摘 要

因为柴油机具有经济性好、功率范围相对宽、体积较小、操纵性相对简单、重量轻、流动性好、可靠性稳定、使用寿命更长、维修简单容易等优点。因此,柴油机是在运输行业制造的。因此使得柴油机无论在交通运输业，农业机械和工程机械中都占有统治地位,在此背景下，柴油机结构以及性能日趋完善，特别是对于在特殊环境下的使用柴油机，以及现代生活对于环保越来越重视因此在排放和能耗等方面要求也越来越严格。并且电子和计算机控制技术的成熟和应用越来越广泛，以及各国对于柴油机的发展趋向于高增压、轻量化、低油耗和低污染等，对传统柴油机已经不适合现代的发展需求。

本文针对这一问题设计了一套电子调速控制系统，其原理是基于模糊规则与PID控制来达到其调速目的，该系统的工作过程是模糊控制器中的模糊变量,得到模糊变量,并基于模糊控制算法得到输出变量的模糊量。最后,模糊控制器是通过模糊决策得到的三个输出变量K_p、T_i和T_d把它们作为PID控制器的最终参数量，从而使PID调节更精准的对柴油机进行调速然后,利用Matlab/Simulink进行仿真建模和仿真实验,然后对结果进行分析

关键词：柴油机；电子调速系统；PID调节；模糊规则；仿真实验

Abstract

The diesel engine has the advantages of good economy, wide power range, small volume, light weight, good maneuverability, high reliability, long service life and convenient maintenance. So, diesel oilengine whether in the transportation, agricultural machinery and construction machinery occupies a dominant position, in this context, the diesel engine structure and performance is increasingly perfect, especially for the use of diesel in special circumstances, as well as modern life for environmental protection more and more emphasis on emissions and energy requirements are increasingly stringent..With the development and application of electronic and computer control technology, it is more and more extensive. as well as the developing trend of diesel engine to high pressurization, lightweight, low fuel consumption and low pollution, the traditional diesel engine is not suitable for modern development. In this paper, a set of electronic speed control system is designed for this problem, the principle is based on fuzzy rules and PID control to achieve its speed, the work of the system is in the fuzzy controller through the input of fuzzy processing, the resulting fuzzy variables, and then according to the fuzzy control algorithm to get the output variable fuzzy quantity, Finally, three output variables of fuzzy controller are obtained by fuzzy decision KP, Ti and Td as the final parameters of PID controller, so that PID can adjust the speed of diesel engine more accurately. Then, the simulation results are obtained by using Matlab/simulink simulation modeling, and the results are analyzed.

Key words: Diesel Engine, Electronic Speed Regulation System; PID Regulation; Fuzzy Rules; Simulation Experiment.

目录

摘要 1

英文摘要 4

Abstract 4

第一章 绪论 5

1.2柴油机发展历史与现状 6

1.3本章小结 6

第二章 工作原理 7

2.1柴油机工作原理 7

2.1.1柴油机分类 7

2.1.2柴油机工作原理 8

2.2柴油机电子调速原理 9

2.2.1转速系统组成 9

2.3 本章小结 10

第三章 利用Matlab建立柴油机数学模型 11

3.1模糊控制工具箱 11

3.2 定义输入变量和输出变量 11

3.3 定义语言变量隶属函数 11

3.4 模糊控制规则的定义 11

3.5输出预览 12

3.7 控制规则 13

3.8 调速系统仿真 15

3.9 模糊 PID 自整定模型的建立 17

3.10 本章小结 18

第四章 模糊自整定PID控制 19

4.1模糊控制的基本原理 19

4.2 模糊控制系统结构的调整 20

4.3 PID控制器参数自整定原理 21

4.4 各变量隶属度函数的确定 22

4.5 仿真模型的总体结构 25

4.5本章小结 26

第五章 未来展望 27

5.1 结论 27

5.2 未来展望 27

第六章 致谢 28

参考文献 29

第一章 绪论

柴油机是将热能转换为机械能的一种动力机械。柴油机在工作过程中需要进行两次能量转化，第一次发生的能量转换是将燃油的化学能转换为热能，第二次的能量转换是将热能转换为机械能。因为在机械设备的内部完成了两次的能量转换，因此柴油机又可以归纳到内燃机行列中。在能量转化的角度来看，因此柴油机可以归纳为内燃机。从能量转换的角度来看,与其他内燃机相对比柴油机的机械所损失能量比较小,在热机领域具有最高的热效率,与其他内燃机相比柴油机具有经济性好、功率范围宽广、体积小、重量轻、操纵性相对简单、可靠性更加稳定、寿命长、维修简单容易等优点,柴油机的热效率可以达到50%以上。因此,柴油机无论是在运输行业制造中，还是在农业机械和工程机械中都占有统治地位。是其他内燃机所不具备的先天条件。
1.1研究的背景及意义

