车用柴油机调速器设计

车用柴油机调速器设计 摘要日益严格的排放法规和其它替代动力的应用向柴油机的生存和发展提出了严峻的挑战。柴油机电控技术能够显著的改善柴油机排放性能,还可以有效地降低燃油消耗率、提高发动机的动力性能以及其它性能指标,因此大力发展柴油机的控制技术成为目前以及今后的研究重点。本文首先,从理论上分析了柴油机调速系统的工作原理,设计了柴油机电 液调速器,然后,建立了柴油机调速系统的数学模型,并对控制策略进行了研究。传统PID控制器结构简单,具有一定的鲁棒性,容易实现有着广泛的应用。并取得良好的控制效果。但是随着柴油机的发展,对柴油机运行的可靠性能和动态品质要求越来越高。传统的PID控制器已经不能满足这一要求,寻找更好的控制算法势在必行。而模糊控制不要求被控对象的精确模型且适应性强。为了克服传统PID的缺点,将模糊控制与PID控制结合起来,扬长避短研究了多种模糊PID控制器。但模糊控制器各参数一旦确定后就无法改变,不能够大范围自动适应参数的变化,仍需要进一步改进。本文在系统研究模糊控制及遗传算法基础上,提出了将模糊PID技术应用于柴油机电液调速系统,并对所设计的模糊PID控制器和经过遗传算法优化的模糊PID控制器进行了仿真研究。仿真结果表明经遗传算法优化的控制器较常规的控制器有良好的控制效果。 关键词柴油机,电控,调速系统,模糊PID控制,遗传算法,仿真模拟Design for the diesel engine governor Abstract：Increasingly stringent emission regulations and applications of other power substitutes have made flinty challenge for the diesel engines existence and development.Diesel engineelectronic control technology cant only significantly improve diesel engines emission performance,but effectively reduce its fuel consumption and improve its output and other performance,so the development of diesel engines electronic control technology has become research hotspot and trend at present and in the future. Firstly,the fundamental principle of diesel engines control system is analyzed, On these bases,diesel engines electronic control system is designed；Secondly,a model of control system of diesel engine is proposed；the last,the control method is researched. Traditional PID controller has the characters of simple structure,robustness,easy to implement and so on and has been applied widely with a very good control effect.But.as the scale and capacity enlargement of diesel engine,the traditional PID controller cant meet the needs,it is imperative to find a better control algorithms.In order to overcome the shortcomings of traditional PID controller,Fuzzy control,that doesnt need the accurate model of the controlled target and has wonderful adaptability,is combined with