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1、(10)申请公布号 CN 103527335 A (43)申请公布日 2014.01.22 CN 103527335 A (21)申请号 201310533359.0 (22)申请日 2013.10.31 F02D 41/26(2006.01) (71)申请人 易小兵 地址 430010 湖北省武汉市水上地区中山大 道 1166 号 (72)发明人 易小兵 (74)专利代理机构 北京超凡志成知识产权代理 事务所 ( 普通合伙 ) 11371 代理人 吴开磊 (54) 发明名称 电控柴油机速度控制方法、 装置及电控柴油 机 (57) 摘要 本发明提供了一种电控柴油机速度控制方 法、 装置及电控柴。
2、油机， 涉及柴油机技术领域， 所 述方法包括 ： 提供基于滑模变结构控制算法得到 的电控柴油机速度控制关系 ； 利用该关系对电控 柴油机进行速度控制。本发所提供的装置包括 ： 滑模变结构控制器， 用于提供基于滑模变结构控 制算法得到的电控柴油机速度控制关系 ； 控制执 行装置， 用于利用电控柴油机速度控制关系对电 控柴油机进行速度控制。本发明所提供的柴油机 包括 ： 电控柴油机主体及电控柴油机速度控制装 置 ； 电控柴油机速度控制装置。本发明所提供的 电控柴油机速度控制方法、 装置及电控柴油机基 于滑模变结构控制算法实现对电控柴油机的速度 控制能够提高电控柴油机速度控制的稳定性。 (51)In。
3、t.Cl. 权利要求书 3 页 说明书 7 页 附图 7 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书3页 说明书7页 附图7页 (10)申请公布号 CN 103527335 A CN 103527335 A 1/3 页 2 1. 电控柴油机速度控制方法， 其特征在于， 包括 ： 提供基于滑模变结构控制算法得到的电控柴油机速度控制关系 ； 利用所述电控柴油速度控制关系对电控柴油机进行速度控制。 2. 根据权利要求 1 所述的方法， 其特征在于， 所述提供基于滑模变结构控制算法得到 的电控柴油机速度控制关系， 包括 ： 提供电控柴油机的转速 - 转矩 - 喷油量关系。
4、模型 ； 采用滑模变结构控制算法， 根据所述转速-转矩-喷油量关系模型， 拟合计算得到滑模 变结构控制器的控制关系。 3.根据权利要求2所述的方法， 其特征在于， 所述电控柴油机的转速-转矩-喷油量关 系模型， 包括 ： 在电控柴油机的喷油提前角为确定值的前提下， 对应电控柴油机的不同转速建立转 速、 转矩及喷油量的关系式， 且该关系式为 ： 其中， d1、 d2、 d3、 d4、 d5 及 d6 分别为拟合系数， n 为转速， Ml表示多变量复杂函数， J 为 电控柴油机及包括其负载在内的总的等效转动惯量， f(Ml) 表示所述多变量复杂函数与所 述等效转动惯量之间的转动惯量函数关系式， u。
5、 与喷油量的数值相等， 在滑模变结构控制器 中表示喷油控制量， 表示转速一次导函数。 4. 根据权利要求 3 所述的方法， 其特征在于， 所述拟合计算得到滑模变结构控制器的 控制关系， 包括 ： 拟合计算得到滑模变结构控制器的动态方程， 该方程为 ： 根据所述动态方程， 结合指数趋近律， 解算得到喷油控制量与转速之间的控制关系， 为 ： 其中， 为指数趋近律， 其关系式为且 和 k 均为大于 0 的常 数， s 为趋近控制变量 ； 权 利 要 求 书 CN 103527335 A 2 2/3 页 3 k1表示离散采样时间值， n(k1) 表示 k1采样时刻的转速， n(k1)=n(k1)-n(。