根据德国人奥托和R.Diesel提出的内燃机循环原理,于1876年和1897年分别产生了电点火式的四冲程煤气机和第一台使用液体燃料的内燃机,从此人类进入了内燃机时代,柴油机是继蒸汽机以后内燃机发展史上的有一个重要里程碑,为现代工业的发展奠定了夯实的基础。柴油机作为工业生产过程中的主要动力源泉,具有起动快、经济性好、功率范围宽广、维修简单容易、操纵性相对简单、使用寿命长、排放污染小等突出优点。在柴油机结构和性能以及电子控制技术越来越完善的条件下,柴油机在各种特殊工况下的使用显得更加尤为重要。以及现代生活对于环保越来越重视因此在排放，能耗以及高增压等方面的要求也越来越严格。现在伴随着电子和计算机控制技术的成熟和应用也越来越广泛,以及现在各国对于柴油机的发展更加趋向于高增压、轻量化、低油耗和低污染等要求,现在对传统柴油机的需求已经不再适应现代社会发展的需要,因此，对于现在社会经济发展用户更加希望获得一种机动性能更灵活、操作更加简单方便、智能化集成度更高的柴油机。基于上述因素,柴油机电子调速技术的出现将会肩负着重要的使命。转速是衡量柴油机性能是否优越的重要指标之一。传统的调速方法大多是机械式或机械式液压机构。但是,由于惯性质量、摩擦阻力和简单控制规律的影响,机构的速度控制精度难以进一步提高,难以准确估计外界条件的变化，并且由于使用时间的增长那么将会对柴油机的精确度造成越来越大的影响。因此,为了保证柴油机的稳定运行,先进的电子调速技术不仅可以提高柴油机的调速精度,而且为柴油机的自动化的集成度和智能化的集成度提供理论依据和实践经验。对电控喷射柴油机和高压共轨柴油机的后续的发展提供了强有力的保障。电子调速控制技术还可以减少燃料的消耗从而降低了柴油机的能耗提高了经济性，电子调速系统可以使柴油机的排放达到符合国家标准甚至达到国际标准的重要依靠。

1.2柴油机发展历史与现状

柴油机自1897年MAN研制出第一台液体燃料内燃机以后，并且从使柴油机在现在工业发展中得到了飞速的发展如下图1.1所示

柴油机自1897年MAN研制出第一台液体燃料内燃机以后，柴油机在现在工业生产中得到了快速发展。如先进的电子控制技术,在柴油机性能控制的应用中已经在不断的提高,它不仅能够满足用户对柴油机的性能日益严格的要求,而且能有效的控制柴油机的能耗。并且在柴油机中引入的电子控制技术也能使柴油机从传统的纯机械或者机械一电集成产品发展成为一机一体的智能化产品。它将成为内燃机发展史里程碑中一次重要的技术变革,也可以使柴油机经济化性、功率、智能化控制集成度和可靠性带来了重要的改进。先进的电子控制技术将成为未来柴油机发展的一个重要方向,也将成为判断柴油机性能是否优越的一个重要指标。同时也是柴油机发展的一个重要准则。

1.3本章小结

本章主要的内容是介绍柴油机的发展史，柴油机在未来的发展方向以及电子调速控制系统在柴油机中所占据的地位。电子调速系统在柴油机以后的发展中将会具有无法替代的重要地位，电子调速系统将会是衡量柴油机智能化集成度的一个重要指标。电子调速系统将会为柴油机节能减排方面做出巨大的贡献。

第二章 工作原理

2.1柴油机工作原理

2.1.1柴油机分类

按照工作循环方式可分为四冲程和二冲程两种类型柴油机。四冲程柴油机是曲轴旋转720度完成一个工作循环。二冲程柴油机是曲轴旋转360度,完成一个工作循环。

根据进气方式的方式可分为涡轮增压型柴油机和非涡轮增压型柴油机（即，自然吸气型）。涡轮增压型柴油机与非涡轮增压型柴油机区别在于所进气压力不同非增压柴油机是在大气压力下进气的,然而增压柴油机则是在较高的压力下进气的，但是现在市场上涡轮正压型柴油机所占的比例较高，因为在同种功率下涡轮增压型柴油机相比非增压型柴油机的输出功率更高。
根据转速度柴油机可以分为低速、中速和高速三种类型柴油机：

