段军[1]2000年在《机车柴油机数字式电子调速系统智能PID控制理论和技术的研究》文中研究说明根据我国内燃机车行业目前的状况，在不改变现有燃油系统的情况下，利用微电子技术，即用数字式电子调速器代替正在使用的机械液压式调速器，是提高我国内燃机车的技术水平、产品档次和运用质量的一条捷径。并且会为我国内燃机车继续向着“重载、提速”这一目标前进提供保障，对我国铁路事业的发展具有重大的现实意义。在调速系统的设计、研制与调试中，作者对相关的理论和技术进行了全面、深入地研究，成功地开发出大功率中速柴油机数字式电子调速系统。在我国内燃机车上，首次实现了对柴油机转速的数字控制，并在一定程度上发展了柴油机的电控理论和技术。 本文在考虑柴油机工作过程特殊性的基础上，为了满足柴油机转速控制的实际需求，提出了柴油机曲轴转角域和相应角度频率域的概念，方便了控制周期的正确确定和转速信号的处理。从计算机辅助图形设计（CAGD）中磨光曲线的概念出发，以气缸的最高爆发压力作为控制点，用洛伦兹函数来拟合出柴油机示功图，建立起能基本反映柴油机瞬态特性，并兼顾数字控制特点的柴油机动态模型。 采用转速和供油齿条位移双闭环PID控制方案，研制出基于80C196KC单片机的机车柴油机数字式电子调速系统。利用计算机控制系统便于实现智能化的优势，提出了一种开闭环相结合的智能化启机操作方案，它可根据柴油机的需要，提供最适宜的启动供油量，使启机过程即快速、又柔和无超调。另外，基于此提出了一种在线自动整定PID控制器参数初值的方法。 针对常规PID控制器所表现出的局限性，在已有PID控制器参数初值的基础上，提出了一种用于怠速控制的神经网络智能PID控制器，及学习间隔可调的异步学习算法，以满足不同转速波动情况的需要。另外，针对负载突变工况，提出了一种以加速度为特征量，来调整增益的改进增益调度PID控制算法。 为方便配机试验及对控制算法进行有效分析，开发了柴油机数字式电子调速器实时监控测量系统。并且，基于双端口RAM IDT7132和PC机并行打印机接口，实现单片机与PC机之间的并行通讯方案，具有普遍的实用参考价值。 在测量系统的硬件基础上，研制出柴油机数字式电子调速器硬件在环仿真系统。另外，进行了大量的台架试验，包括启机、空载稳定性、调速、负荷突加突卸等，表现出该调速系统优良的性能。
曹恒[2]2000年在《基于模糊逻辑的内燃机车大功率柴油机智能控制系统的研究》文中提出内燃机车柴油机16V240ZA是我国铁路干线机车主型柴油机，其电子控制技术的研究即是当前机车柴油机技术领域的前沿课题，也是铁路列车计算机控制系统的基础课题，对实现机车控制计算机基础部件国产化具有重要意义。 本项研究的目的，在于完成铁道部“九五”铁路科技发展计划项目——内燃机车柴油机电子控制系统（98J17）课题，实现对大功率机车柴油机16V240ZA电控系统从试验系统到实用系统乃至机车柴油机控制综合管理系统的转化，其主要内容是这一课题中模糊智能控制系统的试验研究。为了解决机车柴油机在动态工况下的PID参数自适应调节问题，在传统PID控制的基础上，引入人工智能控制（HSIC）和模糊逻辑智能控制（FLC）进行控制器设计，提出并设计了一个具有智能控制特点和多层结构的模糊PID控制系统。 本项研究的特点是使用MATLAB软件和模糊控制开发系统FDS1.0作为开发工具，建立了一个实用的开发研究体系。从系统辩识建模入手，然后建立仿真系统，对控制算法进行试验模拟，最后将试验结果应用到实际控制系统设计中。为了进行柴油机模糊智能控制系统研究，首先将柴油机动力系统看作一个“灰箱”，采用系统辨识的方法对16V240ZA和Z6135柴油机进行了参数辩识，建立了实用的动态模型（第三章）。在此基础上，研制了一个柴油机转速控制数字仿真系统，用于控制结构试验模拟和参数调整（第四章），并提出调节PID参数的三维模糊规则模型和控制器的改进算法（第五章）。在对模糊规则的仿真试验和调整的基础上，得到了实际用于模糊控制器软件设计的控制规则（第六章）。为了提高控制器模糊推理速度，在中科院计算所“863”科研成果模糊控制芯片F100的基础上，研究了采用硬件芯片的设计方案，并将F100应用于柴油机模糊控制系统的设计中（第七章）。 