the traditional PID controller to form many kinds of Fuzzy-PID controllers,but on the other hand the Fuzzy-PlD controller is unable to change the parameters of it once the parameters ale confirmed and cant adapt to change automatically.So,it still needs to be further improved. In this paper,it is proposed that Fuzzy PID algorithms is applied to the electro-hydraulic speedadjust of diesel engine system based on studying the Fuzzy control and the GA(Genetic Algorithms)on the whole.Simulation researches are carried on to the following controller：the FuzzyPID controller and the Fuzzy-PID Abstract controller optimized by GA(Genetic Algorithms).The simulation results show that the Fuzzy-PID controller optimized by(Alms a better effect than the traditional one. Key words：diesel engine,electronically control,speed adjustment system, fuzzy-PID control,genetic algorithms,simulation目 录1 绪论11.1 发展柴油机的意义和面临的问题11.1.1发展柴油机的意义11.1.2柴油机发展面临的问题11.2柴油机的电子控制的意义11.3柴油机调速系统21.3.1调速的必要性21.3.2调速器的工作原理21.4国内外柴油机电控技术研究发展概况32 柴油机电液调速器执行器的设计52.1 柴油机电液调速系统的总体方案设计52.2电液执行器52.2.1 液压缸的设计72.2.2活塞杆的设计82.2.3液压泵的选择92.2.4 高速数字开关阀的选择92.2.5 管道的选择和连接112.3液压系统性能验算122.4传感器简介132.4.1电感式位移传感器132.4.2霍尔式转速传感器143 柴油机模糊PlD控制系统设计163.1 电液调速柴油机模型的建立163.1.1 柴油发动机数学模型的建立163.1.2 电液执行器数学模型的建立173.2 PID控制理论基础193.2.1 PID控制原理193.3模糊控制理论基础203.3.1 模糊化203.3.2 知识库213.4模糊PID控制223.4.1模糊PID控制器的设计234 柴油机调速系统的控制单元仿真304.1模糊逻辑工具箱及SIMULINK简介304.1.1 MATLAB模糊逻辑工具箱简介304.1.2 SIMULI帐仿真软件简介304.2采用模糊PI D控制方式的柴油机转速控制系统仿真314.2.1 用模糊逻辑工具箱创建模糊控制器314.2.2模糊PID仿真的数学模型344.3遗传算法模糊PID控制方式的柴油机转速控制系统仿真354.3.1 S函数模块的创建354.3.2基于遗传算法的模糊PID仿真的数学模型36致 谢37参考文献.38II1 绪论1.1 发展柴油机的意义和面临的问题1.1.1发展柴油机的意义 自1897年第一台柴油机出现以来,由于它的热效率高、功率大、适应性好等优点而被广泛的应用于工业、农业、交通运输业以及军事工业中,是目前世界上应用最广泛的一种动力机械。在重载车中,一些国家如德国、日本几乎全部用柴油机作动力,国内的柴油车的比重也在逐年上升。在中国,柴油车同样具有极大的发展潜力。来自中国汽车工程学会的资料表明：我国重型柴油车的产量在逐年增加,中型、轻型车柴油化步伐也在加快,但在微型汽车,轿车领域,柴油车所占比例仍然很小。不仅柴油发动机轿车的经济效益非常明显,而且在保护环境方面,柴油车也大放光彩。因为燃油消耗少了,排放也随之减少。