response,lower overshoot and better control effect.

Keywords：diesel engine; sequential turbocharging; speed governing; PID; fuzzy; control; algorithm; simulation

DOI:10.11991/yykj.201607019

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/23.1191.U.20170424.1725.014.html

中圖分類號(hào)：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-671X(2017)05-030-05

收稿日期：2016-07-21. < class='emphasis_bold'>網(wǎng)絡(luò)出版日期

網(wǎng)絡(luò)出版日期：2017-04-24.

基金項(xiàng)目：國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2015BAG16B001).

作者簡(jiǎn)介：楊傳雷(1978-)，男，講師，博士.

通信作者：馬傳杰，E-mail：dalei1999@163.com.

本文引用格式：

楊傳雷，馬傳杰，王銀燕，等.相繼增壓柴油機(jī)調(diào)速控制算法研究[J].應(yīng)用科技,2017,44(5): 30-34.

YANG Chuanlei,MA Chuanjie,WANG Yinyan,et al.Research on the speed regulation control algorithms for sequential turbocharging diesel engine[J].Applied science and technology,2017,44(5): 30-34.