CN103410619B - 内燃机车柴油机闭环调速系统及其调速方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及内燃机电传动系统技术领域，尤其是一种内燃机车柴油机闭环调速系统及其调速方法，车载微机为控制核心，车载微机外接有司控器、智能显示器和柴油机调速板，柴油机调速板外接有电喷控制器，车载微机另还设有两个牵引通风机转速传感器构成双备份系统。本发明柴油机当前转速的判定采用双备份传感器系统，加入反馈控制环节，控制方式可在常规模式和闭环模式间自动切换，具有更好的可靠性和更高的转速控制精度。

Description

内燃机车柴油机闭环调速系统及其调速方法

技术领域

本发明涉及内燃机电传动系统技术领域，尤其是一种内燃机车柴油机闭环调速系统及其调速方法。

背景技术

在传统内燃机车中，现有的柴油调速方式有如下几种：一、车载微机输出数字量信号控制步进电机，通过步进电机改变供油齿条位置以调整柴油机转速，柴油机转速与步进电机步数关系固定。二、车载微机通过数字量输出或是通讯线向电子调速器或电喷控制器提供档位信号，电子调速器或电喷控制器根据预设的档位/转速对应关系调整柴油机转速。三、车载微机通过通讯线向电子调速器或电喷控制器发送转速目标信号，电子调速器或电喷控制器根据该转速目标信号调整柴油机转速。

以上方式微机给出信号存在的共同特点是：车载微机对柴油机的调速不存在回馈控制环节，即微机输出状态仅取决于微机设定，而与当前柴油机转速无关。

这一特点导致了如下缺点：因车载微机元器件存在差异，在微机设定相同的情况下，不同微机的输出状态可能不同；因柴油机本身和柴油机控制设备存在差异，在微机输出状态相同的情况下柴油机最终稳定状态下的转速可能不同。

发明内容

为了克服现有的技术的不足，本发明提供了一种内燃机车柴油机闭环调速系统及其调速方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种内燃机车柴油机闭环调速系统，包括司控器、智能显示器、车载微机、柴油机调速板、电喷控制器、牵引通风机转速传感器一和牵引通风机转速传感器二，所述的车载微机为控制核心，车载微机外接有一个司控器、一个智能显示器和一个柴油机调速板，且柴油机调速板外接有一个电喷控制器，所述车载微机另还设有牵引通风机转速传感器一和牵引通风机转速传感器二，两个牵引通风机转速传感器构成双备份系统。

根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述车载微机与智能显示器之间、车载微机与柴油机调速板之间通过通讯总线实现信息交互。

根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述车载微机与司控器之间、车载微机与牵引通风机转速传感器一之间、车载微机与牵引通风机转速传感器二之间、以及柴油机调速板与电喷控制器之间通过硬线实现信号交互。

一种内燃机车柴油机闭环调速系统的调速方法，其调节过程为：

a.开始，先将车载微机3上的各电气初始化；

b.频率量和开关量信号采集：检测司控器触电信号和柴油机上通风机一、通风机二的转速信号；

c.档位判断：车载微机实时监测司控器输出信号，根据采集到信号状态判断司控器手柄位置；

d.查表计算目标转速：车载微机根据档位/转速对应表计算当前柴油机目标转速；

e.根据通风机一转速f1、通风机二转速f2，以及柴油机的传动比计算得到柴油机转速信号n1、n2，计算公式为n1=传动比×f1，n2=传动比×f2；

f.进入柴油机转速判定子程序：根据显示器设定值从n1、n2中选取一个作为柴油机当前转速；若显示器为默认设置，则选取n1、n2中质量较好的作为柴油机当前转速；

g.进入转速趋势判断子程序：判断柴油机当前转速趋势，生成趋势标志位，趋势标志位为0或1；

h.查看转速是否有趋势变化：若输出的趋势标志位为0，系统进入闭环控制模式，车载微机综合判断控制闭环各环节状态，根据判断结果对PWM波占空比实施PID计算；若输出的趋势标志位为1，系统进入常规控制模式；

i.最后，根据上述步骤的计算结果输出PWM脉宽指令给柴油机调速板，对柴油机实行调速。

本发明的有益效果如下：

（1）、本发明柴油机当前转速的判定基于双备份传感器系统，具有更好的可靠性和更高的测量精度。

（2）、本发明加入反馈控制环节，可以有效弥补系统误差，提高转速控制精度。

（3）、本发明的控制方式可在常规模式和闭环模式间自动切换，具备良好的响应实时性。

（4）、本发明的转速目标值和PID参数固化在软件中，不受到器件老化、操作失误、设备误差等的影响，在机车的全寿命周期内降低了维护成本。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的组成和使用示意图；

图2是本发明一个实施例的电气原理图；

图3是本发明调速过程原理图；

图4是本发明的一个应用实施例流程示意图；

图5是本发明柴油机转速判定子程序流程示意图；

图6是本发明柴油机转速趋势判断子程序流程示意图；

图中1、司控器，2、智能显示器，3、车载微机，4、柴油机调速板，5、电喷控制器，6、牵引通风机转速传感器一，7、牵引通风机转速传感器二，8、柴油机，9、传动齿轮箱，10、通风机一，11、通风机二。