国家环保总局也规定：只要排放达到标准的车,无论是柴油车还是汽油车,都应准许进城,继续使用。由此看来现代柴油机在中国的应用前景非常广阔。 根据以上的分析,我们可以得出一个结论：现代柴油机已完全不同于传统意义上的柴油机,它具有高效、经济、环保和面向未来等优点,由于这些优点使得在今后20年,甚至更长时间内柴油机将成为世界车用动力的主流。1.1.2柴油机发展面临的问题 目前柴油机的发展面临着巨大的挑战。现在已经出现了所谓的无污染或低污染的电驱动发动机及代用燃料发动机,如天然气发动机、甲醇发动机及混合燃料发动机。这些都对柴油机在汽车领域中的主导地位及生存权构成了潜在的威胁。所以必须不断提高柴油机的性能,开发出符合日益严格的排放法规的高性能、低排放的现代绿色柴油机。 1.2柴油机的电子控制的意义 柴油机尤其是车用柴油机,是一个非线性、非稳定的复杂系统。而且,车用柴油机经常在变转速、变负荷,变柴油机温度,变燃油特性、变大气环境条件下运行。为了实现全工况整体最优运行,必须对柴油机的多个控制参数进行全面的调节。随着微电子技术、自动控制技术和人工智能技术的不断发展及其在柴油机控制中的应用,柴油机的电子控制技术已成为改善柴油机性能最有力的手段之一,电子控制能充分利用计算机技术的优势,更好地贯彻人们对柴油机工作过程的控制思想,使柴油机的各种控制参数始终保持在最佳状态,大大改善柴油机的性能,同时还可对柴油机进行自动监视和诊断。而柴油机电子调速系统是柴油机电控系统的一个重要组成部分,对此进行较深入的研究可以提高我国柴油机的主要性能并具有重要的理论意义和使用价值。1.3柴油机调速系统1.3.1调速的必要性 柴油机的速度特性中,一旦遇到阻力突然增加,转速便快速下降甚至熄火,而当外界阻力突然减小时,发动机转速又迅速增加,乃至“飞车”。这对工况多变的柴油机是非常不利的。为了保证柴油机工作稳定,望柴油机在负荷变化的情况下,转速变化不要过大。因此对柴油机进行调速以期获得较稳定的转速。汽车和工程机械是经常在负荷不断变化的情况下工作的,而且还会遇到负荷突变的情况。柴油机的转速就会迅速升高。而这时由于喷油泵速度特性的作用,喷油泵的循环供油量反而增大,促使柴油机的转速进一步提高。这样相互影响的结果,使柴油机的转速越来越高,严重时会出现超速,甚至发生“飞车”事故,以致引起机件损坏。因此,柴油机上必须安装调速器。1.3.2调速器的工作原理调速器的作用是使柴油枫在不同工况下工作时均能按设计要求在给定转速范围内保持稳定运行。因此,调速器的控制思想是相同的,都是通过敏感元件测定转速的瞬时值,并且与系统的设定值进行比较,当测定值超出设定值的范围时,由执行机构对转速控制部件(喷油泵齿条)进行调节,使转速恢复到设定范围内。传统的机械离心式调速器采用飞锤机构进行速度调节,这种调速系统直到现在还在一些中小柴油机一I-碍到广泛应用。机械调速系统的执行机构本身就是感应元件,简化模型如图l.1所示。图1.1 机械式调速系统模型电子调速器作为柴油机电子控制的重要组成部分,是一种新型的柴油机调速系统,它的信号采集、控制方式以及执行机构都与传统调速器完全不同,电子调速器一般由三部分组成：控制器、执行器和转速传感器,如图1.2所示。图1.2 柴油机电子调透器梗型 电子控制是将测得的转速信号与目标转速进行比较,两个信号之差经过控制算法计算出相应的控制量,再送入齿杆执行机构来调节柴油机喷油泵的齿位置,以达到调节喷油泵的供油量,进而实现柴油机的稳速运行。通过在系统中增加传感器、添加新功能芯片以及编写程序可以实现多功能、多参数调节,并提供了软件升级的可能,换装发动机的时候并不需要对硬件做出很大的改动,只需重编软件或修改程序即可。1.4国内外柴油机电控技术研究发展概况国外柴油机电控喷油系统的开发研究从70年代开始,大致经历了三代： 第一代电控喷油系统是位置控制式。它保留了传统喷射系统的基本结构,将原有的机械控制机构用电控元件来取代,使控制精度和响应速度得以提高。这种系统的优点是用电控泵及其控制部件代替原有的机械泵就可转为电喷系统,柴油机的结构几乎无须改动,生产继承性好,便于对现有机构进行升级改造。其缺点是控制自由度小,控制精度差,喷油率和喷射压力难于控制,很难大幅度地提高喷射压力。 第二代电控喷油系统是时间控制式。它改变了传统喷射系统的一些机械结构,利用柱塞泵可承载高压的特性提供高的供油压力,采用高速强力电磁阀的溢流控制来实现喷油量和喷油定时的控制,油泵的机械结构得到了简化和强化,适合于高压喷射。这种系统机械结构简单,控制反应快,但电磁阀的响应时间对喷油过程的影响较大,特别是高速时,电磁阀的响应相对变慢。