柴油机转速控制系统的设计

目录1柴油机转速设计系统的简要介绍………………………………………………………….12传感器的选取………………………………………………………………………………12.1直流测速机…………………………………………………………………………..22.2涡流测速机……………………………………………………………………………22.3变磁阻式转速传感器…………………………………………………………………23．信号变换，放大，保存装置………………………………………………………………..33.1脉冲变换电路…………………………………………………………………………33.2模数转换器…………………………………………………………………………….33.2.1模数转换器介绍………………………………………………………………...33.2.2逐次逼近模数转换器ADC0809…………………………………………………54控制，显示，报警装置………………………………………………………………………..64.1微控制器（单片机）……………………………………………………………………64.2显示器…………………………………………………………………………………...74.2.1显示类型…………………………………………………………………………74.2.2七段发光二极管显示器…………………………………………………………84.2.3智能显示仪………………………………………………………………………85执行器………………………………………………………………………………………95.1调速器……………………………………………………………………………….95.1.1调速器的使用…………………………………………………………………95.1.2调速器的类型…………………………………………………………………95.1.3电子调速器……………………………………………………………………95.1.4PID控制器……………………………………………………………………115.2喷射系统……………………………………………………………………………135.2.1高压共轨简介………………………………………………………………..135.2.2高压共轨组成………………………………………………………………...145.2.3高压共轨系统的特点………………………………………………………...155.2.4主动控制原理………………………………………………………………..156系统仿真…………………………………………………………………………………….166.1simulink介绍………………………………………………………………………166.2仿真过程……………………………………………………………………………..167故障诊断................................................................................................................................177.1故障诊断的必要性………………………………………………………………….177.2故障诊断原理………………………………………………………………………..177.2.1故障诊断的过程…………………………………………………………….177.2.2传感器故障………………………………………………………………….197.2.3电路故障…………………………………………………………………….197.2.4发动机本身故障…………………………………………………………….197.2.5软件故障…………………………………………………………………….197.3故障诊断的方法……………………………………………………………………..197.3.1传统的故障诊断方法……………………………………………………….197.3.2智能的故障诊断方法……………………………………………………….197.3.3利用数学进行故障诊断…………………………………………………….198总结…………………………………………………………………………………………20参考文献………………………………………………………………………………………21内容摘要本文就船用大型二冲程低速柴油机的转速控制的设计而展开。采用的是电子控制而不是传统的机械控制；并且采用了反馈控制方式（闭环控制方式）。本文着重介绍了传感器、模数转换器、微控制器（单片机）、显示器的选取。执行器是控制系统的关键，本系统采用的执行器（电子调速器）更是系统的关键所在。本文比较详细地介绍了电子调速器的原理，结构，并且介绍了PID控制作用的一种实现方式。高压共轨柴油机，因其出众的性能，很快地成为了目前柴油机（无论船用的还是车用）的主流，为此本文就其结构、特点等作了较为深入的说明。系统仿真越来越成为系统设计不可缺少的部分，由于硬件的限制，本文就对其作了简单介绍。本系统采用的是基于电子技术的控制，电子元件由于其自身的特点，因此由其构成的系统的可靠性必须要考虑。本文最后就转速控制系统的可靠性和故障诊断做了介绍，并着重说明了转速系统所采用的故障诊断的原理、过程、及其方法。