试验结果证明，用模糊控制器和PID控制器复合实现的柴油机智能控制系统，通过PID参数在线自适应调节，在动态工况下和多输入/多输出（MIMO）状态时提高了系统的控制质量，其控制效果在稳态精度时和PID控制器相同，动态精度优于PID控制器，在带载条件下能够改善动态响应，解决了柴油机控制参数的在线实时调解和动态调节超调时间过长这两个问题。 在研究中得出的结论是：使用模糊控制器和PID控制器构成的递阶控制结构，可以实现PID参数的在线实时调节，解决机车柴油机调速动态过程超调时间过长的问题。在柴油机控制中，使用模糊控制的优点是可以实现控制过程的平滑过渡，并且不需要精确数学模型。而且，使用模糊控制器和PID控制器的复合控制系统，为提高柴油机燃油经济性而将采用的实时多目标控制（如载荷控制、废气增压流量、油温和水温控制等等）和恒功率运行提供了一个可行的解决方案。 大连理工大学博士学位论文和其它控制理论方法比较，模糊智能控制方法更实用化和适合工程使用。
宋百玲[3]2009年在《柴油机控制系统半物理仿真技术研究》文中研究说明综合电控技术是柴油机技术研究的主要方向之一,电控技术是提高柴油机动力性、经济性、可靠性和改善排放性能的有效措施,电控水平的高低已经成为柴油机先进性的重要标志。柴油机电控技术正在由单一控制功能向多目标优化的综合控制方向发展。随着柴油机电控系统功能不断增强,结构日益复杂,柴油机电控系统的开发难度不断加大,开发周期长、成本高、调试和试验困难是柴油机电控系统研制面临的突出矛盾。利用现代V模式开发流程,研究柴油机电控系统从功能设计、快速原型、代码生成到半物理仿真的一体化仿真技术,解决电控系统开发、调试难题是十分必要的。针对柴油机综合电控系统开发、调试和试验的技术难题,在查阅国内外相关领域的技术资料,分析柴油机电控系统半物理仿真技术现状和发展趋势的基础上,利用现代建模仿真技术和电子信息技术,开展了船用柴油机控制系统半物理仿真技术研究,重点开展了以下几方面的工作。1.针对船用柴油机控制系统通过配机试验进行I／O通道调试、系统功能试验、参数优化等存在的周期长、费用高、危险性大、极限工况试验困难等难题,根据柴油机控制系统调试中对多输入、多输出、较好的精度、高实时性等特殊要求,利用平均值和热动力学建模方法,建立了能够满足多目标控制研究和实时性需求的柴油机数学模型。将Arrhenius(阿列纽斯)方法应用到船用柴油机燃烧扭矩的计算中,解决了多缸柴油机瞬时输出扭矩的精确计算问题,满足控制系统断缸或断排的控制需求,保证了以研究控制为目的的柴油机模型的精度和实时性要求；给出了涡轮增压器的涡轮和压气机的折合参数,用折合参数表示的特性对于研究控制系统具有最佳可比性,同时也具有一定的通用性。2.采用模块化建模技术,建立了具有完整模型体系的多参数、多输入输出通道的柴油机仿真模型和船舶动力传动系统模型。该模型以C代码的方式运行在dSPACE实时仿真平台中。建模中针对柴油机控制系统研究的需求,采取适当简化、实验参数配置、功能模块划分、多缸数据处理等技术,使所建立的模型即能真实地反映柴油机的运行状态,又具有较好的实时性和通用性。3.针对典型柴油机控制系统,开展了柴油机控制系统建模仿真及性能优化研究。研究了起动智能控制,燃油系统和增压系统的匹配优化控制,稳态调速率对瞬态调速特性变差的影响,采用线性递减、累加的方式来消除影响,并进行了仿真和试验验证。达到了改善起动性能、改善全工况调速性能、节约能源及改善排放的目的。应用ControlDesk软件建立了功能完善、操作友好的仿真监控界面,可实现离线／在线仿真过程中模型和用户之间的交互、虚拟仪表和程序之间的动态数据交换、跟踪实时曲线、完成在线调参、数据实时记录等功能。4.基于先进的dSPACE实时仿真系统,开发了船用柴油机控制系统半物理仿真试验平台,该平台由柴油机实时、多参数仿真模型,实时仿真控制界面,多功能I／O接口板,船用柴油机控制系统和执行器等组成。