具体实施方式

如图1所示，一种内燃机车柴油机闭环调速系统，包括司控器1、智能显示器2、车载微机3、柴油机调速板4、电喷控制器5、牵引通风机转速传感器一6和牵引通风机转速传感器二7。

所述的车载微机3为控制核心，车载微机3外接有一个司控器1、一个智能显示器2和一个柴油机调速板4。司控器1用于给定柴油机目标档位，智能显示器2用于显示系统参数，并可以参与对通风机转速信号的选择，智能显示器2用于显示系统参数，并可以参与对通风机转速信号的选择。柴油机调速板4外接有一个电喷控制器5，柴油机调速板4经总线接收车载微机给其转速指令，向电喷控制器5输出对应脉宽的PWM波，电喷控制器5接收到柴油机调速板发出的PWM波后,调整柴油机到对应转速。车载微机3作为闭环调速系统的控制核心，综合司控器手柄信号状态、柴油机调速板当前PWM波输出状态、柴油机当前实际转速等信息，实施控制闭环PID计算，计算结果经总线传递给柴油机调速板。所述车载微机3另还设有牵引通风机转速传感器一6和牵引通风机转速传感器二7，两个牵引通风机转速传感器构成双备份系统，其信号发送给车载微机3，由车载微机3综合计算柴油机当前转速。

图1中，柴油机8是本发明闭环调速设备的控制对象，电喷控制器5安装在柴油机8一端上，柴油机8另一端的传动齿轮箱10与通风机一10、通风机二11以固定传动比机械连接，牵引通风机转速传感器一6和牵引通风机转速传感器二7分别作用于通风机一10和通风机二11上。

如图2所示，是本发明系统的一个应用实施例的电气原理图，车载微机3与智能显示器2之间、车载微机3与柴油机调速板4之间通过通讯总线实现信息交互，总线可以是RS-485总线、Can总线等。车载微机3与司控器1之间、车载微机3与牵引通风机转速传感器一6之间、车载微机3与牵引通风机转速传感器二7之间、以及柴油机调速板4与电喷控制器5之间通过硬线传递信号。

如图3所示，为本发明闭环调速技术的原理图，其实现调节的原理如下：

3.1司控器1用于给定柴油机目标档位，车载微机3实时监测司控器1输出的信号，根据采集到信号状态判断司控器手柄位置。

3.2车载微机3根据档位/转速对应表计算当前柴油机8目标转速。

3.3在档位发生变化、柴油机目标转速发生变化后，系统进入常规控制模式，车载微机3生成固定转速指令传递给柴油机调速板4。

3.4柴油机调速板4经总线接受到车载微机的目标转速指令后，根据该指令向电喷控制器5输出对应占空比的PWM波。

3.5电喷控制器5根据PWM波的占空比调整喷油量，改变柴油机8转速。

3.6通风机一10、通风机二11与柴油机的传动齿轮箱10按固定传动比机械连接，牵引通风机转速传感器一6和牵引通风机转速传感器二7分别作用于通风机一10和通风机二11上，两个通风机转速传感器构成双备份系统，车载微机3检测牵引通风机转速传感器一6和牵引通风机转速传感器二7的输出信号，根据通风机一10、通风机二11与柴油机的传动比计算得到柴油机转速信号n1、n2。

3.7操作人员对智能显示器2进行设置，人为选择n1或n2作为柴油机8当前转速。

3.8在智能显示器2为缺省设置时，车载微机自动判断n1、n2的信号质量，选取n1、n2中质量较好的作为柴油机当前转速。

3.9车载微机3判断柴油机当前转速趋势：若转速不再有改变趋势，则车载微机3以柴油机目标转速为给定值，以柴油机当前转速为反馈值形成控制闭环，系统进入闭环控制模式，否则系统保持常规模式。

3.10车载微机3综合判断控制闭环各环节状态，根据判断结果对PWM波占空比实施PID调节以调整柴油机转速。

3.11司控器1手柄位置、柴油机转速目标值、柴油机转速回馈值、当前PWM占空比等信息均显示在智能显示器2上，以便操作人员直观地了解系统状态。

上述为本发明的调速原理，其中关键在于：以专用柴油机调速板为载体的PWM转速给定信号控制；基于双备份传感器的柴油机转速精确判定；基于柴油机转速趋势判断的控制模式自动切换；以柴油机实际转速为反馈的自动控制闭环。

如图4所示，为本发明闭环调速方法的一个优选实施例：

a.开始，先将车载微机3上的各电气初始化。

b.频率量和开关量信号采集，主要是用车载微机3检测司控器触点信号和两个通风机的转速信号。

c.档位判断：车载微机3实时监测司控器1输出信号，根据采集到信号状态判断司控器手柄位置，根据下表1所示的司控器档位闭合表判断司控器手柄位置。此步骤对应原理3.1。

