CN102926812A - 一种预喷式数控气动发动机的转速控制方法 - Google Patents

一种预喷式数控气动发动机的转速控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种预喷式数控气动发动机的转速控制方法，转速操作装置将期望转速分别输入至前馈控制单元和PID控制单元，转速传感器将实时转速分别输入至前馈控制单元和PID控制单元，力矩传感器将曲轴输出端的力矩测量值输入至前馈控制单元；由前馈控制计算出期望转速下的平均负荷；然后计算出期望转速所对应的主控制压力，由PID控制单元先计算出期望转速和实时转速滤波值的差值，再计算出微调控制压力，最后将主控制压力和所述微调控制压力之和作为整体控制压力输入到预喷式数控气动发动机的预喷气缸，对预喷式数控气动发动机进行转速操作；可以方便、准确、快速地对预喷式数控气动发动机的实时负荷的变化、转速操作做出反应。

Description

一种预喷式数控气动发动机的转速控制方法
技术领域
本发明属于气动发动机转速控制技术领域，尤其涉及预喷式数控气动发动机的转速控制方法。
背景技术
气动发动机使用来源广泛的压缩空气作为“燃料”，排放无污染，是真正的“零排放”、绿色环保的动力源。它可为环保节能车辆提供驱动动力，其作用就是将压缩空气的压力能转化为曲轴旋转的机械能，驱动车辆行驶。
气动发动机一般由储气罐、发动机本体、减压阀、流量控制阀和输气管道等部件组成。存储在储气罐中的压缩空气经过输气管道、减压阀、流量调节阀、进气口、气缸和排气口，最终进入大气。减压阀完成将压缩空气从高压降至工作压力的过程，流量调节阀控制压缩空气的流量。压缩空气在气缸中膨胀，推动活塞，再通过连杆使曲轴转动，向外界输出机械功。
现有的气动发动机一般使用机械的方法控制发动机曲轴的转速，类似于内燃机控制曲轴转速的方法，这种方法在控制转速时不仅费时而且精度较低。中国专利号为200820205394.4、名称为“车用气动发动机的转速控制装置”，由流量调节阀、转速输入器、控制器以及光电编码器等部件组成，控制器将光电编码器输入的实际转速和转速输入器输入的目标转速进行比较，然后根据比较结果向流量调节阀发出控制信号并调节流量调节阀的开度，控制压缩气体的流量进而调节转速，这种转速控制在控制时成本高、缺乏智能性。
中国专利号为200820217438.5、名称为“一种数控气动发动机”，公开了一种预喷式数控气动发动机，它主要由高压储气罐、预喷式气缸、电磁阀组、传感器组和发动机本体等主要部件组成，无需传统内燃机复杂的配气机构。但该发明专利没有为预喷式数控气动发动机提供转速控制方法，导致该发明专利在工作时存在转速操作不便的缺陷。
发明内容
为了克服现有预喷式数控气动发动机转速控制装置操作不便的缺陷，本发明为预喷式数控气动发动机提供了一种结构简单、便于操作、成本低廉、易于适应实时负荷的转速控制方法，该方法能够精确并快速地对预喷式数控气动发动机的转速操作做出响应。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是按如下步骤实施：
A、在预喷式数控气动发动机的曲轴输出端上安装力矩传感器和转速传感器，转速操作装置将预喷式数控气动发动机的期望转速n 0分别输入至前馈控制单元和PID控制单元，转速传感器将预喷式数控气动发动机的实时转速n r 分别输入至前馈控制单元和PID控制单元，PID控制单元对实时转速n r 进行滤波处理得到实时转速n r 滤波值，力矩传感器将预喷式数控气动发动机的曲轴输出端的力矩测量值M p 输入至前馈控制单元；
B、由前馈控制单元先根据公式                                                
Figure 686571DEST_PATH_IMAGE001
计算出线性抗扭矩系数k l ，并对线性抗扭矩系数k l 进行滤波处理得到k l0，再根据公式
Figure 216910DEST_PATH_IMAGE002
计算出期望转速n 0下的平均负荷p 0；I f 是预喷式数控气动发动机的转动惯量，ω是转速传感器测量得到的实时转速n r 所对应单位为弧度/秒的实时角速度，
Figure 501260DEST_PATH_IMAGE003
，
Figure 8727DEST_PATH_IMAGE004
是实时角加速度的导数，M l0是在预喷式数控气动发动机无负荷转动时采用力矩传感器测得的基值摩擦力矩；
C、由前馈控制单元计算出所述期望转速n 0所对应的主控制压力p pec0：
Figure 36726DEST_PATH_IMAGE005
，a 11~a k(k+1)是拟合回归参数，
Figure 687150DEST_PATH_IMAGE006
，p 0是所述平均负荷；
D、由PID控制单元先计算出所述期望转速n 0和所述实时转速n r 滤波值的差值e，再经公式
Figure 876823DEST_PATH_IMAGE007
计算出微调控制压力
Figure 370122DEST_PATH_IMAGE008
，k p 、k i 、k d 分别是PID控制单元的比例项系数、积分项系数、微分项系数；
E、将所述主控制压力p pec0和所述微调控制压力
Figure 936232DEST_PATH_IMAGE008
之和作为预喷式数控气动发动机的整体控制压力p pec 输入到预喷式数控气动发动机的预喷气缸，对预喷式数控气动发动机进行转速操作。
本发明采用上述技术方案后，具有的有益效果是：
1、前馈控制单元可以根据期望转速和期望转速下的平均负荷(或平均功率)对主控制压力进行预测，使控制压力达到期望转速所对应的稳态供气压力；前馈控制单元可根据预喷式数控气动发动机负荷的实时变化做出响应。
2、PID控制单元能够缩短对转速操作响应的时间，PID控制器能够因差值e对转速进行微调，使实时转速更接近于期望转速，对前馈控制单元有一个很好的补充作用。
3、本发明能够精确并快速地对预喷式数控气动发动机的转速操作做出响应，增强了预喷式数控气动发动机的实用性。
4、本发明通过前馈控制单元、PID控制单元、力矩传感器、转速传感器之间的配合来对预喷式数控气动发动机的控制压力进行调节，可以方便、准确、快速地对预喷式数控气动发动机的转速操作做出反应，并根据预喷式数控气动发动机实时负荷的变化做出反应，增强了预喷式数控气动发动机的实用性。
附图说明
图1是预喷式数控气动发动机的转速控制原理示意图；
图2是预喷式数控气动发动机在采用单一的前馈控制、采用本发明的前馈和PID复合控制以及转速操作的性能比较图，图中横坐标表示时间t（单位为秒s)，纵坐标表示转速（单位为r/min)。
