CN112761802B - 柴油机的突卸调速方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种柴油机的突卸调速方法，包括以下步骤：步骤1：初始化柴油机的突卸调速功能；步骤2：ECU监测柴油机的实时转速，并根据柴油机的实时转速判断柴油机是否发生突卸动作，若是，则执行步骤3，若否，则继续监测柴油机的实时转速；步骤3：ECU向油量计算模块发出断油请求，当满足断油条件时，油量计算模块将喷油量设置为0，对柴油机执行断油动作；步骤4：ECU完成断油动作，恢复油量；步骤5：ECU开始断油释放计时，计时结束后返回步骤2。本发明能通过柴油机的转速监测判断柴油机的突然卸载动作，并触发断油动作指令，通过断油能减小柴油机的频率超调量，从而达到快速、直接的调速效果。

Description

柴油机的突卸调速方法
技术领域
本发明涉及一种柴油机的控制方法，尤其涉及一种柴油机的突卸调速方法。
背景技术
柴油机是用于发电、提供动力的常用设备，突加突卸特性是柴油机的重要性能指标之一，其中，突卸是测试瞬态频率调整率和瞬态频率调整稳固时间的性能指标。柴油机的突卸动作是指外部负载设备突然卸载（关闭），外部负载设备突卸时柴油机无法立即响应，会导致柴油机的输出功率从较高值（如100KW）瞬间变化为较低值（如0KW），此时柴油机的转速会出现突然上冲现象，造成柴油机的输出频率超调超过指标，根据国家标准GB/T 2820-2009的要求，目前柴油机的输出频率超调百分比为5-7%。在柴油机输出功率瞬间降低的过程中，其输出力矩失去平衡，需要通过转速调节来保持柴油机的运行稳定。
现有技术中对柴油机的转速调节方法是：基于PID技术（PID是指：在过程控制中，按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID控制器，是应用最为广泛的一种自动控制器）实现供油参数调节，从而实现柴油机的转速调节。但PID技术的主要作用是保证柴油机的转速稳定，在突然卸载的工况下，无法快速、直接、有效的保障柴油机的转速稳定。
中国发明专利申请CN 202010758261.5公开了一种电控发电机突加突卸快速响应的控制方法及***，该控制方法首先根据发动机实际转速和发动机目标转速分别计算得出发动机目标转速差和发动机转速变化差，然后根据发动机目标转速差的绝对值和稳瞬态判断转速值判断发动机运行状态，再根据发动机目标转速差、发动机转速变化差及发动机运行状态计算得出油门增量；最后根据上一周期油门开度和油门增量计算得出实际喷油量，以控制喷油器喷油量的输出，从而利用喷油量的输出调节发动机的转速。该控制方法需要结合转速、时间、油门开度，通过外特性比较确认喷油量，并综合PID调节喷油量，采集参数多，计算过程复杂，转速调节响应慢、不直接，调节效果往往无法达到预期。
发明内容
本发明的目的在于提供一种柴油机的突卸调速方法，能通过柴油机的转速监测判断柴油机的突然卸载工况，并触发断油动作指令，通过断油能减小柴油机的频率超调量，从而达到快速、直接的调速效果。
本发明是这样实现的：
一种柴油机的突卸调速方法，包括以下步骤：
步骤1：初始化柴油机的突卸调速功能；
步骤2：ECU监测柴油机的实时转速，并根据柴油机的实时转速判断柴油机是否发生突卸动作，若是，则执行步骤3，若否，则继续监测柴油机的实时转速；
步骤2.1：ECU根据恒转速A计算柴油机转速的更新时间t，计算公式为：
t=60*1000/（A*NC）；
其中，NC为柴油机的缸数；
步骤2.2：ECU根据柴油机的实时转速计算柴油机转速的实时更新时间T，计算公式为：
T=60*1000/（SE*NC）；
其中，SE为柴油机的实时转速；