1. 低速柴油机n≤300 r/min；
2. 中速柴油机300 r/minlt;n≤1000 r/min
3. 高速柴油机ngt;1000 r/min

柴油机又可以分为缸活塞式柴油机和十字头式柴油机。缸活塞式柴油机通过活塞销直接与连杆连接。这种结构的优点是结构简单、紧凑、便携,且发动机高度相对较低。缺点是运动中存在侧向推力,活塞与气缸之间的磨损相对较大。十字头柴油机的活塞设有活塞杆,通过十字头与连杆连接,气缸下部设置隔板,使气缸与曲轴箱分离。十字头柴油机工作可靠,寿命长。它的缺点是其重量和高度很大，结构相对比较复杂。现在大型二冲程柴油机一般都采用的是十字头这种结构。

根据柴油机气缸布置形式可以分为以下几种直列式柴油机、V柴油机、W柴油机等。直列式柴油机由于曲轴刚度以及安装上的限制直列式柴油机一般不会超过十二个缸。当缸数超过十二一般采用V形柴油机，并且共享一根曲轴输出功率。V形柴油机的气缸数可以达到十八个甚至二十四个，以后甚至气缸数有可能越来越多，气缸夹角通常为90度、60度和45度。V形机具有较高的单机功率和较小的比重量，在中高速柴油机中使用比较多。

2.1.2柴油机工作原理

四冲程柴油机的工作过程

第一冲程-进气冲程,当空气进入气缸时相应的活塞行程。

活塞从上止点开始,进气门A打开。随着气缸容积的增加,气缸压力将下降,这取决于气缸和大气之间的压力差（即内外压力差）,新鲜空气将会通过进气阀被吸入气缸。进气阀通常在到达TDC之前先打开活塞进气阀。(曲柄位于点1),然后在到达TDC之后关闭进气阀(曲柄位于点2)。曲轴的角度(阴影线的角度)表示近期的角度。第二行程压缩行程对应于工作流体在气缸中被压缩时相应的活塞行程。

第二行程-压缩冲程，工质在气缸内被压缩时相应的活塞行程。

活塞从底部死点开始向上运动,只有当进气门A关闭(点2),直到上死点(点3)开始停止时,压缩才开始。在第一次冲程吸入的新鲜气体后将会被进行压缩,压力可以增加到3-6MPa,并且温度可以上升到600~700摄氏度(燃料自燃的温度一般为210-270摄氏度)。压缩终点的压力和温度用符号表示。在压缩过程的后期,燃料喷射器C被会被喷射到气缸燃料室中,并且与高温空气进行混合、加热和自点燃。曲轴角所转度表示的为压缩过程。

第三行程-燃烧与膨胀冲程，工质在气缸内燃烧膨胀时所推动活塞对所移动的行程。

当活塞靠近TDC时,由于燃料的强烈燃烧,将会使气缸内的压力和温度急剧增加。当气缸压力达到5~8MPa时,甚至气缸压力可将高达15MPa以上,温度将会达到1400-1800摄氏度或者更高。燃烧时的最高温度压力可以进行单独表示。高温高压气体(工作流体)的膨胀将会推动活塞向下运动。随着气缸容积逐渐增大,压力将会下降,在到达TDC后的一定时间(点4)后,燃烧基本完成。当膨胀过程结束后,直到排气阀B打开,并且在膨胀结束时气缸内的气体压力将会达到250~450kPa。此时气体温度将会为600-700摄氏度。与进气阀类似,排气阀B在到达下死点之前将会打开(点5)。曲轴所转角度表示燃烧和膨胀的过程。

第四行程-排气行程，废气从气缸内排出时的相应行程。

在最后一次行程结束时,也就是当排气阀B打开时,此时活塞仍然处于下侧,排气通过气缸内外的压力差然后排出排气阀外。当活塞从下止点开始上升时,此时排气由活塞从下止点向上止点将会进行运动,排气过程的气压将会是略高于大气压的,当压力差几乎为时零也就是气压基本不变时进行。排气阀在关闭之前将会一直延迟到上止点(点6)。曲轴所转角度将会表示排气的连续角度。

只有进行了上述的四个行程,才算完成了一个工作循环。当活塞继续运动时才开始了下一个循环并且又将会按照同样的顺序重复的进行。当四冲程柴油机完成一个工作循环时,曲轴需要旋转两周(即，720度)。

每个工作循环只有第三个行程(即,膨胀行程)是对外进行做工,其余三个行程为膨胀行程做准备工作的。柴油机通常是由多个气缸组成,因此进气、压缩和排气冲程的能量均可以由正在工作的其他气缸来进行提供。如果柴油机为单缸柴油机,那么其能量将是由大飞轮进行供给。如图中所展示的出的气缸在工作循环中的气压将会随活塞位移(气缸容积)的变化而变化。工作循环线的组合，将会形成了柴油机的示功图。在压缩做工过程进行时,气缸内气体的压力和容积是同时发生变化的。示功图的最终目的是可用来研究柴油机工作过程所出现的情况,也可以用来计算柴油机一个工作循环的指示功。