6、k1-1) 表示 (k1-1) 采样时刻与 k1采样时刻的转速之差， 为采样周期， f(k1) 为 f(Ml) 在 k1采样时 刻的函数值， u(k1-1) 为喷油控制量 (k1-1) 采样时刻的函数值， c 为常数， u+(k1) 表示正向 趋近 k1采样时刻喷油控制量的极限值， u-(k1) 表示负向趋近 k1采样时刻喷油控制量的极限 值， u0(k1) 表示 k1采样时刻喷油控制量的取值。 5. 电控柴油机速度控制装置， 其特征在于， 包括 ： 滑模变结构控制器， 用于提供基于滑模变结构控制算法得到的电控柴油机速度控制关 系 ； 控制执行装置， 用于利用所述电控柴油机速度控制关系对电控柴。
7、油机进行速度控制。 6. 根据权利要求 5 所述的装置， 其特征在于， 所述滑模变结构控制器， 包括 ： 模型提供模块， 用于提供电控柴油机的转速 - 转矩 - 喷油量关系模型 ； 控制关系提供模块， 用于采用滑模变结构控制算法， 根据所述转速-转矩-喷油量关系 模型， 拟合计算得到滑模变结构控制器的控制关系。 7. 根据权利要求 6 所述的装置， 其特征在于， 所述模型提供模块， 包括 ： 数据采集单元， 用于采集电控柴油机的喷油提前角、 转速、 转矩及喷油量 ； 模型建立及提供单元， 用于根据采集的所述喷油提前角、 转速、 转矩及喷油量 ； 并用于 在电控柴油机的喷油提前角为确定值的前提下。
8、， 对应电控柴油机的不同转速建立转速、 转 矩及喷油量的关系式， 且该关系式为 ： 其中， d1、 d2、 d3、 d4、 d5及 d6分别为拟合系数， n 为转速， Ml表示多变量复杂函数， J 为电 控柴油机及包括其负载在内的总的等效转动惯量， f(Ml) 表示所述多变量复杂函数与所述 等效转动惯量之间的转动惯量函数关系式， u 与喷油量的数值相等， 在滑模变结构控制器中 表示喷油控制量， 表示转速一次导函数。 8. 根据权利要求 7 所述的装置， 其特征在于， 所述控制关系提供模块， 包括 ： 动态方程建立单元， 用于拟合计算得到滑模变结构控制器的动态方程， 该方程为 ： 控制关系生成单。
9、元， 用于根据所述动态方程， 结合指数趋近律， 解算得到喷油控制量与 转速之间的控制关系， 为 ： 权 利 要 求 书 CN 103527335 A 3 3/3 页 4 其中， 为指数趋近律， 其关系式为且 和 k 均为大于 0 的常 数 ； k1表示离散采样时间值， n(k1) 表示 k1采样时刻的转速， n(k1)=n(k1)-n(k1-1) 表示 (k1-1) 采样时刻与 k1采样时刻的转速之差， 为采样周期， f(k1) 为 f(Ml) 在 k1采样时 刻的函数值， u(k1-1) 为喷油控制量 (k1-1) 采样时刻的函数值， c 为常数， u+(k1) 表示正向 趋近 k1采样时刻。
10、喷油控制量的极限值， u-(k1) 表示负向趋近 k1采样时刻喷油控制量的极限 值， u0(k1) 表示 k1采样时刻喷油控制量的取值。 9. 电控柴油机， 其特征在于， 包括 ： 电控柴油机主体及电控柴油机速度控制装置 ； 所述电控柴油机速度控制装置， 用于提供基于滑模变结构控制算法得到的电控柴油机 速度控制关系 ； 并用于利用所述电控柴油机速度控制关系对所述电控柴油机主体进行速度 控制。 权 利 要 求 书 CN 103527335 A 4 1/7 页 5 电控柴油机速度控制方法、 装置及电控柴油机 技术领域 0001 本发明涉及柴油机技术领域， 具体而言， 涉及电控柴油机速度控制方法、 。
11、装置及电 控柴油机。 背景技术 0002 目前， 电控柴油机的速度控制方法中主要采用比例、 积分、 微分控制方法， 即 PID 控制方法。 0003 采用 PID 控制方法对柴油机的速度进行控制计算时， 将柴油机的转矩与速度进行 线性化近似， 该种近似虽然简化了柴油机速度控制的算法， 但由于柴油机的动力特性具有 非线性特点， 该种简化使得电控柴油机的速度控制存在一定控制误差， 且由于 PID 控制算 法自适应性及鲁棒性的限制， 导致电控柴油机的速度控制的稳定性较差。 发明内容 0004 本发明的目的在于提供电控柴油机速度控制方法、 装置及电控柴油机， 以解决上 述的问题。 0005 在本发明的。
