基于PID控制方法的电子调速器在柴油机上的应用

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摘 要：介绍了柴油机调速的原理和基于pid自动控制方法的电子调速器的调速原理、调整方法、PID转速控制及负荷分配功能及应用；本文主要以2301D型数字式电子调速器为核心控制器，研究了该电子调速器的PID调节方法以及在8230ZD型柴油机应用中表现出来的优秀的控制性能。

关键词：柴油机；2301D；电子调速器；PID速度控制；负荷分配

中图分类号：U665.1 文献标识码：A

1 前言

随着电子控制技术的飞速发展，电子控制技术在柴油机上的应用也日益增多。特别是控制精度越来越高和处理能力越来越强，使得柴油机可以在更多控制工况下运行，并且能表现出优越的性能。2301D型电子调速器就是使用32位微处理器实现对柴油机的控制的电子技术。2301D电子调速器具有运行速度快、硬件少、功耗低、可靠性高、适应性强、调试方便并能实现多功能控制等优点，因此电子调速器在柴油机上的运用，是柴油机发展必然的趋势。

2 2301D型电子调速器调速原理及功能

2.1 调速原理

柴油机工作过程的控制可以应用过程控制系统来实现最佳转速调节和最佳工况运行，其中最重要的是速度调节和稳定控制，它们成为柴油机控制中最基本的核心。采用电子调速器的柴油机并没有改变柴油机内在特性，只是借助电子调速器微处理器，实现更复杂的控制。微处理器控制系统的快速精确综合控制特点，能弥补柴油机在某些应用功能上的缺陷，使柴油机的潜力得到发挥，实现最佳运行，并扩展了柴油机运用领域。2301D 电子调速系统是一个闭环反馈系统（如图1） ，基于一个柴油机工作过程规律的调速模型，以比例（增益）、积分、微分控制（称为PID控制）算法为基础，按预制最佳控制参数来实现优化控制，使系统具有高性能电子调速和控制功能。

在过程控制系统中，调速器实现最基本的三种调节功能：比例（增益）调节；积分调节；微分调节。2301D电子调速器采用比例（增益）调节、微分控制和积分控制相结合，即PID控制，它是根据被控过程的特性确定PID控制的比例系数、积分时间和微分时间的大小，当转速偏离预设的目标转速时，2301D电子调速器所具有的增益环节能把变化的速度增量监测放大并抑制其超调幅度，通过积分环节控制稳定时间、微分调节让超调控制响应得更快，使转速快速减少偏差值，使柴油机尽快趋于稳定。调节器的输出与系统误差的比例积分微分三者之和成比例，因此调节器的增益系数、积分时间和微分时间对系统控制质量有着决定性的影响，参数值必须恰当。

2. 2 调速器转速控制PID 调整方法

以广州柴油机厂股份有限公司8230ZD 型柴油机为运用实例，该型柴油机飞轮齿数为230 ，用磁电式速度传感器感应单位时间内飞轮齿脉冲数，并将其变换成与转速成正比的脉冲信号输入给2301D电子调速器，电子调速器将转速信号与给定转速信号进行对比，并进行相应的控制运算，如果速度低于或高于参考值，经过PID运算后转换为电流信号由功率输出环节驱动执行器，增加或减少输出给执行器的电流。执行器响应执行器驱动的信号，往执行器给定方向调整柴油机燃油齿杆的位置，改变供油量大小从而改变柴油机的速度，直到转速信号与软件设定的参考值相等，即达到控制转速稳定的目的。2301D电子调速器PID 动态参数的调整使控制器适应柴油机转速的各种变化。积分调整影响突然负荷变化后原动机恢复需要的反应时间。负荷突然变化导致的速度变化量通过调整增益控制，补偿参数则是补偿执行器和柴油机油门对控制器信号的反应时间。鉴于柴油机负荷变化时转速会跟随变化，负荷突变大时转速偏差大，2301D控制器可以自动切换两个增益设定（如图2），以提供更好的动态性能。负荷变化时发生转速偏差超过可调整的窗口时（如图3），2301D控制器根据可调整的比率自动增加增益。

2.2.1 无负荷时的调整

如果柴油机快速游车，则降低增益直到柴油机稳定。如果缓慢游车，则可能有两种情况：

（1）增益太高时，并且积分太小时，那么就降低增益，慢慢增加积分，直到满意为止；如果增加积分时间超过2.0单位时，则可以增加一半微分时间，积分时间降回原来的值，直到柴油机稳定；如微分太大，那么柴油机在负荷突变时，执行器可能动作过大，导致柴油机燃油杆波动厉害。

（2）增益太低时，则增加增益。如果上述两种方法仍然不能改进缓慢游车，则可慢慢减少微分，有时可能降到0。

2.2.2 稳定负荷时的调整

如果轻微的负荷变化或人为干扰执行器，柴油机变化很大，但却能稳定下来，则增加增益斜率，直到满意。

2.2.3 突变负荷时的调整

负荷突变时，执行器能快速减少油门，并且转速偏差超过2301D设置的窗口宽度时，PID 的增益值将按增益斜率及窗口宽度（按照图2与图3所示）相结合来调整控制增益值，进而在快速减少负荷突变时的转速超调量，所示随着柴油机所需要的供油量同步发生变化，直到柴油机稳定。如果增益比例太大，转速波动时，可能引起柴油机游车。其中，高增益= 低增益×增益比例。