步骤2.3：ECU根据柴油机转速的更新时间t和实时更新时间T筛选柴油机的实时转速，得到有效转速B；
步骤2.4：ECU对有效转速B进行低通滤波处理，得到判断转速C；
步骤2.5：ECU设定转速漂移值D，当C≥A+D时，ECU判定柴油机处于突卸工况；
步骤3：ECU向油量计算模块发出断油请求，当满足断油条件时，油量计算模块将喷油量设置为0，对柴油机执行断油动作；
步骤4：ECU完成断油动作，恢复油量；
步骤5：ECU开始断油释放计时，计时结束后返回步骤2。
所述的步骤1还包括：
步骤1.1：钥匙上电，柴油机采集到恒转速开关信号后进入调速状态；
步骤1.2：ECU设定恒转速A，柴油机启动后进入怠速状态，ECU根据柴油机采集到的恒转速开关信号控制柴油机转速增加至恒转速A；
步骤1.3：ECU判断柴油机转速是否达到恒转速A，若是，则完成初始化动作，开启突卸调速功能，并执行步骤2，若否，则继续监测柴油机转速，直至柴油机转速等于恒转速A。
在所述的步骤1.3中，突卸调速功能开启时，油量计算模块的断油释放标志为1。
所述的步骤2.3中，有效转速B的筛选方法为：每隔更新时间t更新一次柴油机的实时转速SE，在筛选柴油机的第n个实时转速SEn时，若该时刻的实时更新时间T≤t，则第n个有效转速B=柴油机的第1个实时转速SE1，若该时刻的实时更新时间T＞t，则第n个有效转速B=柴油机的第x个实时转速SEx；其中，x为T/t向上取整的自然数。
所述的步骤2.5中，当A-D＜C＜A+D时，ECU判定柴油机处于稳定运行状态，返回步骤2.1；当C≤A-D时，ECU判定柴油机处于突加工况。
所述的步骤3中，断油条件包括：
（i）ECU判定柴油机处于突卸工况；
（ii）油量计算模块的断油释放标志为1；
当条件（i）和（ii）同时满足时，断油条件满足。
所述的步骤3中，执行断油动作时，油量计算模块的断油释放标志为0；断油动作执行结束一定时间后，油量计算模块的断油释放标志恢复为1。
所述的一定时间为5s。
所述的断油动作包括1-5个断油周期，每个断油周期长度为10ms。
所述的步骤5中，断油释放计的时间为3秒。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
1、本发明由于将柴油机的实时转速作为外部负荷设备突卸动作的判断依据，无需通过外部设备和手段，简化了柴油机突卸工况的判断流程，在降低软硬件设备成本的基础上提高了柴油机突卸工况判断的及时性和结果准确性。
2、本发明由于对柴油机的实时转速进行了筛选和低通滤波，得到判断转速并将其作为判断外部负荷设备突卸动作的参数，通过筛选可避免采用非更新转速等重复数据而造成滤波效果不理想的情况，同时通过滤波降低了高频噪声影响，确保对突卸工况的判断有效性和准确性。
3、本发明由于对恒转速设定了一定范围的转速漂移量，能有效弥补信号采集、处理和计算过程中产生的误差，避免断油动作误触发的情况发生，也使ECU对柴油机的正常运行、突加工况、突卸工况的状态判断更准确。
4、本发明由于采用了周期性断油，根据判断转速的值查表获得断油周期数，通过不同的突卸负荷情况选择不同的断油周期数，对柴油机的频率超调率的调节更有针对性、更精确。
本发明能通过柴油机的转速监测判断外部负荷设备是否发生突然卸载动作，并在突卸工况时触发断油动作指令，直接通过断油能将柴油机的频率超调量降至6%以下，同时能够缩短频率恢复时间，满足国标要求，并在不影响PID控制的基础上确保柴油机的运行平稳，达到快速、直接、安全的调速效果，适用于电站、装载机等各种以柴油机为动力的工程机械设备中。
附图说明
图1是本发明柴油机的突卸调速方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