12、实施例中提供了电控柴油机速度控制方法， 包括 ： 0006 提供基于滑模变结构控制算法得到的电控柴油机速度控制关系 ； 0007 利用所述电控柴油速度控制关系对电控柴油机进行速度控制。 0008 电控柴油机速度控制装置， 包括 ： 0009 滑模变结构控制器， 用于提供基于滑模变结构控制算法得到的电控柴油机速度控 制关系 ； 0010 控制执行装置， 用于利用所述电控柴油速度控制关系对电控柴油机进行速度控 制。 0011 电控柴油机， 包括 ： 电控柴油机主体及电控柴油机速度控制装置 ； 0012 所述电控柴油机速度控制装置， 用于提供基于滑模变结构控制算法得到的电控柴 油机速度控制关系 ； 。
13、并用于利用所述电控柴油机速度控制关系对所述电控柴油机主体进行 速度控制。 0013 本发明实施例提供的电控柴油机速度控制方法、 装置及电控柴油机， 基于滑模变 结构控制算法得到电控柴油机速度控制关系， 并利用该控制关系对电控柴油机进行速度控 制， 因为滑模变结构控制方法为非线性控制方法， 与 PID 线性近似控制相比， 滑模变结构控 制方法降低速度控制误差， 且滑模变结构控制方法的鲁棒性较强， 受系统参数影响较小， 抗 干扰性较强， 因此， 本发明实施例中的电控柴油机速度控制方法、 装置及电控柴油机基于滑 模变结构控制算法实现对电控柴油机的速度控制能够提高电控柴油机速度控制的稳定性。 附图说明。
14、 0014 图 1 示出了本发明实施例电控柴油机速度控制方法的流程图 ； 说 明 书 CN 103527335 A 5 2/7 页 6 0015 图 2 示出了本发明实施例电控柴油机控制装置的结构示意图 ； 0016 图 3 示出了本发明实施例螺旋桨特性负载转速的分析曲线图 ； 0017 图 4 示出了本发明实施例电力拖动特性负载转速的分析曲线图 ； 0018 图 5 示出了本发明实施例定转矩负载转速的分析曲线图 ； 0019 图 6 示出了本发明实施例道路特性负载转速的分析曲线图 ； 0020 图 7 示出了本发明实施例螺旋桨特性负载喷油的分析曲线图 ； 0021 图 8 示出了本发明实施例。
15、电力拖动特性负载喷油的分析曲线图 ； 0022 图 9 示出了本发明实施例定转矩特性负载喷油的分析曲线图 ； 0023 图 10 示出了本发明实施例道路特性负载喷油的分析曲线图 ； 0024 图 11 示出了本发明实施例螺旋桨特性负载转矩的分析曲线图 ； 0025 图 12 示出了本发明实施例电力拖动特性负载转矩的分析曲线图 ； 0026 图 13 示出了本发明实施例定转矩特性负载转矩的分析曲线图 ； 0027 图 14 示出了本发明实施例道路特性负载转矩的分析曲线图。 具体实施方式 0028 下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。 0029 本发明实施例提供一种电控柴油。
16、机速度控制方法， 如图 1 所示， 主要处理步骤包 括 ： 0030 S11 ： 提供基于滑模变结构控制算法得到的电控柴油机速度控制关系 ； 0031 S12 ： 利用电控柴油速度控制关系对电控柴油机进行速度控制。 0032 本发明实施例的电控柴油机速度控制方法中， 基于滑模变结构控制算法得到电控 柴油机速度控制关系， 并利用该控制关系对电控柴油机进行速度控制， 因为滑模变结构控 制方法为非线性控制方法， 与 PID 线性近似控制相比， 滑模变结构控制方法降低速度控制 误差， 且滑模变结构控制方法的鲁棒性较强， 受系统参数影响较小， 抗干扰性较强， 因此， 本 发明实施例中基于滑模变结构控制算。