图中：1.转速操作装置；2.前馈控制单元；3.预喷式数控气动发动机；4.力矩传感器；5. 转速传感器；6.曲轴输出端；7.实时负荷；8.PID控制单元。
具体实施方式
如图1所示，力矩传感器4和转速传感器5固定安装在预喷式数控气动发动机3的曲轴输出端6上，转速传感器5接前馈控制单元2和PID控制单元8，力矩传感器4接前馈控制单元2。
预喷式数控气动发动机3受实时负荷7的影响，引起曲轴输出端6的变化，力矩传感器4将曲轴输出端6力矩测量值M p 通过信号线输入至前馈控制单元2，转速传感器5将曲轴输出端6的实时转速n r （单位为：转/分钟）分别输入至前馈控制单元2和PID控制单元8，为消除转速波动，PID控制单元8对输入的实时转速n r 进行滤波处理，得到实时转速n r 滤波值。
转速操作装置1用于输出预喷式数控气动发动机3的期望转速n 0（单位为：转/分钟），将转速操作装置1分别连接前馈控制单元2和PID控制单元8，转速操作装置1可将预喷式数控气动发动机3的期望转速n 0分别输入至前馈控制单元2和PID控制单元8。
前馈控制单元2采用式（1）计算出该实时负荷7下的线性抗扭矩系数k l ：
                      （1）
式（1）中：M p 是该实时负荷7下力矩传感器4测量的力矩测量值，I f 是该预喷式数控气动发动机3的转动惯量，ω是转速传感器5测量得到的实时转速n r 所对应单位为弧度/秒的实时角速度，
Figure 706742DEST_PATH_IMAGE003
，
Figure 67316DEST_PATH_IMAGE004
是实时角速度的导数，M l0是基值摩擦力矩，可在气动发动机无负荷低速转动时利用力矩传感器4测得。
对提到的线性抗扭矩系数k l 进行滤波处理，得到滤波后的线性抗扭矩系数k l0。
前馈控制单元2采用下式（2）计算期望转速n 0下的平均负荷（或平均功率）p 0：
                        （2）
式（2）中，n 0是转速操作装置1输入至前馈控制单元2的期望转速n 0，k l0是由公式（1）计算得到的线性抗扭矩系数k l 的滤波值。
采集预喷式数控气动发动机3在多种稳态工况下的工作数据，通过改变预喷式数控气动发动机3的预喷气缸的期望控制压力p wpec 可以得到与p wpec 对应的实时转速n w 及功率p w 数据。预喷式数控气动发动机的稳态工况方程采用下式（3）所示方程：
Figure 417712DEST_PATH_IMAGE010
  (3)
式（3）中：
Figure 777149DEST_PATH_IMAGE006
，a 11~a k(k+1)是拟合回归参数，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
是输入预喷式数控气动发动机3气缸的期望控制压力，p w 和n w 分别是预喷式数控气动发动机3在输入各稳态工况或仿真下测量得到的功率和转速。将采集的数据进行处理，可利用MATLAB的lsqcurvefit工具箱进行拟合。拟合时取不同的k值，并利用公下式（4）计算残差：
Figure 776515DEST_PATH_IMAGE012
                       (4)
式（4）中，p pecF 是拟合值，p wpec 是预喷气缸的期望控制压力的设定值，m是测量点数。
将预喷式数控气动发动机3稳态工况方程做为前馈控制方程，取残差值最小时的k值作为前馈控制方程。将拟合回归参数带入公式（3）就得到预喷式数控气动发动机的前馈控制方程，即得到预喷式数控气动发动机期望转速n 0的主控制压力p pec0，如公式（5）所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE013
   (5)
式（5）中，n 0是转速操作装置1输入的期望转速，p 0是期望转速下的平均负荷。
由于发动机即使在稳定工作时都会存在转速波动，在设计PID控制器时为消除转速波动使用实时转速n r 滤波值，由PID控制单元8计算出期望转速n 0和实时转速n r 滤波值的差值e ，PID控制单元8以差值e为输入，经过下式（6）运算得到PID控制单元8输出的微调控制压力
Figure 418849DEST_PATH_IMAGE008
：
Figure 521541DEST_PATH_IMAGE007
                     （6）
式（6）中，
Figure 489497DEST_PATH_IMAGE008
为PID控制单元8输出的微调控制压力；e为PID控制单元8的输入信号，等于转速操作装置1的期望转速n 0与转速传感器5传递的实时转速n r 的滤波值的差值；k p 为PID控制器的比例系数；k i 为PID控制器的积分系数；k d 为PID控制器的微分系数。
为了获得较好的动力性，提高PID控制单元对期望转速的响应速度，需要在常用工况下对PID控制单元8的三个控制参数k p 、k i 、k d 进行优化，根据优化的目标，以
Figure 54470DEST_PATH_IMAGE014
为目标函数，t为仿真时间，使用遗传算法完成上述优化。
在优化过程中，预喷式数控气动发动机的技术参数选用S195型发动机的技术参数，
Figure DEST_PATH_IMAGE015
，Kg；
Figure 766074DEST_PATH_IMAGE016
，N·m；设置仿真时长为12 s，PID控制单元8的控制参数经遗传算法优化后为：k p =2991.5，k i =265.3，k d =3.7。
由PID控制单元8求出主控制压力p pec0和微调控制压力
Figure 224738DEST_PATH_IMAGE008
之和，得到整体控制压力p pec ，将整体控制压力p pec 输入到预喷式数控气动发动机3就可对其进行转速操作。
本发明中的PID控制单元8可采用神经网络、模糊等控制策略，上述控制策略可单独使用或组合使用。
如图2显示，点画线A为转速操作装置1输入的期望转速n 0，实线B为本发明前馈和PID复合控制输出的实时转速n r 的滤波值，虚线C是只有前馈控制没有PID控制输出的实时转速的滤波值，从图2中可以看出，本发明和PID复合控制较单一的前馈控制能够对转速操作装置1输入的期望转速进行快速的响应，表现出本发明所提供的转速控制方法对转速操作具有很好的跟踪性，同时本发明还能使曲轴输出端6输出的实时转速n r 的滤波值更接近于期望转速n 0，因此具有良好的稳定性。   