因此,需要通过电磁阀的合理设计尽量缩短响应时间,提高控制精度。它主要包括电控泵、喷嘴系统、电控单体泵系统。第三代电控喷油系统是时间-压力控制式。这种喷油系统不再采用传统的柱塞泵脉动供油原理,而是通过一条公共油管(共轨),用高压(或中压)输油泵向共轨中泵油,用电磁阀进行压力调节并由压力传感器反馈控制从而保持所需的共轨压力,有一定压力的柴油经由共轨分别通向各缸喷油器,喷油器上的电磁阀控制喷油正时和喷油量。由于共轨式喷油系统能达到120-160 MPa的喷射压力,而且在一定限度内喷射压力的选择不受柴油机转速和喷油量的影响,这样,燃油燃烧和噪声就可通过提高喷射压力及引入预喷射和复合喷射来改善。 由于柴油机的电子燃油供给系统主要分为以上三种,其中对于改善柴油机性能较好的方式是时间.压力控制式,即共轨系统。但是虽然共轨式喷油系统可以同时改善柴油机的经济性及排放,被认为是近年来世界上正在积极发展的一种喷射系统。这种系统主要是为了满足欧三标准,但是由于这种系统成本高,技术难度大,使得其应用成本变得很高。这种供油方式虽然对改善柴油机性能不如时间-压力控制式,但是它将电控泵及其控制部件代替原有的机械泵就可转为电喷系统,柴油机的结构几乎无须改动,生产继承性好,便于对现有机构进行升级改造,而且可以满足欧二标准。这些优点十分适合我国柴油机发展的现状。作为位置控制式燃油供给系统中的重要部分电子调速装置又成为决定柴油机各种性能的核心部分。本项研究的内容是柴油机转速控制电子调速系统,它是发展电控柴油机,特别是发展电控喷油系统的一项关键技术,在我国相当一段时间内仍具有成熟的应用基础和广阔的市场。2 柴油机电液调速器执行器的设计2.1 柴油机电液调速系统的总体方案设计对于仍采用传统机械式喷油泵和喷油机构进行工作的柴油机而言,调速器是柴油机电控中的一个重要组成部分,对柴油机进行电控调速的主要目标就是稳速,稳速控制的基本原理是根据给定转速与实测转速之差,经控制算法计算求出相应的控制量,送入齿杆执行机构,来调节柴油机喷油泵的齿杆位置,以达到调节柴油机喷油泵的供油量,进而实现柴油机稳定运行的目的。基于这种原理研制出的柴油机电子调速器,是属于第一代柴油机电控产品,是基于位置式的油量控制系统,这种方法不仅对现有柴油机改装简单(只需改换喷油泵内部调速器),控制系统投资少,而且能有效地降低排放。图2.1为6135Q-2柴油机电子调速系统的结构框图,主要由踏板位移、齿条位置信号及转速信号的检测单元、控制器及执行机构组成。工作过程是电子调速器把测得的发动机转速和当前油门踏板位置信号作为标志发动机的实际工况点的基本号,根据这两项推算出齿条位置的目标值,把齿条位置的反馈信号与目标值进行对比,得到偏差值,再采用控制算法求出相应的控制量,送入执行机构来调节柴油机喷油泵的齿条位置,以调节喷油泵的供油量而实现柴油机稳速运行。下面对执行器单元进行设计。图2.1 柴油机电子调速系统结构框2.2电液执行器控制机构是柴油机电控系统中的一个关键部件,它的性能直接影响到整个控制系统的性能,控制机构的关键是执行器,它是实现电一机械转换功能的元件决,定整个控制机构的性能,因此,执行器的设计是整个调速系统设计过程中的一个重点。经上述几种类型执行器的对比分析,最终选择了我们自行设计的电液执行器。此执行器采用高速开关阀、液压缸、单向阀、泵、蓄能器等液压件设计而成。对于液压伺服系统我们采用了保压回路,利用蓄能器来储存能量,其原理图如图2.2,液压缸结构如图2.3所示。下面分别介绍其各个组成部分。我们采用电液执行器是因为以高速开关阀为核心的液压系统,具有如下优点： (1)电液执行器以其较小的体积就可以输出较大的推力； (2)采用高速开关阀作为电液换元件,具有响应快、可靠性高、重复性好的优点,而且对电的功耗低,抗污染能力强； (3)液压元件的涧滑性好、寿命长；调速范围宽、低速稳定性好； 综上所述,电液执行器具有体积小、重量轻、响应速度快等特点,除此以外,还有一些优点,如液压元件借助油管动力传输性好、方便；借助蓄能器,能量储存比较方便；过载保护容易； 解决系统温升问题比较方便等。1-油缸 ； 2-单向阀； 3-液压泵；4-先导卸荷阀； 5-蓄能器； 6-高速数字开关阀图2.2 执行器原理图图2.3 液压缸结构图2.2.1 液压缸的设计2.2.1.1单活塞杆液压缸缸筒内径(缸径)的计算预设液压缸的内径为D=12mm,活塞杆直径d=6mm,工作压力p=2MPa,则液压缸的输出力F可由下式估算。 （2.1） 式中,液压缸的负载率,一般=0。50.7； 液压缸的总效率,一般取=0.7o.9。将D=12、d=6、p=2 MPa、=O.5、=0.7带入式(2.1)得 F=79.1N,该系统实际需要输出力F=78 NF。因此液压缸的推力符合要求。取液压缸的内径D=12mm。2.2.1.2单活塞杆液压缸缸简壁厚的计算按薄壁筒计算缸筒壁厚 (2.2)式中,最高允许压力(MPa)； D液压缸缸径(m)； 缸筒材料的许用应力。 将=1.5、p=3MPa、D =12mm 、=110MPa带入式(2.2)得 0.16mm,取=3mm。2.2.1.3单活塞杆液压缸缸筒底部厚度的计算因为缸底没有油口,所以缸底厚度 (2.3)式中,液压缸的额定压力(MPa)； D液压缸缸径(m)； 缸筒材料的许用应力。 将D=12mm、=110 MPa、=4 MPa带入式(2.3)得=1 mm,取=10mm。2.2.2活塞杆的设计2.2.2.1活塞杆应力计算预设液压缸的内径为D=12mm,活塞杆直径d=6mm,工作压力p=2MPa,计算活塞杆所受应力 （2.4）前面已计算出液压缸的输出力F=79.1 N,将数值带入式(2.4)得=2.8 MPa,=l10MPa。2.2.2.2活塞杆稳定性验算(实心) 因为活塞杆的固定类型属于一端固定而另一端铰接,所以其末端条件系数n=2,柔性系数m=110。活塞杆截面回转半径k (2.5) 式中,J活塞杆截面的转动惯量 (2.6)A活塞杆截面积 (2.7) 将J=63.6mm,A=28.26mm带入式(2.5),得出k=1.5。 由于活塞杆长L=22.4mm,得出L/K=15m=155.6,所以临界载荷 (2.8) 将=250,A=28.26 mm,a=l/9000,n=2,L/K=15带入式(2.8)得=6.98KN。 因为F=0.0981kN,所以该活塞杆可以稳定运动。2.2.3液压泵的选择 由于油缸的工作压力为2 MPa,且油管路有压力损失。同时考虑到液压泵的动力来源于喷油泵的曲轴,因此需考虑其尺寸及其安装位置。所以选择的液压泵的型号为BB-B10。 主要参数：流量为10L/min；压力为2.45 MPa；转速为1500 r/min；压力摆动为O.15 MPa；容积效率80；驱动功率为O.15 KW。2.2.4 高速数字开关阀的选择2.2.4.1 高速数字开关阀的原理和结构 高速数字开关阀是电液执行器的关键元件,它工作在“开”和“关”两种状态下,可直接与计算机接口,不需要D/A转换器,因此,它非常适于微机控制系统。 图2.4是二位二通高速开关阀的结构图。它由衔铁、阀体、线圈、球阀、极靴等五部分构成。高速开关阀的控制方式是PWM(Pulse width Modulated)方式,即脉宽调制式。其PWM信号如图2.5所示,当脉冲信号为低电平时,电磁阀断电,球阀5在出油口和进油口压差的作用下向左运动,最终紧靠在阀座密封座面上,使迸油口与出油口断开,实现控制动作。图2.4 二位二通高速开关阀结构图高速开关阀采用脉宽调制原理来控制其平均流量,由于脉宽调制PWM信号的周期非常小,常为几毫秒到几十毫秒,因此,可用平均流量q来表示这一时间内阀的输出流量。 (2.9)图2-5 脉冲宽度调制信号 式中,占空比： 阀口流量系数； A阀口流通面积； 进出油的压差； 油的密度。占空比表示时间与脉冲周期T的比值,即 （2.10）于是阀的平均流量q与脉冲信号的占空比成正比。脉宽占空比越大,通过高速开关阀进入或流出油缸的平均流量越大,油缸的运动速度越快。2.2.4.2高速数宇开关阀性能参数 根据执行器的工作原理和结构形式,本系统选用两个二位二通高速开关阀作为执行器的电液转换元件。性能参数：形式为二位二通常闭；工作方式为脉冲宽度调制；材料为炭钢；密封形式为0型圈；额定电压为24 V DC；工作温度为一40+135；内泄露为O；最高工作频率为不小于200 Hz：额定压力为5MPa；额定流量为4-9L/min；开启时间为3.5ms；关闭时间为2.5ms；重复性为士O.05ms；寿命为设计寿命不小于次,耐久性试验己超过次。2.2.5 管道的选择和连接 管道种类的选择。液压传动系统常用的管道有钢管、铜管、橡胶软管和尼龙管等。选择的重要依据是工作压力,工作环境和液压装置的总体布局等。本系统中无元件之间的相对运动且考虑到稳定性,因此所有管路均用钢管。钢管的选择：由于钢管属于金属管,所以其内径的计算公式为： (2.11)式中, d管子内径(m)； q油液的流量(/s)； V管内油液的流速(m/s)。 