ABSTRACTThispaperisbasedontherotationcontrolofsupermaritimeenginewhichislowrotationandtwo-strokes.Iadoptelectroniccontrolinsteadofmechanicalcontrol,Ialsotakefeedbackcontrolmode(whichisalsocalledclosedloopcontrolmode).Thepaperisstressedonhowtoselectsensor,A/D(analogy/digit)converter,microprocessoranddisplay.Executoristhecoreofthespeedcontrolsystem,thesystemadoptselectronictimingwhichisalsothecoreofthesystem.Thistextexplainstheprincipleandconfigurationoftheelectronictimingmorecarefully,thetextalsointroducesoneformofthePID(proportionintegraldifferential)controller.Withitsexcellentperformance,thehighpressurecommonrailenginebecomesthemainstreamoftheengine(notonlymarineenginebutalsovehicleengine).Thepaperisfocusedonitandmakeadeepintroducingaboutitsconfigurationandcharacters.Systemsimulationhasbeenapartofsystemdesign,becausethelimitofhardware,thispaperonlyintroducessomethingsimplyaboutsystemsimulation.Thedesignisbasedonelectrons,asweknowelectronshassomecharacteristics,sothereliabilityofthesystemshouldbeconsiderde.Thefinalpartofthepaperismainlyfocusedonthereliabilityandfaultdiagnosis,theprinciple,processandmethodswhicharetakenintotherotationcontrolsystemaremorecarefullyintroduced.-柴油机转速控制系统的设计---基于电子控制技术的应用1柴油机转速控制系统设计的简要介绍柴油机的转速对其be(有效燃油消耗率【g/(kw.h)】,Pe(有效功率【Kw】)等有着很大的影响，又因为柴油机存在着最低稳定转速和最高转速（低于最低转速或高与最高转速，柴油机都不能正常工作，甚至损坏柴油机）。因此，柴油机的转速控制对于柴油机来说，是必不可少的，也是非常重要的。本设计是基于单片机的电子转速控制，有别于传统的机械转速控制。电子转速控制只要通过更换软件即可轻易变动其转速特性，也易于在全程式与二极式之间转换，还具有低怠速恒速的特点和超速保护的功能。本设计的原理及结构框图如图1所示。图1从图1可知，该控制设计是采取闭环控制（负反馈控制），闭环控制系统的特点是系统的输出端和输入端之间存在反馈回路，既输出量对控制作用有直接影响。闭环控制突出的优点是精度高，闭环控制可及时减小干扰引起的偏差【12】。当测量值与最佳值之间在允许偏差之内，便视为达到控制的目的。【1】一般来说，闭环控制比开环控制准确，但系统成本高，对传感器，执行器等要求高。2传感器的选取2.1直流测速发电机测转速，目前使用最广泛的是直流测速发电机。直流测速发电机的主要优点：①价格便宜；②输出阻抗小而且恒定，温度补偿比较容易。直流测速机由于其起转子是有被测对象带动旋转，从而在电枢两端产生与转速成正比的感应电势，进而可得出速度与电势的关系。由于它是被测对象带动旋转，这就对船用二冲程大型机来说，它的使用不是很方便。（船用二冲程大型柴油机输出轴的直径较大，一般直流测速机满足不了使用要求）因此，一般情况下直流测速机不予考虑。2.2涡流测速机涡流测速机，由于要使用它，就必须在输出轴上开槽（凹口），这就可能会降低柴油机的安全系数。所以，本设计也没采用它。2.3变磁阻式转速传感器变磁阻式传感器是一种磁电式传感器。它是一种有源传感器即不需要辅助电源。变磁阻式传感器一般都作成转速传感器，产生感应电势的频率做为输出，其频率值取决与磁通变化的频率。变磁阻式转速传感器在结构上分为开磁路和闭磁路两种。本设计采用开磁路变磁阻式传感器。其结构见图2【2】所示。齿轮轮铁感应线圈永久磁铁图2变磁阻式转速传感器的工作原理，如下：测量转速时，传感器的转轴与被测体的转轴连接，因而带动转子转动，当转子的齿与定子的齿相对应时，气隙最小，所以磁路中磁通最大，而当齿与槽相对应时，气隙最大，磁通最小。因此，当定子不动而转子与被测体一起转动时，磁通就周期的变化，从而在线圈中就感应出近似正弦的信号。转速n越高，感应电势频率越高，它们的关系为：f=z..n/60=n=60f/zz:齿轮的齿数；n:被测轴转速（r/min）;f:感应电势频率（1s‐1）这种传感器结构简单，虽输出信号小，转速高时信号失真大，但是对应与本设计所面对的----船用大型低速机来说，还是完全可以的。3．信号变换，放大，保存装置3.1脉冲变换电路转换—脉冲变换电路：其结构图如图3所示。图3传感器的感应电势由VD1管削去负半周，送到V1进行放大，再经过V2组成的射极跟随器，然后送人V3和V4组成的射极耦合触发器进行整形，这样就得到方波输出信号。因此在实验室中可以用示波器模拟转速。3.2模数转换器3.2.1模数转换器介绍模数转换器是依据多种不同的原理来设计的,分为比较型(直接型)和积分型(间接型)两大类【7】。比较又分为并联比较型,反馈比较型和逐次比较型等。积分型又分为单积分型,双积分型,四积分型,计数型和V-F(电压-频率)型等。各种类型集成A/D的性能及用途见表1:各种类型集成A/D性能及用途一览表表1转换方式优点缺点主要用途单积分型1价廉2线性度好1精度与稳定性取决与时钟频率和电容元件2速度较低3采样时间不4定廉价的仪器仪表双积分型1线性度好2易自动调零3分辨率高4与元件精度无关5与时钟速度无