一种柴油机电子调速系统时间常数的标定系统及方法与流程

1.本发明涉及柴油机电子调速系统的设计技术，具体涉及一种基于驱动电流与柴油机气缸压力同步测试数据的柴油机电子调速系统时间常数的标定系统及方法。


背景技术：

2.柴油机是将化学能转变为机械能的装置，燃料在柴油机的燃烧室内燃烧，参与反应的燃料在燃烧过程中释放能量，释放的能量一部分传递给燃烧室内的密闭气体，使气体的温度及压力升高，一部分使燃烧室周围的受热件温度升高并通过冷却系统散失到冷却液或空气中。燃料在燃烧过程中，燃烧的放热率受多种条件制约，其中最典型的是当前燃烧循环的空气进气量、燃料喷射量及燃烧室受热件的温度。空气进气量受当地大气压力及涡轮增压器的工作状态影响，燃油喷射量受燃油喷射压力及高压油泵的齿条位移影响，燃烧室受热件的温度受柴油机的运行时间及冷却系统液体的循环流量与温度影响。因此，在上述复杂因素的影响下，柴油机的工作特性体现出典型的非线性与时变性，柴油机的动力学特性很难用具体传递函数来表示。
3.柴油机电子调速系统由控制器与执行器组成，控制器以控制柴油机运行在设定转速为工作目标，通过采集柴油机的实际转速与设定转速的差值作为控制误差信号，依据转速误差的值，采用pid控制方法调节执行器的输出电流，改变执行器的输出位移，执行器与柴油机高压油泵的齿条连接，通过改变输出位移改变柴油机的喷油量，实现柴油机的转速调节。
4.柴油机电子调速器在控制柴油机运行时，需要对pid控制参数的具体数值进行整定，确保柴油机在所有工况下均能稳定运行，pid控制参数的整定需要获取柴油机功率变化与控制器驱动电流变化的滞后时间常数作为基础数据，传统的方法是通过建立柴油数值仿真模型，并通过复杂仿真计算分析来确定这个滞后的时间常数，由于柴油机的非线性及时变性，柴油机的数值仿真模型的标定需要大量柴油机结构参数及精确的燃烧模型，同时还要获取柴油机的摩擦损失功及泵气损失功等试验数据，还要通过试验获取柴油机的整体转动惯量的数据，这是很难实现的。


技术实现要素：

5.本发明的目的是针对现有技术中存在的问题，提供一种不依赖于柴油机结构参数及性能参数，仅依赖控制系统驱动电流与柴油机气缸压力同步测试数据的调速系统时间常数标定系统与方法。
6.本发明的技术方案如下：一种柴油机电子调速系统时间常数的标定系统，包括：
7.驱动电流传感器，与电子调速器控制器的驱动单元输出连接，获取驱动电流的实时数据；
8.齿条位移传感器，与柴油机油泵齿条连接，获取齿条位移的实时数据；
9.气缸燃气压力传感器，与柴油机气缸的燃烧室部件连接，采集气缸内的燃气压力
变化，获取单缸功率计算的示功图数据；
10.高压油管压力传感器，与高压油管连接，获取燃油压力的实时数据；
11.所述驱动电流传感器、齿条位移传感器、气缸燃气压力传感器、高压油管压力传感器分别与同步数据采集单元连接，同步数据采集单元按时间同步采集各传感器的输入信号数据，通过分析各信号数据的相位差，确定电子调速系统的传递函数及时间常数。
12.进一步，如上所述的柴油机电子调速系统时间常数的标定系统，其中，所述电子调速器控制器的驱动电缆与电子调速器执行器的驱动线圈连接，所述驱动电流传感器串联在电子调速器控制器驱动电缆输出回路中。
13.进一步，如上所述的柴油机电子调速系统时间常数的标定系统，其中，所述齿条位移传感器刚性连接在电子调速器执行器驱动轴的自由端，所述驱动轴的驱动端与柴油机油泵的齿条刚性连接。
14.进一步，如上所述的柴油机电子调速系统时间常数的标定系统，其中，所述的高压油管压力传感器通过夹紧式法兰与高压油管连接，连接位置靠近喷油器。