请参见附图1，一种柴油机的突卸调速方法，该方法可应用于工程机械领域中以柴油机为动力的设备中，如电站、装载机等设备。当柴油机连接至设备时，若电站的负载突然关闭，或装载机的负载突然卸载，即柴油机发生突卸工况时，采用本方法对柴油机的转速进行控制和调节。
所述的柴油机的突卸调速包括以下步骤：
步骤1：初始化柴油机的突卸调速功能。
步骤1.1：钥匙上电，柴油机采集到恒转速开关信号后进入调速状态。恒转速开关信号由以柴油机为动力的设备提供，恒转速开关信号可以是PTO（POWER-TAKE-OFF，一种动力输出装置）开关信号或TSC1报文等，其信号类型由该设备确定。
步骤1.2：ECU设定恒转速A，柴油机启动后进入怠速状态，ECU根据柴油机采集到的恒转速开关信号控制柴油机转速增加至恒转速A。ECU可通过现有技术的PID模块计算喷油量，用于调节柴油机的转速，使其增加至恒转速A，此处不再赘述。
步骤1.3：ECU判断柴油机转速是否达到恒转速A，若是，则完成初始化动作，开启突卸调速功能，并执行步骤2，若否，则继续监测柴油机转速，直至柴油机转速等于恒转速A。
在所述的步骤1.3中，突卸调速功能开启时，油量计算模块的断油释放标志为1，即断油功能处于释放状态，不执行断油动作。
步骤2：ECU监测柴油机的实时转速，并根据柴油机的实时转速判断柴油机是否发生突卸动作，若是，则执行步骤3，若否，则继续监测柴油机的实时转速。
步骤2.1：ECU根据恒转速A计算柴油机转速的更新时间t（单位为ms），计算公式为：
t=60*1000/（A*NC）；
其中，NC为柴油机的缸数。
步骤2.2：ECU根据柴油机的实时转速计算柴油机转速的实时更新时间T（单位为ms），计算公式为：
T=60*1000/（SE*NC）；
其中，SE为柴油机的实时转速（单位为r/min）。
步骤2.3：ECU根据柴油机转速的更新时间t和实时更新时间T筛选柴油机的实时转速，得到有效转速B。优选的，可采用现有技术的芯片中断方式进行有效转速B的筛选，中断周期为更新时间t。
有效转速B的筛选方法为：
每隔更新时间t更新一次柴油机的实时转速SE，在筛选柴油机的第n个实时转速SEn时，若该时刻的实时更新时间T≤t，则第n个有效转速B=柴油机的第1个实时转速SE1，若该时刻的实时更新时间T＞t时，则第n个有效转速B=柴油机的第x（x为T/t向上取整的自然数）个实时转速SEx。
具体的，柴油机每隔更新时间t=10ms更新一个实时转速SE，记为SE1、SE2、SE3、…、SEn、…；在筛选柴油机的第一个实时转速SE1时，该时刻的实时更新时间T=8ms＜10ms，将柴油机的实时转速SE设定为恒转速A；在筛选柴油机的第n个实时转速SEn时，该时刻的实时更新时间T=25ms＞10ms时，将柴油机的实时转速设定为柴油机的第3个实时转速SE3。
步骤2.4：ECU对有效转速B进行低通滤波处理，得到判断转速C。优选的，可采用时间常数对有效转速B进行低通滤波处理。
在现有技术机械工程设备中，油量计算模块是用于计算柴油机喷油量的常用功能模块，断油功能模块是执行断油的功能模块，油量计算模块的计算周期必须小于等于断油功能模块的调用周期，而在判断转速C的低通滤波处理时，其时间常数应大于断油功能模块的调用周期。优选的，所述的时间常数是断油功能模块的调用周期的2-4倍。
步骤2.5：ECU设定转速漂移值D，转速漂移值D可根据上述各转速数据确定，优选为5-15rpm；当A-D＜C＜A+D时，ECU判定柴油机处于稳定运行状态，返回步骤2.1；当C≤A-D时，ECU判定柴油机处于突加工况，柴油机处于突加工况时，可采用现有技术中对突加工况的处理方式，此处不再赘述；当C≥A+D时，ECU判定柴油机处于突卸工况。