17、法实现对电控柴油机的速度控制能够提高电控柴油 机速度控制的稳定性。 0033 步骤 S11 中， 提供基于滑模变结构控制算法得到的电控柴油机速度控制关系， 包 括 ： 提供电控柴油机的转速 - 转矩 - 喷油量关系模型 ； 采用滑模变结构控制算法， 根据转 速 - 转矩 - 喷油量关系模型， 拟合计算得到滑模变结构控制器的控制关系。 0034 电控柴油机的转速-转矩-喷油量关系模型， 包括 ： 在电控柴油机的喷油提前角为 确定值的前提下， 对应电控柴油机的不同转速建立转速、 转矩及喷油量的关系式， 且该关系 式为 ： 0035 0036 0037 其中， d1、 d2、 d3、 d4、 d5及。
18、 d6分别为拟合系数， n 为转速， Ml表示多变量复杂函数， J 为电控柴油机及包括其负载在内的总的等效转动惯量， f(Ml) 表示多变量复杂函数与等效 转动惯量之间的转动惯量函数关系式， u 与喷油量的数值相等， 在滑模变结构控制器中表示 说 明 书 CN 103527335 A 6 3/7 页 7 喷油控制量， 表示转速一次导函数。 0038 另外， 因为转矩 T=9550P/n， P 为电控柴油机的功率， n 为转速， 在拟合计算转速、 转 矩及喷油量的关系式的过程中， 转矩被等效代换。 0039 本发明实施例中进一步采用滑模变结构控制算法， 根据转速 - 转矩 - 喷油量关系 模型，。
19、 拟合计算得到滑模变结构控制器的控制关系， 包括 ： 拟合计算得到滑模变结构控制器 的动态方程， 具体计算过程为 ： 0040 在转速、 转矩及喷油量的关系式中任一采样时刻n 及 u 均为已知值， 且 di （i=1,2,6） 为固定值， 因此 f(Ml) 可求。 0041 设x2=e=n0-n， 则有 x1及 x2的一次导函数分别为 0042 0043 设切换函数 S=cx1+x2， c 为常数， 则 0044 0045 取指数趋近律且 和 k 均为大于 0 的常数， s 为趋近控制 变量 ； 0046 0047 为采样周期， n(k1)=n(k1)-n(k1-1) ； 0048 由此得到滑。
20、模变结构控制器的动态方程， 该方程为 ： 0049 0050 根据动态方程， 结合指数趋近律， 解算得到喷油控制量与转速之间的控制关系， 为 ： 0051 0052 其中， 为指数趋近律， 其关系式为且 和 k 均为大于 0 的常数， s 为趋近控制变量 ； 说 明 书 CN 103527335 A 7 4/7 页 8 0053 k1表示离散采样时间值， n(k1)表示k1采样时刻的转速， n(k1)=n(k1)-n(k1-1)表 示 (k1-1) 采样时刻与 k1采样时刻的转速之差， 为采样周期， f(k1) 为 f(Ml) 在 k1采样 时刻的函数值， u(k1-1) 为喷油控制量 (k1。
21、-1) 采样时刻的函数值， c 为常数， u+(k1) 表示正 向趋近 k1采样时刻喷油控制量的极限值， u-(k1) 表示负向趋近 k1采样时刻喷油控制量的极 限值， u0(k1) 表示 k1采样时刻喷油控制量的取值。 0054 对于滑模变结构控制来说， c， k、 均为常数。参数 k, 二者为喷油控制量的状 态收敛的关键因数。通过式分析， k, 越大， 收敛的速度越大。增大 k, 可以缩短系统收敛平衡点的时间， 然而太大的 k, 会有负作用， 会产生控制系统在收 敛至滑模面时， 因惯性系统状态会来回穿越滑模面而产生抖振， 其的强度由 k, 来决定。 0055 简化喷油控制量与转速之间的控制。
22、关系为， 0056 0057 本发明实施例中还提供一种电控柴油机速度控制装置， 如图 2 所示， 包括 ： 滑模变 结构控制器 21， 用于提供基于滑模变结构控制算法得到的电控柴油机速度控制关系 ； 控制 执行装置 22， 用于利用电控柴油速度控制关系对电控柴油机进行速度控制。 0058 滑模变结构控制器， 包括 ： 模型提供模块， 用于提供电控柴油机的转速 - 转矩 - 喷 油量关系模型 ； 控制关系提供模块， 用于采用滑模变结构控制算法， 根据转速 - 转矩 - 喷油 量关系模型， 拟合计算得到滑模变结构控制器的控制关系。 0059 模型提供模块， 包括 ： 数据采集单元， 用于采集电控柴。