15.进一步，如上所述的柴油机电子调速系统时间常数的标定系统，其中，所述气缸燃气压力传感器通过螺纹与柴油机气缸的燃烧室连接，气缸燃气压力传感器的敏感元件与缸内燃气直接接触。
16.一种采用上述柴油机电子调速系统时间常数标定系统的标定方法，包括：
17.(1)同步数据采集单元按时间同步采集驱动电流传感器、齿条位移传感器、气缸燃气压力传感器、高压油管压力传感器的实时信号数据；
18.(2)根据驱动电流与齿条位移信号数据，确定齿条位移相对驱动电流的相位滞后，标定执行器传递函数；
19.(3)根据齿条位移与气缸内燃气压力信号数据，确定单缸功率变化相对齿条位移的相位滞后，标定高压油泵传递函数和气缸单元传递函数；
20.(4)利用步骤(2)和步骤(3)标定的传递函数确定柴油机电子调速系统的时间常数。
21.进一步，如上所述的柴油机电子调速系统时间常数的标定方法，其中，所述驱动电流传感器的信号数据作为时间常数标定基准输入信号，作为执行器传递函数的直接输入；
22.所述齿条位移传感器的信号数据作为执行器传递函数的函数输出，并作为高压油泵传递函数的直接输入；
23.所述高压油管压力传感器的信号数据作为高压油泵传递函数的函数输出，并作为气缸单元传递函数的直接输入；
24.所述气缸燃气压力传感器的信号数据作为气缸单元传递函数的函数输出。
25.进一步，如上所述的柴油机电子调速系统时间常数的标定方法，其中，所述执行器传递函数的形式为x＝f(i)，x为高压油泵的齿条位移，i为电子调速器控制器的驱动电流，驱动电流i变化后，通过执行器驱动线圈的电感变化，产生电磁力驱动高压油泵齿条位置变化；x＝f(i)的时间常数表示为τ1，由驱动电流传感器的信号i与齿条位移传感器的位移x的相位确定，时间常数τ1＝t2-t1，t1为驱动电流传感器信号的起始时刻，t2为齿条位移传感器信号的起始时刻。
26.进一步，如上所述的柴油机电子调速系统时间常数的标定方法，其中，所述高压油
泵传递函数为p1＝f(x)，x为高压油泵的齿条位移，p1为高压油管压力传感器信号，高压油泵的齿条位移x变化后，通过高压油泵柱塞耦件型线改变控制循环喷油量，循环喷油量的特征参数为高压油管的压力持续时间信号p1；p1＝f(x)的时间常数表示为τ2，由高压油管的压力持续时间信号p1与齿条位移传感器的位移x的相位确定，时间常数τ2＝t3-t2，t2为齿条位移传感器信号的起始时刻，t3为高压油管压力传感器的压力信号的起始时刻。
27.进一步，如上所述的柴油机电子调速系统时间常数的标定方法，其中，所述气缸单元传递函数为p2＝f(p1)，p1为高压油管的压力持续时间信号，p2为气缸内燃气压力信号，高压油管的压力持续时间信号p1变化后，进入气缸内循环喷油量变化，通过燃烧放热改变气缸内的燃气压力p2；p2＝f(p1)的时间常数表示为τ3，由气缸内燃气压力信号p2与高压油管的压力持续时间信号p1的相位确定，时间常数τ3＝t4-t3，t3为高压油管压力传感器的压力信号的起始时刻，t4为气缸燃气压力传感器的压力信号发生幅值变化的起始时刻。
28.进一步，如上所述的柴油机电子调速系统时间常数的标定方法，其中，所述柴油机电子调速系统的时间常数τ＝τ1 τ2 τ3。
29.本发明的有益效果如下：本发明提供的柴油机电子调速系统时间常数的标定系统及方法，在对不同型号、不同功率柴油机的pid控制参数整定时，能够快速获取调速系统的时间常数，不依赖柴油机的结构参数数据，为柴油机调速系统pid控制参数的现场整定提供了有效的技术手段，缩短了参数调整时间，提高pid控制参数的鲁棒性，为柴油机的稳定运行提供设备与技术保障。