2.2柴油机电子调速原理

2.2.1转速系统组成

柴油机、电子调速器和负载装置组成了柴油机电子调速系统的主要部分（即，柴油机转速系统）。调速器主要由速度传感器、控制器和执行机构组成。调速系统的结构如下图所示

在整个转速控制系统中,我们将控制器的转速设定信号和柴油机转速反馈信号将会按预定的采样间隔所进行取样,并且利用单片机的工作原理来对转速信号与柴油机的转速信号来进行比较。当反馈速度偏离系统所设定速度时,系统将会采取计算速度环控制算法。并且将其作为齿条位置的给定信号,将结果与位置传感器采集的信号(即，实际齿条位置信号)进行比较,然后再通过位置环控制算法计算输出PWM的驱动信号。信号经过处理后,将会由执行器拉动油泵齿条,从而来调整柴油机的循环供油,使柴油机以设定的速度来进行稳定运行,达到实现双闭环调速的整体过程。本文将将采用模糊自整定PID控制外环控制(即，速度环),仍然需要对内回路(即，位移环)来进行控制。也就是采用模糊自整定PID的方式来进行控制。

2.3 本章小结

本章主要介绍了柴油机的工作原理其总包括柴油机的四个行程，分别说明了柴油机的进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程以及排气冲程的作用和工作原理以及每个冲程的作用。在本章还添加了四冲程柴油机的工作原理图，读者可以通过柴油机的四冲程柴油机的工作原理图与四冲程柴油机的每个冲程的工作原理进行对比可以更加清楚明白四冲程柴油机的工作原理。接下来介绍的是柴油机转数系统的组成和转速控制系统的工作原理，以及转速系统将采用和种方式进行控制，本文将会采用模糊自整定PID方式对柴油机转数系统进行控制，借助Matlab/Simlink进行仿真。

第三章 利用Matlab建立柴油机数学模型

3.1模糊控制工具箱

模糊控制工具箱是用于模糊推理和模糊控制器仿真所设计的工具箱。它主要集成了FIS编辑器、隶属函数编辑器、模糊规则编辑器、规则浏览器和输出预览等可视化工具,这样的设计方法将会使模糊控制的开放性变得更加简单、方便。在模糊控制的设计中,Matlab/Similink中的模糊控制工具箱是可以用使输入和输出变量更加方便了我们了解语言变量的隶属函数的定义,模糊控制规则,以及输入和输出的预览。同时,我们所设计的模糊控制系统可以在Matlab中传递到控制系统的模型框图中。这样可以使我们在仿真平台上进行

3.2 定义输入变量和输出变量

在Matlab仿真系统中，其中FIS编辑器是进行模糊推理系统的主界面,我们将可以通过主菜单来进行自由方便地选择 。在Matlab的模糊控制工具箱中我们可以通过很多途径办法进入FIS编辑器 ,并且设计者可以在FIS编辑器中进行任意的设置模糊控制器的模糊算子、以及输入变量和输出变量的个数、模糊变量的名称以及所采用解模糊的方法从而来定义输入变量和输出变量。

FIS编辑器是整个模糊推理系统的主要接口,并且我们将可以通过主菜单来进行更加自由方便地选择。在Matlab的模糊控制工具箱中,我们也可以通过多种方式进入FIS编辑器,设计者也可以定义FIS编辑器中的模糊算子、输入变量和输出变量的数目、模糊变量的名称也可以采用歧义消解的方法来定义输入变量和输出变量。

3.3 定义语言变量隶属函数

在FIS编辑器中双击输入变量或者输出变量的文本框,然后进入输入变量和输出变量隶属函数编辑器的主界面,我们的主要目的是用来编辑模糊变量的隶属函数。隶属函数编辑器可以更加方便地来定义隶属函数所属类型。除了本文将会所选择的三角形外,其中还存在很多类型其中包括梯形和高斯形状等11种类型之多。其中域可以设置为[-3.3]。所有变量的模糊集也是Nb、Nm、Ns、O、Ps、Pm、Pb。

3.4 模糊控制规则的定义

在Fuzzy函数编辑器中的编辑菜单下我们可以选择FIS编辑器或者编辑规则的子菜单,或者我们可以双击FIS编辑器中可以通过流程图中的规则框从而进入模糊规则编辑器的主界面。其中模糊规则编辑框是文本编辑框,设计者需要根据规则编写模糊规则来进行编写规则。通过所编写的模糊规则,从而计算机将会通过根据模糊推理合成规则来进行计算模糊矩阵。以及包括它的冗长的格式:

IF(E is NS)and(EC is NS)then(U is PS);

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