其中,管内油液的流速V在不同类型的管道中数值不同,对吸油管道可取V=l2 m/s(在一般情况下去lm/s以下)。对压油管道,可取V=2.55m/s(压力高时取大值,压力小时去小值；管道较短时取大值,管道较长时取小值),对于短管道和局部收缩处,可取V=57 m/s,对于回油管道可取V=1.52.5 m/s。 因此, (1)油箱与泵相连的钢管属于吸油管道,取V=1m/s q=37.5L/min,将数据带入式(2.12)得d28.25。 所以选定钢管外径为34 mm；管子壁厚为2 mm。 管道接头选取形式为焊接式直通管接头(JB966-77)。 考虑到油泵吸油口的螺纹为M332 mm, 所以选择管接头体的型号为：34/M332 JB 984-77； 管接头接管的型号为：接管34 JB 2099-77； 管接头用螺母的型号为：螺母M422 JB 981-77： 垫圈的型号为：0形圈353.1 GB 3452.1-82； 直角焊接接管的型号为：接管34 JB979-77： 组合密封垫圈为：垫圈33 JB 982-77。(2)其它的油管属于压油管,取V=2.5 m/s,q=37.5L/min,将数据带入式(2.12)得d13.2mm。 所以选定钢管外径为18 mm；管子壁厚为2 mm。管道接头选取形式为焊接式直通管接头(JB966-77),考虑到油泵出油口的螺纹和蓄能器螺纹均为为M272 mm。 所以选择管接头体的型号为：22/M272 JB984-77、组合密封垫圈为：垫圈27 JB982-77。但由于油管的外径为18mm,所以需对该接头体进行改制,即把接头体另一边的螺纹割去然后把18mm的钢管焊接上。 对于其它部分的管接头采用型号为：18/M221.5 JB984-77；管接头接管的型号为：接管18 JB209977：管接头用螺母的型号为；螺母M271.5 JB981-77；垫圈的型号为：0形圈202.4 GB3452.1-82：直角焊接接管的型号为：接管18 JB97977：组合密封垫圈为；垫圈18 JB982-77。2.3液压系统性能验算 吸油管路压力损失计算：液压油在管内的流速为: (2.12)式中,吸油管流量(1/min)； 管路内径(mm)。 将=37.5 l/min、=30mm,带入式(2.13)得=884 mm/s。管道流量雷诺数为 （2.13） 式中,管内的流速; 管路内径(mm) 流体的运动粘度。 将=30mm、=884mm/s、=600带入式(2.14)得=44.2。 2300,可见液压油在该段管路中流态为层流,其沿程阻力系数为: (2.14)该段压力损失为 2.4传感器简介2.4.1电感式位移传感器 在本次设计中,选用德国米铱测试技术公司生产的LVP推杆插入式直线位移传感器。原理如图2.6所示。图2.6 电感式位移传藤器原理图 其测量原理是： 这是一根推杆插入测量传感器棒的内孔里的机械位移。在这棒里有一个电桥线圈,线圈被交流激励。推杆端部一段磁敏感材料位置变化引起中心抽头之间电桥线圈阻抗发生变化。电桥电压变化被放大。这样输出电压与推杆位置之间有一线性关系。由于是非接触测量,所以工作寿命长。而推杆与传感器棒内孔同心度没有要求。2.4.2霍尔式转速传感器 霍尔传感器是基于霍尔效应的一种非接触式传感器。在磁场中被测量通过霍尔元件转化为电动势输出。霍尔传感器可应用于多种非电量测量,特别是在检测微位移,大电流,微弱磁场等方面得到了广泛应用。图2.7 霍尔现象原理图 如图2.7所示,在一个均匀磁场中,放置一块长为l,宽为b,后为d的半导体。当在长度方向有电流通过半导体时,在垂直于电场和磁场的方向,即半导体的宽度方向,产生横向电场,称为霍尔电场。,相应的电动势称为霍尔电势。这种现象叫做霍尔现象。 产生霍尔现象的原因是,在磁场力的作用下,电子被推向半导体的一侧,并在该侧面上形成电子积累,而另一侧则形成正电荷积累；从而在半导体的两侧面产生静电场。图2.8 霍尔元件结构图霍尔元件的结构如图2.8所示,图中的矩形薄片状长方晶体称为基片。基片一般采用半导体材料。在它的两垂直侧面上各装有一对电极。电极a-c用于加激励电压或电流,称为激励电极。电极b-d称为霍尔电势的输出,称为霍尔电极。因为厚度值越小,及基片越薄,霍尔元件的灵敏系数越大,所以希望基片尽量薄,薄膜霍尔元件一般为1um左右。霍尔电极在基片上的位置以及它的厚度对霍尔电势值的影响较大。在控制电流恒定的条件下,当霍尔元件所处磁场的磁场强度大小发生突变时,输出电压也产生突变,相当于产生一个脉冲信号。