附图说明
30.图1是本发明的基于驱动电流与缸压同步测试的调速系统时间常数标定系统的结构示意图；
31.图2是基于驱动电流与缸压同步测试的调速系统时间常数标定方法的逻辑示意图；
32.图3是基于驱动电流与缸压同步测试的调速系统时间常数标定方法的信号相位示意图。
具体实施方式
33.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
34.本发明提供的一种柴油机电子调速系统时间常数的标定系统，包括：
35.驱动电流传感器，与电子调速器控制器的驱动单元输出连接，获取驱动电流的实时数据；
36.齿条位移传感器，与柴油机油泵齿条连接，获取齿条位移的实时数据；
37.气缸燃气压力传感器，与柴油机气缸的燃烧室部件连接，采集气缸内的燃气压力变化，获取单缸功率计算的示功图数据；
38.高压油管压力传感器，与高压油管连接，获取燃油压力的实时数据；
39.所述驱动电流传感器、齿条位移传感器、气缸燃气压力传感器、高压油管压力传感
器分别与同步数据采集单元连接，同步数据采集单元按时间同步采集各传感器的输入信号数据，通过分析各信号数据的相位差，确定电子调速系统的传递函数及时间常数。
40.时间常数标定系统的具体结构如图1所示，电子调速器控制器1的驱动电缆与电子调速器执行器4的驱动线圈连接，驱动电流传感器2串联在电子调速器控制器1驱动电缆输出回路中，齿条位移传感器3与电子调速器执行器4的驱动轴自由端连接，电子调速器执行器4驱动轴的输出端与高压油泵5的供油齿条连接，高压油泵5通过高压油管13与喷油器8连接，高压油管压力传感器7通过法兰与高压油管13连接，气缸燃气压力传感器9的承压节点与缸内的燃气直接接触，柴油机活塞12通过连杆6连接柴油机负载11。驱动电流传感器2、齿条位移传感器3、高压油管压力传感器7、气缸燃气压力传感器9与同步数据采集单元10连接。
41.具体来说，所述的驱动电流传感器2采用串联的方式串联连接在电子调速器控制的驱动电缆回路。
42.所述齿条位移传感器3刚性连接在执行器4驱动轴的自由端，驱动轴的驱动端与高压油泵5的齿条刚性连接。
43.所述的高压油管压力传感器7通过夹紧式法兰与高压油管13连接，连接位置靠近喷油器8。
44.所述的气缸燃气压力传感器9通过螺纹与柴油机燃烧室连接，压力传感器的敏感元件与缸内燃气直接接触。
45.所述的驱动电流传感器2、齿条位移传感器3、高压油管压力传感器7、气缸燃气压力传感器9与同步数据采集单元10连接，同步采集单元10按时间同步采集各传感器的输入信号。
46.基于上述系统结构，本发明提供了一种基于驱动电流与缸压同步测试的调速系统时间常数标定方法，包括：
47.同步采集单元10采集驱动电流传感器2的驱动电流信号，实时记录电流信号的数值，作为系统传递函数的输入；
48.同步采集单元10采集齿条位移传感器3的位置电压信号，实时记录电压信号的数值，作为执行器传递函数环节的输出；
49.同步采集单元10采集高压油管压力传感器7的电压信号，实时记录电压信号的数值，作为燃油系统传递函数环节的输出；
50.同步采集单元10采集气缸燃气压力传感器9的电压信号，实时记录电压信号的数值，作为气缸单元传递函数环节的输出。
51.基于驱动电流与缸压同步测试的调速系统时间常数标定方法按图2所示逻辑判断各传递函数的输入输出：