23、油机的喷油提前角、 转速、 转 矩及喷油量 ； 模型建立及提供单元， 用于根据采集的喷油提前角、 转速、 转矩及喷油量 ； 并 用于在电控柴油机的喷油提前角为确定值的前提下， 对应电控柴油机的不同转速建立转 速、 转矩及喷油量的关系式， 且该关系式为 ： 0060 0061 0062 其中， d1、 d2、 d3、 d4、 d5 及 d6 分别为拟合系数， n 为转速， Ml表示多变量复杂函数， J 为电控柴油机及包括其负载在内的总的等效转动惯量， f(Ml) 表示多变量复杂函数与等效 转动惯量之间的转动惯量函数关系式， u 与喷油量的数值相等， 在滑模变结构控制器中表示 喷油控制量， 表示转。
24、速一次导函数。 0063 控制关系提供模块， 包括 ： 动态方程建立单元， 用于拟合计算得到滑模变结构控制 说 明 书 CN 103527335 A 8 5/7 页 9 器的动态方程， 该方程为 ： 0064 0065 控制关系生成单元， 用于根据动态方程， 结合指数趋近律， 解算得到喷油控制量与 转速之间的控制关系， 为 ： 0066 0067 其中， 为指数趋近律， 其关系式为且 和 k 均为大于 0 的常数 ； 0068 k1表示离散采样时间值， n(k1)表示k1采样时刻的转速， n(k1)=n(k1)-n(k1-1)表 示 (k1-1) 采样时刻与 k1采样时刻的转速之差， 为采样周。
25、期， f(k1) 为 f(Ml) 在 k1采样 时刻的函数值， u(k1-1) 为喷油控制量 (k1-1) 采样时刻的函数值， c 为常数， u+(k1) 表示正 向趋近 k1采样时刻喷油控制量的极限值， u-(k1) 表示负向趋近 k1采样时刻喷油控制量的极 限值， u0(k1) 表示 k1采样时刻喷油控制量的取值。 0069 本发明实施例中该提供一种电控柴油机， 包括 ： 电控柴油机主体及电控柴油机速 度控制装置 ； 电控柴油机速度控制装置， 用于提供基于滑模变结构控制算法得到的电控柴 油机速度控制关系 ； 并用于利用电控柴油机速度控制关系对电控柴油机主体进行速度控 制。 0070 本发明。
26、实施例的电控柴油机速度控制中， 电控柴油机的转速 n65 转 / 分时， 喷油 器开始喷油 ； 此时需要赋初值 u(k1-1)， 同时喷油量不断增加， 柴油机速度也快速增加直到 怠速。 0071 本发明实施例电控柴油机速度控制中采用的滑模变结构控制算法具有抗干扰能 力强和鲁棒性强， 速度控制较稳定， 超调量和稳态误差较小和响应速度较快的优点。 0072 本发明实施例的电控柴油机速度控制方法能够应用于不同负载模式的电控柴油 机， 为验证该控制方法的适用性和控制特性， 本发明中还进一步对不同负载模式的电控柴 油机进行试验， 并对控制过程中， 柴油机转速， 喷油量和转矩进行对比分析。 0073 如图。
27、 3 所示， 为螺旋桨特性负载转速的分析曲线图， 其中横坐标轴为时间值 （单位 为秒） ， 纵坐标轴为转速值 ； 0074 如图 4 所示， 为电力拖动特性负载转速的分析曲线图， 其中横坐标轴为时间值 （单 位为秒） ， 纵坐标轴为转速值 ； 说 明 书 CN 103527335 A 9 6/7 页 10 0075 如图 5 所示， 为定转矩负载转速的分析曲线图， 其中横坐标轴为时间值 （单位为 秒） ， 纵坐标轴为转速值 ； 0076 如图 6 所示， 为道路特性负载转速的分析曲线图， 其中横坐标轴为时间值 （单位为 秒） ， 纵坐标轴为转速值 ； 0077 图 3 至图 6 的分析曲线图中。