单位时间内脉数与转速对应,构成数字量传感器。3 柴油机模糊PlD控制系统设计3.1 电液调速柴油机模型的建立 柴油机调速系统实质上是属于速度控制系统,即速度闭环控制。下面主要介绍该闭环控制中各环节的数字模型。3.1.1 柴油发动机数学模型的建立对于发动机,根据达朗贝尔原理,柴油发动机的运动方程可写为 (3.1)对该式进行拉氏变换,得 (3.2) 即 (3.3)式中,n柴油机输出转速； J转动惯量； 柴油机输出扭矩： 阻力矩。我们知道到从齿条位置的改变,到柴油机发生一定的扭矩,这中间既有物理变化,又有化学变化,其过程是非常复杂的,在此我们只把它看作简单的比例环节和纯滞后环节,传递函数表示如下 (3.4) 式中,齿条位置的改变到输出扭矩的比例系数； 柴油机扭矩脉冲延迟时间。 主要取决于柴油机的转速、气缸数及冲程数,可按下式估算1.25=11.25 (3.5)式中,v柴油机冲程数,v=l,二冲程,v=2,四冲程； 柴油机角速度; i柴油机气缸数； n柴油机转速。所以,该环节传递函数可表示如下 （3.6）3.1.2 电液执行器数学模型的建立1.高速开关阀NO.1；2.高速开关阀NO.2; 3.液压缸; 4.齿杆。圈3.1 电液执行器原理图电液执行器原理图如图3.2所示。高速开关阀NO.1接收控制信号时.液压缸右腔进油,左腔回油,活塞带动齿条向左移动；高速开关阀NO.2接收控制信号时,液压缸左腔进油,右腔回油,活塞带动齿条向右移动。由于液压缸左右腔面积不等,所以电液执行器内部活塞的左右移动并不对称,下面对这两种情况分别进行讨论。活塞右移时：高速开关阀NO.1进油口流量方程 (3.7)活塞的力平衡方程 (3.8)当为一定值时,也一定,则、均为零,有 (3.9) 即(不考虑泄露) （3.10）因此由式(3.7)得与成正比，又因为(忽略压缩),则与成正比，即 （3.11） 活塞左移时：高速开关阀NO.2进油口流量方程 （3.12）活塞的力平衡方程 （3.13）同理,当为一定值时,可得 (忽略泄露和压缩) (3.14) 式中,油源压力； 液压缸左腔油液压力; 液压缸左腔面积； 液压缸右腔面积； 油缸两腔间泄露系数。 占空比； 阀口流量系数； 阀口流通面积； M活塞及拉杆的总质量； 活塞位移。 综上所述,无论活塞左移还是右移,执行器环节都可以用一比例环节代替, 即 G(s)= (3.15) 式中,占空比到齿条位移的比例系数。3.2 PID控制理论基础 PID控制是最早发展起来的控制策略之一,由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高,被广泛应用于工业过程控制,至今大部分的控制回路仍采用PID控制。3.2.1 PID控制原理常规PID控制系统原理框图如图3.2所示。PID控制器是一种线性控制器,它根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成控制偏差e(t),即e(t)=r(t)-c(t) (3.17)将偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量,对被控对象 进行控制,其控制规律为 (3.18)写成传递函数的形式 (3.19)式中,比例系数； 积分时间常数； 微分时间常数。图3.2 PID控制系统原理框图简单说来,PID控制器各校正环节的作用如下:(1) 比例环节。成比例地反映控制系统的偏差信号e(t),偏差一旦产生,控制器立即产生控制作用,以减少偏差。(2) 积分环节。主要用于消除静差,提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数乃,乃越大,积分作用越弱,反之则越强。(3) 微分环节。反映偏差信号的变化趋势(变化速率),并能在偏差信号变得太大之前,在系统中引入一个有效的早期修正信号,从而加快系统的动作速度,减少调节时间。3.3模糊控制理论基础3.3.1 模糊化模糊控制的理论基础是模糊集合理论,模糊控制中的模糊推理是基于模糊量进行的,而作为模糊控制器的输入量,无论是误差还是状态量通常是在一定精度范围内的精确数值量,因此,要进行模糊控制,首先要进行模糊化处理。所谓的模糊化,就是通过传感器把被控对象的相关物理量转换成电量,若传感器的输出量是连续的模拟量,还要事先通过A/D转化器换成数字量作为计算机的输入测量值；然后再将此测量值进行标准化处理,即把其变化范围映射到相应内部论域中,将该内部论域中输入数据转换成相应语言变量的概念,并构成模糊集合,这样就把输入的精确量转换成用模糊集合隶属函数表示的某一模糊变量的值。