利用该平台对柴油机控制系统的起动、停机、调速、相继增压、缸排断油、安全保护及状态监测等功能进行调试试验,实现对柴油机控制系统的半物理仿真调试,半物理仿真结果与配机实验结果进行了对比分析,结果表明所建立的半物理仿真平台能够满足控制系统半物理仿真实时性和精度的要求,有效地解决了通过配机试验进行控制系统调试的难题。5.针对船用柴油机非线性、时变性和各系统之间相互影响、相互制约和相互耦合等特点,进行了柴油机智能调速控制研究；为解决柴油机全工况调速问题,利用开发的半物理仿真平台,对模糊控制和人工神经网络等智能控制理论在船用柴油机上的应用进行了研究,设计了满足船用柴油机全工况调速要求的模糊-PID控制器和BP神经网络调速控制器,利用柴油机多参数仿真模型进行了验证,仿真结果与传统的PID调速控制进行了比较分析,结果表明模糊-PID复合调速控制器和BP神经网络调速控制器均优于传统的PID控制器。为开发船用柴油机智能调速控制系统打下了坚实的基础。本文研究的柴油机控制系统半物理仿真技术可以替代配机试验,缩短控制系统的开发周期、降低开发成本；同时,本文也开展了快速控制原型的研究,为柴油机控制系统从功能设计到产品的转化奠定了坚实的基础。
刘大鹏[4]2009年在《基于可变论域模糊控制的柴油机调速器研究》文中研究表明柴油机作为一种工业原动机,由于它的热效率高、功率范围广和适应性强等一系列优点,是目前世界上应用最广泛的一种动力机械。如何提高柴油机调速器的性能来改善柴油机动力性、经济性和保护环境已成为机车柴油机技术领域重要研究方向。本文首先介绍了柴油机数字调速器的传统控制策略。在分析了常规PID控制算法和常规模糊控制算法存在问题的基础上,针对机车柴油机调速器实时性要求高和控制量要求快速、准确调节的特点,提出一种基于可变论域的模糊控制算法,使论域随着误差的变化而动态变化,从而达到提高控制器的性能,使柴油机调速器能够更加快速和准确的调节柴油机喷油量。其次针对16V240ZJB型柴油机的数学模型,利用MATLAB中的SIMULINK工具箱和模糊工具箱进行了常规PID控制、模糊控制和可变论域模糊控制的仿真实验。仿真实验结果表明可变论域模糊控制器在动态工况下提高了调速器的控制质量,有效解决了柴油机动态调节超调时间过长和振荡性问题。最后对可变论域模糊控制器的FPGA硬件实现进行了研究。使用Altera公司的EDA工具Quartus II平台,分别设计了模糊化模块、模糊推理模块和反模化模块,其中模糊化模块实现了可变论域思想。结合可复用IP设计理念和FPGA技术特点,讨论了基于Avalon总线的可变论域模糊控制器IP软核设计。
孔令县[5]2016年在《船舶柴油机数字式电子调速系统的研究》文中进行了进一步梳理数字式电子调速器的控制策略决定了调速器的性能,进而决定了柴油机运行的稳定性和经济性。数字式电子调速器大都采用原理简单、稳定可靠的PID控制技术,但不能有效的克服负载大范围变化及其非线性因素的影响,无法保证柴油机在任何工况下都能以较优性能运行,因此研究调速器的控制策略是非常必要的。文中基于柴油机工作原理以及PID控制、模糊控制和神经网络控制的相关理论,构建柴油机转速控制系统数学模型、模糊PID控制器模型和BP神经网络PID控制器模型。借助MATLAB/SIMULINK仿真软件进行仿真,仿真结果显示模糊PID控制器和BP神经网络PID控制器的控制效果均优于PID控制器,通过对比分析选择模糊PID控制作进一步研究；考虑到闭环反馈控制策略的不足,提出将负荷前馈信号引入到模糊PID控制系统中,构建模糊前馈 模糊PID控制器,仿真结果显示在突加突减扰动时模糊前馈 模糊PID控制器可以明显减少系统超调量。基于S7-200PLC编写信号的采集与处理、模糊化以及查表程序。