28、， 转速值的定量单位相同。 0078 通过对图 3 至图 6 的分析， 可以看出对于 4 种负载特性的电控柴油机， 通过采用本 发明实施例的滑模变结构控制算法控制转速， 转速变化不大， 对100%加负荷和100%减负荷 抗干扰强， 稳态误差和瞬态误差在可控范围之内， 速度波动不大。 0079 如图 7 所示， 为螺旋桨特性负载喷油的分析曲线图， 其中横坐标轴为时间值 （单位 为秒） ， 纵坐标轴为喷油值 ； 0080 如图 8 所示， 为电力拖动特性负载喷油的分析曲线图， 其中横坐标轴为时间值 （单 位为秒） ， 纵坐标轴为喷油值 ； 0081 如图 9 所示， 为定转矩特性负载喷油的分析曲线。
29、图， 其中横坐标轴为时间值 （单位 为秒） ， 纵坐标轴为喷油值 ； 0082 如图 10 所示， 为道路特性负载喷油的分析曲线图， 其中横坐标轴为时间值 （单位 为秒） ， 纵坐标轴为喷油值 ； 0083 图 7 至图 10 的分析曲线图中， 喷油值的定量单位相同。 0084 通过对图 7 至图 10 的分析， 可以看出对于 4 种负载特性的电控柴油机， 采用本发 明实施例的滑模变结构控制算法进行控制， 该 4 种负载特性的电控柴油机的喷油的高峰值 相差较小， 在60s至140s时喷油量差值较大， 其中定转矩特性负载的电控柴油机喷油最低， 电力拖动特性负载电控柴油机的喷油最高。 0085 如。
30、图 11 所示， 为螺旋桨特性负载转矩的分析曲线图， 其中横坐标轴为时间值 （单 位为秒） ， 纵坐标轴为转矩 ； 0086 如图 12 所示， 为电力拖动特性负载转矩的分析曲线图， 其中横坐标轴为时间值 （单位为秒） ， 纵坐标轴为转矩 ； 0087 如图 13 所示， 为定转矩特性负载转矩的分析曲线图， 其中横坐标轴为时间值 （单 位为秒） ， 纵坐标轴为转矩 ； 0088 如图 14 所示， 为道路特性负载转矩的分析曲线图， 其中横坐标轴为时间值 （单位 为秒） ， 纵坐标轴为转矩 ； 0089 图 11 至图 14 的分析曲线图中， 转矩的定量单位相同。 0090 通过对图 11 至图。
31、 14 的分析， 可以看出对于 4 种负载特性的电控柴油机， 采用本发 明实施例的滑模变结构控制算法进行控制， 转矩的高峰值相差值较小， 在 60s 至 140s 时转 矩差值较大， 其中定转矩特性负载电控柴油机的转矩最低， 螺旋桨特性负载电控柴油机的 转矩最高。 0091 通过 4 种不同负载的电控柴油机基于滑模变结构速度控制的分析， 说明本发明实 施例中的电控柴油机速度控制方法在柴油机速度控制方面， 适应性强， 具有抗干扰能力， 不 受系统参数变化的影响， 不受负载变化的影响。在 4 种不同的负载条件下， 滑模变结构控制 稳态误差小 0.5% 之内， 瞬态误差为 5% 之内。并且 4 种负。
32、载条件下， 响应的时间均在 5 秒左 右， 时间差别不大。表现出滑模变结构控制适应性强， 适用不同条件。 说 明 书 CN 103527335 A 10 7/7 页 11 0092 以上仅为本发明的优选实施例而已， 并不用于限制本发明， 对于本领域的技术人 员来说， 本发明可以有各种更改和变化。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。 说 明 书 CN 103527335 A 11 1/7 页 12 图 1 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 103527335 A 12 2/7 页 13 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 103527335 A 13 3/7 页 14 图 6 图 7 说 明 书 附 图 CN 103527335 A 14 4/7 页 15 图 8 图 9 说 明 书 附 图 CN 103527335 A 15 5/7 页 16 图 10 图 11 说 明 书 附 图 CN 103527335 A 16 6/7 页 17 图 12 图 13 说 明 书 附 图 CN 103527335 A 17 7/7 页 18 图 14 说 明 书 附 图 CN 103527335 A 18 。