(精品)燃氣發(fā)動機空燃比控制系統(tǒng)研究與開發(fā)(2013年優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計)

山東理工大學(xué) 山東理工大學(xué) 碩士學(xué)位論文 燃氣發(fā)動機空燃比控制系統(tǒng)研究與開發(fā) 燃氣發(fā)動機空燃比控制系統(tǒng)研究與開發(fā) RESEARCH AND DEVELOPMENT ON AIR-FUEL RATIO CONTROL SYSTEM OF GAS ENGINE 研究生： 李 光 舉 李 光 舉 指導(dǎo)教師： 高 松 教 授 高 松 教 授 申請學(xué)位門類級別： 工 學(xué) 碩 士 工 學(xué) 碩 士 學(xué) 科 專 業(yè) 名 稱： 載運工具運用工程 載運工具運用工程 研究方向： 內(nèi)燃機性能優(yōu)化與控制內(nèi)燃機性能優(yōu)化與控制 論 文 完 成 日 期： 2008 年 4 月 30 日 2008 年 4 月 30 日 單位代碼：10433 學(xué) 號：Y0502063 密 級： 分類號：U464 獨 創(chuàng) 性 聲 明 本人聲明所呈交的論文是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的研究成 果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā) 表或撰寫過的研究成果， 也不包含為獲得山東理工大學(xué)或其它教育機構(gòu)的學(xué)位或證書 而使用過的材料。 與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明 確的說明并表示了謝意。 研究生簽名： 時間： 年 月 日 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明 本人完全了解山東理工大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保留 送交論文的復(fù)印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱；學(xué)?？梢杂貌煌绞皆诓煌襟w 上發(fā)表、傳播學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保 存、匯編學(xué)位論文。 研究生簽名： 時間： 年 月 日 導(dǎo) 師 簽 名 ： 時間： 年 月 日 山東理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘 要 摘 要 本文首先分析了燃氣發(fā)動機及其空燃比控制技術(shù)的發(fā)展背景和意義， 介紹了燃氣 發(fā)動機及其空燃比控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，針對燃氣發(fā)動機空燃比控制方面存在的問 題，提出了本文的主要研究內(nèi)容。 論文研究了 8300 型氣體發(fā)動機及煤層氣的特點，提出了基于 CMAC 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和 PID 并行控制的燃氣發(fā)動機空燃比控制系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，并通過 Simulink 仿真 分析，證明了該方案的可行性。 文中詳細介紹了硬件的設(shè)計方案及其工作原理，包括可編程控制器（PLC）及其 擴展模塊的選型、傳感器的選擇、步進電機及驅(qū)動器的選擇、信號采集與處理電路、 步進電機驅(qū)動電路、鍵盤電路、報警電路、顯示電路及電源電路等；同時詳細介紹了 軟件的設(shè)計及實現(xiàn)方法， 包括主程序、 初始化子程序、 數(shù)據(jù)采集模塊、 高速計數(shù)器 （HSC） 子程序、脈沖串（PTO）子程序、顯示模塊、報警模塊、按鍵操作模塊及空燃比控制 模塊等。在系統(tǒng)的研究開發(fā)過程中，考慮到外界干擾因素的影響，在硬件和軟件的設(shè) 計中采取了有效的抗干擾措施。 最后對設(shè)計好的控制系統(tǒng)進行了調(diào)試，包括系統(tǒng)的硬件調(diào)試、軟件調(diào)試及現(xiàn)場聯(lián) 機調(diào)試。該系統(tǒng)實現(xiàn)了燃氣發(fā)動機空燃比的自動控制，同時能夠監(jiān)視發(fā)動機的運行狀 況，在機器出現(xiàn)故障時能及時報警。調(diào)試結(jié)果表明所開發(fā)的空燃比控制系統(tǒng)達到了預(yù) 期的目標(biāo)。 關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：燃氣發(fā)動機；空燃比控制；小腦模型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CMAC)；并行控制 I 本頁已使用福昕閱讀器進行編輯。 福昕軟件( C ) 2 0 0 5 - 2 0 1 0 ，版權(quán)所有， 僅供試用。 山東理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 Abstract Abstract In this thesis, the developing background, the significance and the research actualities of gas engine and the technology of air-fuel ratio control are introduced firstly. And then, aimed at the existent problems of air-fuel ratio control of gas engine, the main contents of the article are put forward. Researched on the characteristics of 8300-type gas engine and coal bed methane, the general plan of the system based on CMAC and PID parallel control is brought forward, which is proved to be feasible through simulation and analysis. The design project and the principle of the hardwares are illustrated in detail, including the selection of the programmable logical controller, extension modules, the sensors, stepping motor and the driver, and, the design of the collected and processed signals circuit, stepping motor drived circuit, the keyboard circuit, the alarm circuit, display