王苏敬[6]2011年在《大功率机车柴油机时间控制式燃油喷射控制系统研究》文中认为电子控制是目前柴油机研究领域的一个重要发展方向,随着国内铁路行业对机车性能的要求越来越高,对其柴油机加装电子控制设备已是大势所趋。针对国内机车柴油机运用现状,本文确定了基于电控单体泵喷油系统的机车柴油机作为研究对象,对其控制模型和控制策略的关键技术展开研究,并通过大量的仿真和试验进行了验证。首先,对针对控制应用的机车柴油机动态建模进行研究。为了硬件在环仿真系统和控制策略仿真的需要,建立了针对控制行为应用的机车柴油机动态模型。仿真比较了平均值模型和神经网络模型,从精确性方面神经网络模型优于平均值模型。选用非线性自回归神经网络结合残差分析法,形成具有自动识别阶次功能的混合神经网络；利用改进的粒子群(MPSO)算法来训练网络。其次,对智能控制策略在机车柴油机电控系统中的应用进行研究。针对内燃机车柴油机非线性、时变性和纯滞后等特点,对机车柴油机转速控制设计了工程实用的模糊自整定PID控制策略和基于BP神经网络整定的PID控制策略,仿真比较了与传统PID控制的不同；针对机车不同工况设计了起动工况、怠速工况和跛行回家的不同控制策略；设计了怠速多缸平衡控制策略,消除了由于制造公差和长时间磨损引起的各缸做功不均衡问题。第三,区间二型模糊控制策略在机车柴油机电控系统中的应用研究。分析了一型模糊控制的不足及二型模糊控制的优缺点,探讨了区间二型模糊控制策略在机车柴油机电控系统这一实时控制系统中的应用,并仿真比较了一型模糊控制与二型模糊控制的不同。第四,基于DSP/BIOS的机车柴油机电控单元的软硬件关键技术研究。在工作特性分析和控制策略研究的基础上设计开发了双CPU架构的燃油喷射电子控制单元；为了满足系统对电磁阀快速响应的要求对电磁阀驱动电路进行了优化设计；软件方面对DSP/BIOS实时操作系统进行了任务安排和调度设计,提高了系统的实时性和可靠性；最后制定了合适的标定策略并编制了标定程序。第五,瞬时转速预测算法的研究。针对时间控制式的柴油机燃油喷射过程,需要预报瞬时转速,在深入研究瞬时转速波动的原因基础上,提出采用相邻循环法结合自适应参数修正的方法预测转速,实现了燃油喷射过程中角度—时间的精确转换,另外为机车柴油机转速闭环控制、失火判断和怠速多缸平衡控制提供了依据。最后,对大功率机车柴油机电控燃油喷射系统进行了硬件在环仿真试验研究。将我们自主研发的电子控制单元应用于喷油泵试验台试验,获取了电控单体泵系统的工作特性,完成了电子控制单元的基本功能的校验。在此基础上搭建了以虚拟仪器为平台的硬件在环仿真系统。通过对大量试验波形、测量数据的分析和总结,验证了电子控制单元功能和控制策略的可行性,以及理论分析的正确性。
张巧芬[7]2015年在《船舶柴油推进装置多工况数学模型及轮机实操评估系统研究》文中进行了进一步梳理目前大功率低速柴油机以其热效率高、燃油消耗率低、可燃用劣质燃油、可靠性好等优点仍广泛应用于散货船、油轮、集装箱船等大型远洋船舶。对大型低速船用柴油推进控制系统开展建模仿真工作,有助于分析其性能和运行特性,为深入开展控制和应用研究奠定基础。课题以船舶柴油推进控制系统的仿真与应用为主线,围绕轮机实操评估系统展开研究,该系统由轮机仿真模型、智能评估、试题库及网络通信四部分组成。针对轮机实操评估系统中船舶柴油推进装置数学模型在主机故障、船舶风浪天等特殊工况仿真方面尚有欠缺,且仿真系统中柴油机电子调速器PID单元在不同控制模式下PID参数整定问题,以及轮机实操考试人工评估主观性强的问题,开展了以下研究工作：建立了一种能够满足轮机实操评估系统要求的船用柴油推进装置多工况数学模型。以MAN B&W 6S35MC大型船用低速二冲程柴油机为具体研究对象,采用模块化建模思想,系统地建立船用大型低速二冲程柴油机容积法动态模型,包括压缩空气起动装置模型、气缸模型、扫气箱模型、排气总管模型、空气冷却器模型、废气涡轮增压器模型以及船机桨动态模型,建模过程充分考虑了模型的全工况特性和故障仿真功能。采用VC++语言编写代码进行仿真研究,仿真研究内容分为稳态、动态过程仿真以及典型故障仿真。稳态过程仿真包括不同工况下柴油机稳定运行时的气缸参数变化情况、换气过程中扫气口和排气阀的流量变化规律以及燃烧放热规律等,并将仿真结果与实船试验数据、出厂试航数据进行对比来验证模型的准确性；动态过程仿真包括不同工况下柴油机从起动到稳定运行、船从静止到稳定船速运行过程,以及过渡工况下柴油机平均指示压力、转速和输出瞬时扭矩等的变化情况：典型故障仿真包括柴油机单缸停油、喷油定时提前或滞后、排气阀漏气等故障下柴油机的运行情况。