2.3 负荷分配功能及其他控制功能

8230ZD 型柴油机上的各种控制保护功能，主要是通过控制柴油机供油量来实现的，供油规律调整是电子调速器最突出的特点。2301D 电子调速器在进行循环供油量的调整时，不再单独依赖转速，该调速器有47个I/O接口，可以实现启动转速控制、怠速、额定转速、远程速度控制、动态切换、外部停车、各转速之间的稳定过渡、负荷平衡、负荷转移等控制功能。

2301D电子调速器带有负荷分配功能，接入发电机的电压互感器或电流互感器时控制器有功率校准计算功能，能精确计算出有功功率，控制器有用于负荷分配通讯的专用继电器口，当多台机组并机运行时，功率计算器及负荷分配通讯功能将一直处于运行状态。

2301D电子调速器有两个基本方法用于并车：

（1）有差调速模式：速度或频率随负荷比例变化而变化，如图4所示。

（2）同步模式：负荷增加而速度保持不变，如图5所示。

使用负荷分配功能时，每个控制器都需要设置对应柴油机发电机组的额定功率、额定转速的百分比、基本负荷点、卸载值、卸载率及加载率等参数，这样控制器才能按设定的参数值进行有效地控制有功功率的分配、调整及转移。负荷分配功能负荷校准的调整方法：在柴油机发电机组100%负荷运行时，使用PC通讯软件观察“KW INPUT CALIBRATION”中的Gen Output （read kW）读数，如果读数与外部仪表不匹配，则调整KW INPUT CALIBRATN ZERO值及KW INPUT CALIBRATN GAIN直到读数与仪表匹配。这样电子调速器才能够精确控制柴油机发电机组的有功输出， 满足系统对有功负荷分配功能的需求。

3 2301D 电子调速器的配机试验

广州柴油机厂股份有限公司生产的8230ZD型柴油机额定转速为750 rpm，均配装2301D电子调速器+UG15执行器，机组型号为CCFJ960J-W的配套用于粤海铁3#、4#渡轮辅机共6台机组，额定功率为960 kW；机组型号为CCFJ880J-W的配套用于4 500 t全回转起重船辅机共2台机，额定功率为880 kW。该型号柴油机原来使用的机械液压式调速器，其调速精度和动态特性等方面都不太理想，更主要的是无法实现多种综合控制功能，难于满足现在自动化控制要求越来越高的船舶的使用要求。

机械液压式调速器在起动时，若是过大的供油会导致转速上升过大或冒黑烟， 而2301D电子调速器具有起动转速调节及起动燃油限制功能，可以根据柴油机实际运行状态进行调整，直到满意。2301D的起动燃油限制参数为： 初始供油量+ 供油增量。实际供油量= 初始供油量+供油增量×起动时间。8230ZD型柴油机台架试验表明，冷机3MPa起动空气压力状态下起动时间最长为3 s ，起动次数可达7次，表现出良好的起动性能。更重要的是，2301D具有优越的PID动态调节性能，在整个机组进行100%～0负荷突卸瞬态调速性能试验、0～50%负荷突加瞬态调速性能试验以及50%～100%负荷突加瞬态调速性能试验考核柴油机瞬态调速性能指标时，2301D能快速响应PID调节，稳定地控制在目标转速内，实测参数如表1所列。

我们通过性能试验实测数据可以看出，2301D电子调速器对于控制瞬态调速特性性能相当理想，不仅超调量及稳定时间远小于规范要求的超调量不超过±10%及稳定时间≤5 s，而且调整曲线平滑，波形锯齿少，执行器控制的燃油总拉杆波动小，调整后运行平稳。柴油机在各种不同的工况点稳定运行时，转速波动率都小于0. 2 %，也远小于规范要求的0.5%。

4 小结

虽然8230ZD型柴油机第一次配套WOODWARD公司2301D电子调速器，但基于我公司已有8230型柴油机配WOODWARD公司723电子调速器的应用经验，因此可以说8230型柴油机配套2301D电子调速器应用于发电机组难度不太大，只是船用发电机组的性能指标要求与船用主机有所区别，所以8230ZD型柴油机配套2301D电子调速器，并用于粤海铁3#、4#渡轮项目及4 500 t全回转起重船共有8台机组，只是在第一台机组摸底调试时需要时间调试调速瞬态特性等指标并总结经验，剩下的机组均非常顺利快捷地完成出厂试验及客户验收等工作，相比液压式调速器模糊地进行调试，2301D电子调速器是应用软件进行数字式参数调整，可以精确地进行调整，有了第一台机组的应用经验，就能在以后的类似项目中快速地完成出厂调试工作，大量节省调试成本及时间，配机试验表明，WOODWARD公司 2301D 电子调速器具有良好的调速性能，可以满足广州柴油机厂股份有限公司生产的8230系列柴油机作为船舶发电机组或船舶主机的要求。可以预测，电子调速器在柴油机上的应用将会越来越广泛。

参考文献

[1] WOODWARD 2301D数字控制器. 8273-501手册CH26247NEW.

[2] 中国船级社. 钢质海船入级规范（2006）[S]. 北京： 人民交通出版社， 2006.

[3] 王文义， 茅云生. 船舶电气系列-船舶电站[M]. 哈尔滨： 哈尔滨工程大学出版社， 2006.