步骤3：ECU向油量计算模块发出断油请求，当满足断油条件时，油量计算模块将喷油量设置为0，对柴油机执行断油动作。
所述的断油条件包括：
（i）ECU判定柴油机处于突卸工况；
（ii）油量计算模块的断油释放标志为1；
当条件（i）和（ii）同时满足时，断油条件满足。
所述的步骤3中，执行断油动作时，油量计算模块的断油释放标志为0，可进行断油动作；断油动作执行结束一定时间后，油量计算模块的断油释放标志恢复为1，不能进行断油动作。
所述的一定时间由ECU内的性能参数确定，优选为5s。
所述的断油动作包括若干个断油周期，优选的，所述的断油周期的数量为1-5个，每个断油周期长度为10ms。根据不同的突卸负载状态，即柴油机的实时转速情况选择不同的断油周期数，确保断油时间对柴油机转速调节的有效性、及时性和针对性，从而使柴油机转速得到精准可靠的调节。
步骤4：ECU完成断油动作，恢复油量。断油动作不会影响原有PID模块的计算，可以在断油动作结束后恢复至PID模块的控制，将喷油量恢复至PID模块的计算值。
步骤5：ECU开始断油释放计时，计时结束后返回步骤2。
在一次断油结束后的突卸调整阶段中，通常不会再触发断油，可对突卸调整阶段进行计时。优选的，所述的断油释放计的时间为3秒。
实施例1：
本实施例的应用场景为以柴油机为动力进行发电的电站。
步骤1：初始化电站中柴油机的突卸调速功能。
ECU设定电站的恒转速A=1500rpm并启动柴油机，柴油机采集到电站的恒转速开关信号后进入调速状态。ECU监测柴油机的实时转速，当柴油机的实时转速=恒转速A=1500rpm时，开启突卸调速功能，此时断油释放标志为1。
步骤2：ECU监测柴油机的实时转速，ECU根据柴油机的实时转速计算柴油机转速的更新时间t，本实施例中柴油机缸数取NC=4，计算公式为：t=60*1000/（A*NC）=10ms。ECU根据柴油机转速的更新时间t采用芯片中断方式筛选柴油机的实时转速，中断周期为更新时间t，在第1次筛选柴油机的实时转速时，SE1为1500rpm，此时发动机转速的实时更新时间T=10ms，得到有效转速B为1500rpm，在实际运行过程中，有效转速B的稳态转速为1497-1505rpm，有效转速B的筛选准确性高。ECU对有效转速B进行低通滤波处理，电站中断油功能模块的调用周期为10ms，低通滤波的时间常数取30ms，得到判断转速C=1518rpm。ECU设定转速漂移值D=15rpm，则判断转速C=1518＞1515rpm，ECU判定柴油机处于突卸工况，即电站的外部负荷设备突然断开或关闭。
步骤3：ECU向油量计算模块发出断油请求，此时油量计算模块的断油释放标志为1，断油条件满足，油量计算模块的喷油量设置为0，对柴油机执行断油动作，油量计算模块的断油释放标志为0。断油周期为10ms，查询表1可知，判断转速C=1518rpm对应的断油周期为1，则断油时间为10ms。在断油动作执行结束5秒后，油量计算模块将断油释放标志恢复为1。
表1 判断转速C与周期数关系表
判断转速C C＜1525 1525≤C＜1535 1535≤C＜1545 1545≤C＜1560 1560≤C
周期数 1 2 3 4 5
步骤4-5：ECU将喷油量恢复至该时刻PID模块计算的油量，ECU断油释放计3s后返回步骤2，完成一次突卸工况的调速过程，继续对柴油机的转速进行检测。