仿真研究结果表明了所建船舶柴油推进装置多工况仿真模型的准确性。以Alphatronic 2000 PCS调距桨推进控制系统为例,开发了可视化船舶柴油推进控制仿真系统,并基于一种改进的粒子群优化算法研究不同控制模式下电子调速器PID单元参数整定问题。针对标准粒子群算法存在的搜索过程中种群多样性易丢失、极易陷入局部最优等弊端,提出一种结合种群多样性增强机制和邻域搜索策略的改进粒子群优化(DESPSO)算法,以柴油机输出转速的超调量、上升时间和稳态误差为优化指标项,建立DESPSO算法的适应度函数。仿真实验结果表明DESPSO算法具有较好的收敛性、稳定性和较高的寻优成功率,能有效地应用于船舶柴油机电子调速器PID控制参数的优化。开发了轮机实操评估系统的三维仿真界面并实现轮机实操考试的自动评估功能。可视化仿真界面采用3ds Max三维建模软件来开发,以实现场景漫游和人机交互等功能。在可视化轮机实操评估系统的基础上,针对实操考试提出了一种基于专家系统评分规则的模糊评估算法,该算法首先采用模糊层次分析法来确定一次考试中各道试题的权重系数,然后设计通用试题评估规则表来设置各道试题的具体评估规则,实时跟踪操作考试过程中相关变量的变化,进行答题过程评估和答题结束评估。评估过程中选用合适的隶属函数来计算变量在检测范围内的隶属度,操作结束时自动打分并提供可查询的扣分记录。最后通过两个具体的轮机实操例子来说明此平台的实操考试自动评估结果与专家系统评分结果一致,验证了该算法的可行性。
徐前[8]2008年在《基于模型辨识的柴油机电控调速系统的研究》文中进行了进一步梳理随着柴油机燃料排放的环境问题和燃料的能源问题的日益突出,对柴油机电控技术在改善柴油机的动力性能、经济性能和排放性能方面的要求也越来越高。为了满足柴油机排放,节能,提高控制性能的更高要求,辨识出准确的柴油机模型,设计准确的柴油机调速控制器,研究电控系统的控制算法是很有意义的。本文主要做了以下几方面的研究工作:(1)根据柴油机控制调速原理以及输入输出变量类型,确定了柴油机电控ECU主电路,驱动电路,通信电路等硬件系统的设计方案。(2)根据柴油机工作原理,设计柴油机的调速控制策略,针对系统功能要求,结合硬件电路特点,设计了不同工况的控制模块,其中主要包括主程序设计、启动工况控制模块设计和怠速工况控制模块,正常工况燃料控制模块设计。(3)研究了柴油机的模型辨识方法,比较了开闭环的几种模型辨识方法,确定了以最小二乘法的闭环模型辨识方法,获得了柴油机的模型,对柴油机模型进行了仿真试验。探讨了基于根轨迹和Ziegler-Nichols整定法来设计了PID控制器的思路,分析控制结果,对PID算法进行改进,增加防死区,防积分饱和功能。(4)对由ECU和氧传感器组成的闭环控制下的控制算法进行了初步仿真研究。采用模糊控制理论,通过对空燃比的实时调节,相比开环控制时获得了较好的控制效果。通过柴油机现场台架实验,自行设计的ECU及控制器可以在闭环控制下对柴油机进行调速控制,基于模型辨识和参数整定的算法设计,对优化控制性能有一定指导意义。
参考文献：
[1]. 机车柴油机数字式电子调速系统智能PID控制理论和技术的研究[D]. 段军. 大连理工大学. 2000
[2]. 基于模糊逻辑的内燃机车大功率柴油机智能控制系统的研究[D]. 曹恒. 大连理工大学. 2000
[3]. 柴油机控制系统半物理仿真技术研究[D]. 宋百玲. 哈尔滨工程大学. 2009
[4]. 基于可变论域模糊控制的柴油机调速器研究[D]. 刘大鹏. 哈尔滨理工大学. 2009
[5]. 船舶柴油机数字式电子调速系统的研究[D]. 孔令县. 大连海事大学. 2016
[6]. 大功率机车柴油机时间控制式燃油喷射控制系统研究[D]. 王苏敬. 北京交通大学. 2011
[7]. 船舶柴油推进装置多工况数学模型及轮机实操评估系统研究[D]. 张巧芬. 大连海事大学. 2015
[8]. 基于模型辨识的柴油机电控调速系统的研究[D]. 徐前. 哈尔滨工业大学. 2008
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