Claims (1)

1.一种预喷式数控气动发动机的转速控制方法，其特征是按如下步骤实施：
A、在预喷式数控气动发动机（3）的曲轴输出端（6）上安装力矩传感器（4）和转速传感器（5），转速操作装置（1）将预喷式数控气动发动机（3）的期望转速n 0分别输入至前馈控制单元（2）和PID控制单元（8），转速传感器（5）将预喷式数控气动发动机（3）的实时转速n r 分别输入至前馈控制单元（2）和PID控制单元（8），PID控制单元（8）对实时转速n r 进行滤波处理得到实时转速n r 滤波值，力矩传感器（4）将预喷式数控气动发动机（3）的曲轴输出端（6）的力矩测量值M p 输入至前馈控制单元（2）；
B、由前馈控制单元（2）先根据公式                                                计算出线性抗扭矩系数k l ，并对线性抗扭矩系数k l 进行滤波处理得到k l0，再根据公式
Figure 2012104080896100001DEST_PATH_IMAGE003
计算出期望转速n 0下的平均负荷p 0；I f 是预喷式数控气动发动机（3）的转动惯量，ω是转速传感器（5）测量得到的实时转速n r 所对应单位为弧度/秒的实时角速度，，是实时角速度的导数，M l0是在预喷式数控气动发动机（3）无负荷转动时采用力矩传感器（4）测得的基值摩擦力矩；
C、由前馈控制单元（2）计算出所述期望转速n 0所对应的主控制压力p pec0：
Figure 86964DEST_PATH_IMAGE006
，a 11~a k(k+1)是拟合回归参数，，p 0是所述平均负荷；
D、由PID控制单元（8）先计算出所述期望转速n 0和所述实时转速n r 滤波值的差值e，再经公式
Figure 935578DEST_PATH_IMAGE008
计算出微调控制压力
Figure DEST_PATH_IMAGE009
，k p 、k i 、k d 分别是PID控制单元（8）的比例项系数、积分项系数、微分项系数；
E、将所述主控制压力p pec0和所述微调控制压力
Figure 118297DEST_PATH_IMAGE009
之和作为预喷式数控气动发动机（3）的整体控制压力p pec 输入到预喷式数控气动发动机（3）的预喷气缸，对预喷式数控气动发动机（3）进行转速操作。
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