工程机械发动机电脑控制系统的研究与开发

作者：高文中 贾粮棉 王满增

欢迎访问e展厅 展厅 1 发动机展厅 汽油发动机, 柴油机, 船用柴油机, 天然气发动机, 气缸及部件, ... 目前世界上先进的工程机械控制主要使用三块电脑，第一块是发动机控制器(简称ECU)；第二块是泵阀控制器(简称PVC)；第三块是电子监控系统。电脑控制的工程机械具有自动化程度高、操作轻便、安全舒适、生产效率高、节能降耗的特点。国产工程机械在机械技术方面和进口机械差不多；在液压系统方面通过更换液压元件也和进口机械不相上下，但在电控方面和国外产品相比，差距较大，近年来刚刚起步。 本研究使用微型计算机控制技术，采用最新控制理论和技术成果，在国产工程机械现有的机械技术和液压技术的基础上，研制开发发动机电脑控制系统，以提高整机的自动化和智能化水平，使发动机工作更稳定、更可靠。 1 总体设计方案 本设计是在国产工程机械现有的机械和液压技术的基础上，增加测控装置，实现发动机电脑控制。控制系统方案框图如图1所示，虚线为原机部件，实线为新增测控系统。系统主要由发动机油门控制器、油门执行器、油门刻度盘、监控仪表和蓄电池继电器等组成。 1.1 功能原理 (1)发动机转速自动控制 系统上电后，CPU通过对油门设定信号和油门位置反馈信号的检测、计算和处理，驱动步进马达，使发动机在燃油刻度盘设定的任意转速下稳定可靠的工作，从而实现无级调速。 (2)自动怠速控制 当机械不作业时，油门自动降为怠速；机械作业时，油门立刻升到油门刻度盘设定的转速，平均节油1.5%~3%。 (3)自动升温控制 水温低于30℃时，CPU自动将转速升至1 200 r/min，运行10 min后恢复到原车转速，以便缩短暖车时间，减小磨损。 (4)自动熄火控制 当检测到熄火信号时，能使发动机可靠熄火。 (5)自诊断功能 当控制系统有故障时，ECU输出故障码，显示故障部位。 (6)发动机转速手动控制 电脑控制系统出现故障时，可用手动控制发动机转速作为应急措施。 1.2 控制系统的结构模型 发动机控制系统采用电位器给定输入量，由计算机控制步进马达，步进马达通过蜗轮蜗杆减速机构控制油门，油门位置由位置电位器再反馈到输入端。控制系统简化框图如图2所示。 1.3 控制算法 为了提高系统的控制精度，采用经典控制理论PID调节。算法形式为： C=k(有误！） 式中： k为比例增量；T为积分时间；T为微分时间；e为第n次采样误差值；C为第n次输出的控制量。 上式的控制算法需对历次偏差信号求和，计算繁琐，占用内存多，一旦计算机出现故障可能会导致输出突变，对系统造成伤害。而本系统的执行机构是步进电机和电位器，只需给一个增量信号即可。因此为了增加可靠性，本系统决定采用增量型PID算法。算法形式为： C＝C＋P 式中：e为设定值和第n次实测值之差，Δe=en－en－1，Δ2e=Δen－Δen－1；P=kp为比例动作参数；Ｉ=为积分动作参数；D=为微分动作参数。 在控制过程中，计算机根据需要自动给P、Ｉ、D赋值。 2 控制系统设计 2.1 硬件电路设计 控制系统以89C51单片机为控制核心。主要由输入电路、A/D电路、89C51单片机电路、光电隔离电路、输出电路和“看门狗”电路等组成。 输入电路由油门设定、油门反馈、自动怠速、自动升温和自动熄火等电路组成。输出电路由电机驱动电路、步进电机、报警电路和故障码显示电路等组成。硬件“看门狗”电路的作用是，当单片机系统受到干扰死机时，可使系统自动恢复工作。 整机硬件电路设计框图如图3所示。 2.2 系统软件设计 单片机上电后执行主程序，初始化后首先进行系统自检。若有故障，则显示故障码以显示故障部位。若正常，则进入开关量扫描。若有自动怠速、自动升温、自动熄火等信号输入，则进入相应的处理程序，然后启动A/D 转换，转换结束后读取油门设定值和油门位置反馈值，进行比较，计算出误差，确定P、Ｉ、D参数，调PID算法，最后向执行机构发送控制量Cn。 这样，系统就按PID调节规律进行控制，使油门的实际位置和设定值的静态误差最小，同时使发动机稳定工作。 2.3 抗干扰措施 硬件上采取滤波、光电隔离、屏蔽和硬件“看门狗”等措施。A/D转换部分通过合理布局仔细走线，模拟和以数字形式分开并在一点相连来解决A/D通道的抗干扰问题。软件上使用了指令冗余、软件陷井和出错处理程序。所有控制信号均采用负逻辑传输，这些措施大大地提高了整机的抗干扰能力。 该控制系统的主程序流程图如图4所示。 3 结论 将该控制系统试装到住友S280挖掘机上，代替原车的发动机电脑控制系统。经使用，各项技术指标达到设计要求，效果良好。 该控制系统若在拖式压路机上安装，可实现发动机的远程控制。若是机械传动的振动压路机，还可实现远程无级调频控制(拖车上的司机就能完成对拖式振动压路机的控制)。 试验证明，该系统体积小，功能全，抗干扰力强，自动化程度高，安装方便(不改变原机任何装置)，适用于各种工程机械的发动机安装使用，还可替代进口电脑工程机械的发动机控制系统。它的开发对研制具有知识产权的“国产电脑工程机械”具有重要意义。 参考文献 1 陈龙章. 实用单片机大全. 哈尔滨：黑龙江科学出版社，1989 2 高文中. YZC16自行式压路机自动调频系统的设计. 工程机械，2001(10) 3 王义方. 微型计算机原理及应用. 北京：机械工业出版社，1987 ４ 杨自厚. 自动控制原理. 北京：冶金工业出版社，1985 通讯地址：石家庄铁道学院机械工程分院(050043)(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (3/17/2005)