表1司控器档位闭合表

d.再查表计算目标转速：车载微机3根据表2档位/转速对应表计算当前柴油机8目标转速。此过程对应原理3.2。

表2档位/转速对应表

e.根据通风机一（10）转速f1、通风机二（11）转速f2，以及柴油机的传动比计算得到柴油机转速信号n1、n2，计算公式为n1=传动比×f1，n2=传动比×f2；

f.进入柴油机转速判定子程序：根据显示器设定值从n1、n2中选取一个作为柴油机当前转速；若显示器为默认设置，则选取n1、n2中质量较好的作为柴油机当前转速。其具体实现见图5所示的柴油机转速判断子程序流程流程图：进入子程序，首先选择是否从智能显示屏实施手动选择，若选择手动，如果选择n1，则得到柴油机转速n=n1,选择n2,则得到柴油机转速n=n2；若果未选择手动，则智能显示屏进入默认设置，经过如图5的数组计算后，得到柴油机转速n=max(n1,n2)。计算得到柴油机转速后，判定子程序结束，进入下一步。此步骤对应原理3.7、3.8。

g.进入转速趋势判断子程序：判断柴油机当前转速趋势，生成趋势标志位，趋势标志位为0或1。其具体实现见图6所示的转速趋势判断子程序流程图：将柴油机转速n保存到数组F[N]的i位置，针对F[N]的N个元素求标准差,查看档位是否变化，若变化，最后得到趋势标志位为1输出；若没有变化，则最后得到趋势标志位为0输出。此步骤对应原理3.9。

h.查看转速是否有趋势变化：

若输出的趋势标志位为0，则代表转速不再有改变趋势，则车载微机以柴油机目标转速为给定值，以柴油机当前转速为反馈值形成控制闭环，系统进入闭环控制模式。车载微机综合判断控制闭环各环节状态，根据判断结果对PWM波占空比实施PID计算。此步骤对应原理3.10。

若输出的趋势标志位为1，则代表档位已发生变化，而柴油机转速尚未稳定，系统进入常规控制模式，车载微机根据表3所示的档位/脉宽对应表查表计算，生成固定转速指令传递给柴油机调速板4。此步骤对应原理3.3。

表3档位/脉宽对应表

i.最后，根据上述步骤的计算结果输出PWM脉宽指令给柴油机调速板，对柴油机实行调速，整个调速系统进入下一个循环控制。

本发明柴油机当前转速的判定基于双备份传感器系统，具有更好的可靠性和更高的测量精度；加入反馈控制环节，可以有效弥补系统误差，提高转速控制精度；控制方式可在常规模式和闭环模式间自动切换，具备良好的响应实时性；转速目标值和PID参数固化在软件中，不受到器件老化、操作失误、设备误差等的影响，在机车的全寿命周期内降低了维护成本。

Claims (1)

1.一种内燃机车柴油机闭环调速系统，包括司控器（1）、智能显示器（2）、车载微机（3）、柴油机调速板（4）、电喷控制器（5）、牵引通风机转速传感器一（6）和牵引通风机转速传感器二（7），其特征是，所述的车载微机（3）为控制核心，车载微机（3）外接有一个司控器（1）、一个智能显示器（2）和一个柴油机调速板（4），且柴油机调速板（4）外接有一个电喷控制器（5），所述车载微机（3）另还设有牵引通风机转速传感器一（6）和牵引通风机转速传感器二（7），两个牵引通风机转速传感器构成双备份系统，所述车载微机（3）与智能显示器（2）之间、车载微机（3）与柴油机调速板（4）之间通过通讯总线实现信息交互，所述车载微机（3）与司控器（1）之间、车载微机（3）与牵引通风机转速传感器一（6）之间、车载微机（3）与牵引通风机转速传感器二（7）之间、以及柴油机调速板（4）与电喷控制器（5）之间通过硬线实现信号交互；内燃机车柴油机闭环调速系统的调节过程为：

a.开始，先将车载微机（3）上的各电气初始化；

b.频率量和开关量信号采集：检测司控器触点信号和柴油机上通风机一（10）、通风机二（11）的转速信号；

c.档位判断：车载微机（3）实时监测司控器（1）输出信号，根据采集到信号状态判断司控器手柄位置；

d.查表计算目标转速：车载微机（3）根据档位/转速对应表计算当前柴油机目标转速；

e.根据通风机一（10）转速f1、通风机二（11）转速f2，以及柴油机的传动比计算得到柴油机转速信号n1、n2，计算公式为n1=传动比×f1，n2=传动比×f2；

f.进入柴油机转速判定子程序：根据智能显示器（2）设定值从n1、n2中选取一个作为柴油机当前转速；若智能显示器（2）为默认设置，则选取n1、n2中质量较好的作为柴油机当前转速；

g.进入转速趋势判断子程序：判断柴油机当前转速趋势，生成趋势标志位，趋势标志位为0或1；

h.查看转速是否有趋势变化：若输出的趋势标志位为0，系统进入闭环控制模式，车载微机综合判断控制闭环各环节状态，根据判断结果对PWM波占空比实施PID计算；若输出的趋势标志位为1，系统进入常规控制模式；

i.最后，根据上述步骤的计算结果输出PWM脉宽指令给柴油机调速板（4），对柴油机（8）实行调速。