在本实施例中，若ECU判定柴油机处于突卸工况时未执行断油动作，此时通过PID模块计算出的油量仍较大，则柴油机转速会继续上升。由于失去动力，上升速度会减小，转速最高点将达到1695-1710rpmm，即频率超调百分比为13-14%，无法控制在1575-1605rpm范围内，即频率超调百分比为5-7%。而采用本发明的调速方法对柴油机进行调速后，突卸工况下柴油机的转速最高点为1555rpm，柴油机的频率超调百分比能降至3.7%，满足且优于频率超调百分比为5-7%的要求。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，因此，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种柴油机的突卸调速方法，其特征是：包括以下步骤：
步骤1：初始化柴油机的突卸调速功能；
步骤1.1：钥匙上电，柴油机采集到恒转速开关信号后进入调速状态；
步骤1.2：ECU设定恒转速A，柴油机启动后进入怠速状态，ECU根据柴油机采集到的恒转速开关信号控制柴油机转速增加至恒转速A；
步骤1.3：ECU判断柴油机转速是否达到恒转速A，若是，则完成初始化动作，开启突卸调速功能，并执行步骤2，若否，则继续监测柴油机转速，直至柴油机转速等于恒转速A；
步骤2：ECU监测柴油机的实时转速，并根据柴油机的实时转速判断柴油机是否发生突卸动作，若是，则执行步骤3，若否，则继续监测柴油机的实时转速；
步骤2.1：ECU根据恒转速A计算柴油机转速的更新时间t，计算公式为：
t＝60*1000/(A*NC)；
其中，NC为柴油机的缸数；
步骤2.2：ECU根据柴油机的实时转速计算柴油机转速的实时更新时间T，计算公式为：
T＝60*1000/(SE*NC)；
其中，SE为柴油机的实时转速；
步骤2.3：ECU根据柴油机转速的更新时间t和实时更新时间T筛选柴油机的实时转速，得到有效转速B；
步骤2.4：ECU对有效转速B进行低通滤波处理，得到判断转速C；
步骤2.5：ECU设定转速漂移值D，当C≥A+D时，ECU判定柴油机处于突卸工况；
步骤3：ECU向油量计算模块发出断油请求，当满足断油条件时，油量计算模块将喷油量设置为0，对柴油机执行断油动作；
步骤4：ECU完成断油动作，恢复油量；
步骤5：ECU开始断油释放计时，计时结束后返回步骤2；
所述的步骤2.3中，有效转速B的筛选方法为：每隔更新时间t更新一次柴油机的实时转速SE，在筛选柴油机的第n个实时转速SEn时，若该次的实时更新时间T≤t，则第n个有效转速B＝第1个柴油机的实时转速SE1，若该次的实时更新时间T＞t，则第n个有效转速B＝柴油机的第x个实时转速SEx；其中，x为T/t向上取整的自然数。
2.根据权利要求1所述的柴油机的突卸调速方法，其特征是：在所述的步骤1.3中，突卸调速功能开启时，油量计算模块的断油释放标志为1。
3.根据权利要求1所述的柴油机的突卸调速方法，其特征是：所述的步骤2.5中，当A-D＜C＜A+D时，ECU判定柴油机处于稳定运行状态，返回步骤2.1；当C≤A-D时，ECU判定柴油机处于突加工况。
4.根据权利要求1所述的柴油机的突卸调速方法，其特征是：所述的步骤3中，断油条件包括：
(i)ECU判定柴油机处于突卸工况；
(ii)油量计算模块的断油释放标志为1；
当条件(i)和(ii)同时满足时，断油条件满足。
5.根据权利要求1所述的柴油机的突卸调速方法，其特征是：所述的步骤3中，执行断油动作时，油量计算模块的断油释放标志为0；断油动作执行结束一定时间后，油量计算模块的断油释放标志恢复为1。
6.根据权利要求5所述的柴油机的突卸调速方法，其特征是：所述的一定时间为5s。
7.根据权利要求1或5所述的柴油机的突卸调速方法，其特征是：所述的断油动作包括1-5个断油周期，每个断油周期长度为10ms。
8.根据权利要求1所述的柴油机的突卸调速方法，其特征是：所述的步骤5中，断油释放计时的时间为3秒。
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