52.驱动电流传感器2的数据作为时间常数标定基准输入信号，作为执行器传递函数的函数直接输入；
53.齿条位移传感器3的位置电压信号数据作为执行器传递函数的函数输出，并作为高压油泵传递函数的直接输入；
54.高压油管压力传感器7的电压信号作为高压油泵传递函数的函数输出，并作为气缸单元传递函数的直接输入；
55.气缸燃气压力传感器9的电压信号作为气缸单元传递函数的函数输出。
56.执行器传递函数、高压油泵传递函数、气缸单元传递函数的逻辑关系及时间标定判据按图3所示进行。执行器传递函数、高压油泵传递函数、气缸单元传递函数的构建可以依据目前教科书或参考文献上的模型，结合执行器、高压油泵、气缸单元的具体结构参数来进行，具体函数的建立方法属于本领域的公知技术。
57.执行器传递函数为x＝f(i)，x为高压油泵的齿条位移，i为电子调速器控制器的驱动电流，驱动电流i变化后，通过执行器驱动线圈的电感变化，产生电磁力驱动高压油泵齿条位置变化，该部分响应特性由执行器传递函数为x＝f(i)描述，x＝f(i)的时间常数表示为τ1，由驱动电流传感器的信号i与齿条位移传感器的位移x的相位确定，时间常数τ1＝t2-t1。如图3所示，t1为驱动电流传感器信号的起始时刻，t2为齿条位移传感器信号的起始时刻。
58.高压油泵传递函数为p1＝f(x)，x为高压油泵的齿条位移，p1为高压油管传感器信号，高压油泵的齿条位移x变化后，通过高压油泵柱塞耦件型线改变控制循环喷油量，循环喷油量的特征参数为高压油管的压力持续时间信号p1，该部分响应特性由高压油泵传递函数为p1＝f(x)描述，p1＝f(x)的时间常数表示为τ2，由高压油管的压力持续时间信号p1与齿条位移传感器的位移x的相位确定，时间常数τ2＝t3-t2。如图3所示，t3为高压油管传感器的压力信号的起始时刻。
59.气缸单元传递函数为p2＝f(p1)，p1为高压油管的压力持续时间信号，p2为气缸内燃气压力信号，高压油管的压力持续时间信号p1变化后，进入气缸内循环喷油量变化，通过燃烧放热改变气缸内的燃气压力p2，该部分响应特性由气缸单元传递函数为p2＝f(p1)描述，p2＝f(p1)的时间常数表示为τ3，由缸内燃气压力信号p2与高压油管的压力持续时间信号p1的相位确定，时间常数τ3＝t4-t3。如图3所示，t4为气缸内燃气压力传感器压力信号发生幅值变化的起始时刻。
60.基于驱动电流与缸压同步测试的调速系统的时间常数标定系统标定的调速系统时间常数为上述3个传递函数的时间常数的和，总的时间常数τ＝τ1 τ2 τ3。
61.本发明方法能够在缺少柴油机结构参数、性能参数、转动惯量、动力学参数的情况下、利用同步采集驱动电流、齿条位移、缸内瞬态压力数据确定柴油机控制参数整定需要被控对象的传递函数，可以有效地解决柴油机动力学特征性传递函数难以建立的工程难题。标定数据的获取方法可行，标定逻辑及精度不依赖系统的结构参数，具有很好的通用性，可为柴油机调速控制的pid参数整定提供理论依据及数据支撑，能够缩短参数整定时间，提高系统控制裕度，提高调速精度。作为调速系统控制参数整定的分析工具和标定方法，具有很好的工程应用价值。
62.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
63.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当
将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。