也就是说,模糊化的主要功能是将输入变量的精确值转换成其对应论域上自然语言描述的模糊集合。工程应用上通常选择三角形或梯形隶属度函数。模糊集设定后,根据模糊子集的分布情况,确定每一时刻的输入值对这些模糊子集的隶属程度。因此,为保证在所有论域内的输入量都能与某一个模糊子集相对应,模糊子集的数目和范围必须遍及整个论域。这样每一个物理输入量至少有一个模糊子集的隶属度大于零。3.3.2 知识库知识库包括数据库和规则库,数据库提供必要的定义,包括语言控制规则论域的离散化、量化和正则化以及输入空间的分布、隶属度函数的定义等。规则库根据控制目的和控制策略给出由语言变量描述的并由专家或自学习产生的模糊控制规则的集合。一般来说,模糊控制器设计需要考虑的问题有：采样频率、量化等级、隶属度函数、控制规则精确化方法等。从工程应用的角度来说,模糊控制器的关键在于如何建立有效的数据库和规则库。下面对模糊控制中的数据库和规则库 做一简单介绍。(1)数据库。数据库是用来定义模糊控制器中语言控制规则和模糊数据操作的,它虽然称作数据库,但并不是常规计算机软件中数据库的概念,它存储着论域交换、隶属度函数、推理算法等有关模糊化、模糊推理、解模糊等知识。论域的离散化。为了便于计算机处理,需要对模糊集合表示的不确定信息进行量化。论域的离散化是将连续的论域离散化而形成离散论域,其实质是一个量化过程。量化就是将一个论域离散成确定数目的几小段(量化级),每一段用某一个特定术语作为标记,这样就形成了一个离散域。通过对新的离散域中的特定术语赋予隶属度来定义模糊集。为了实现离散化,需要将测量值反映到离散域中去,映射可以是线性的也可以是非线性的。线性性、比例因子、量化等级的选择等根据控制要求与先验知识来确定。在大误差段分辨率要求高而小误差段要求较高分辨率时,可采用非线性映射。测量值的量化会带来误差,同时也减少了系统对较小扰动的敏感性。输入输出空间的模糊划分。模糊控制规则前提中的每一个语言变量都形成一个与确定论域相对应的模糊输入空间,丽在结论中的语言变量则形成模糊输出空间。每一语言变量由一组项集合构成且这组项集合定义在同一论域内。项数目的多少取决于模糊分区或相等效的基本模糊集的数目,如：NB、NS、ZE、PS、PB的数目.项的多少取决了模糊控制器的控制性能或控制分辨率。在模糊空间中,术语(语言值)集合的基数决定了可以建立模糊控制规则的最大数目。模糊输入、输出空间的划分至今尚无统一的方法,经常采用实验和借鉴的方法。隶属度函数。模糊子集的隶属度函数是数据库的重要组成部分。在工程应用中,模糊子集的隶属度函数通常有下面两种表示方法。数字表示法。数字表示法适用于离散论域。此时,隶属度函数的等级用一个矢量表示,如,输入u属于模糊子集A的隶属程度用一个矢量来表示。当输入的量化等级为5,分别用表示,即 (3.20)其中,a=0.3,0.7,1.0,1.3中的元素分别是隶属于模糊子集A的程度。函数表示法。函数表示法适用于连续的论域。它是用函数的形式来表示模糊集合的隶属度函数。典型的函数有三角形函数、梯形函数等。(2) 规则库。 模糊控制系统是对专家控制经验集成而形成的模糊条件语句,专家知识常采用“IfAndThen”的规则形式,而这样的规则很容易通过模糊条件语句描述的模糊逻辑推理来实现。用一系列模糊条件描述的模糊规则就可构成模糊控制规则库。规则库包含若干组模糊控制规则,通过一系列语言控制规则来表征控制目标和该领域专家的控制策略。3.4模糊PID控制 在工业生产实践中,许多被控对象随着负荷变化或干扰因素影响,其对象特性参数或结构发生改变。自适应控制运用现代控制理论在线辨识对象特征参数,实时改变其控制策略,使控制品质指标保持在最佳范围内,但其控制效果取决于辨识模型的精确度,这对于复杂系统是非常困难的。因此,在工业生产过程中,大量采用的仍然是PID算法,PID参数的整定方法很多,但大多数都以对象特性为基础。随着计算机技术的发展,人们利用人工智能的方法将操作人员的调整经验作为知识存入计算机中,根据现场实际情况,计算机能自动调整PID参数,这样就出现了智能PID控制器。这种控制器把古典的PD与先进的专家系统相结合,实现系统的最佳控制,它无须精确确定对象模型,只需将操作人员(专家)长期实践积累的经验知识用控制规则模型化,然后运用推理便可对PID参数实现最佳调整。由于操作者经验不易精确描述、控制过程中各种信号量以及评价指标不易定量表示,而模糊理论是解决这一问题的有效