circuit and the power supply circuit, etc. At the same time, design and realization of the softwares are specified, including the main program, the initialized subroutine, the HSC subroutine, the PTO subroutine, the display module, the alarm module, the keyboard operated module and the air-fuel ratio control module, etc. Considering the influence of the outside interferences, effective anti-interference measures are taken to the hardwares and the softwares. In the end, the accomplished control system is debugged including the hardwares debugged, the softwares debugged and online debugged. Autocontrol of air-fuel ratio of gas engine can be realized by the system. Moreover, the operation status of the engine can be real-time monitored, so alarm will be given while the system has faults. The results of debugging show that the expectant target is obtained. Key words: Gas engine; Air-fuel ratio control; Cerebellar model articulation controller (CMAC); Parallel control II 山東理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 目 錄 目 錄 摘 要摘 要 Abstract 目 錄目 錄 第一章 緒論第一章 緒論1 1.1 課題背景及其研究意義1 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀3 1.2.1 氣體燃料發(fā)動機的國內(nèi)外研究狀況3 1.2.2 發(fā)動機空燃比控制技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀4 1.3 主要研究內(nèi)容6 1.4 本章小結(jié)6 第二章 燃氣發(fā)動機空燃比控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案及控制策略研究第二章 燃氣發(fā)動機空燃比控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案及控制策略研究7 2.1 8300 型氣體發(fā)動機簡介7 2.2 空燃比控制系統(tǒng)設(shè)計方案7 2.2.1 控制系統(tǒng)作用7 2.2.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計方案8 2.3 控制系統(tǒng)的控制策略研究8 2.3.1 PID 控制概述9 2.3.2 CMAC 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)10 2.3.3 CMAC 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與 PID 并行控制12 2.3.4 控制策略及仿真14 2.4 本章小結(jié)16 第三章 燃氣發(fā)動機空燃比控制系統(tǒng)硬件設(shè)計第三章 燃氣發(fā)動機空燃比控制系統(tǒng)硬件設(shè)計17 3.1 控制器的選擇17 3.2 傳感器的選擇17 3.2.1 壓力傳感器17 3.2.2 轉(zhuǎn)速傳感器19 3.2.3 甲烷傳感器19 3.2.4 氧傳感器19 3.2.5 電位器式位移傳感器19 III 山東理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 目 錄 3.2.6 熱電偶20 3.3 步進電機及驅(qū)動器的選擇20 3.3.1 5700 系列混合式直線步進電機20 3.3.2 M542 驅(qū)動器20 3.4 硬件電路設(shè)計21 3.4.1 輸入信號調(diào)理電路21 3.4.2 發(fā)動機轉(zhuǎn)速測量電路22 3.4.3 步進電機驅(qū)動電路22 3.4.4 鍵盤電路23 3.4.5 報警電路23 3.4.6 顯示電路24 3.4.7 電源電路25 3.5 硬件抗干擾設(shè)計25 3.6 本章小結(jié)26 第四章 燃氣發(fā)動機空燃比控制系統(tǒng)軟件設(shè)計第四章 燃氣發(fā)動機空燃比控制系統(tǒng)軟件設(shè)計27 4.1 開發(fā)環(huán)境簡介27 4.1.1 編程軟件的功能27 4.1.2 項目的組成28 4.1.3 程序的編寫與傳送29 4.1.4 用編程軟件監(jiān)視與調(diào)試程序31 4.2 控制系統(tǒng)資源分配33 4.2.1 輸入輸出信號資源分配33 4.2.2 數(shù)據(jù)存儲器資源分配34 4.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計34 4.3.1 主程序35 4.3.2 初始化子程序35 4.3.3 數(shù)據(jù)采集模塊35 4.3.4 高速計數(shù)器（HSC）子程序37 4.3.5 脈沖串（PTO）子程序38 4.3.6 顯示模塊39 4.3.7 報警模塊40 4.3.8 功能按鍵操作模塊40 4.3.9 空燃比控制模塊41 4.4 軟件抗干擾設(shè)計42 IV 山東理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 目 錄 4.5 本章小結(jié)45 第五章 燃氣發(fā)動機空燃比控制系統(tǒng)的調(diào)試第五章 燃氣發(fā)動機空燃比控制系統(tǒng)的調(diào)試47 5.1 調(diào)試的作用47 5.2 調(diào)試的方案47 5.3 調(diào)試的設(shè)備47 5.4 調(diào)試的過程47 5.4.1 硬件調(diào)試47 5.4.2 軟件調(diào)試49 5.4.3 聯(lián)機調(diào)試50 5.5 本章小結(jié)51 第六章 總結(jié)與展望第六章 總結(jié)與展望53 6.1 總結(jié)53 6.2 展望53 致 謝致 謝55 參考文獻參考文獻56 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文和參與的科研項目攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文和參與的科研項目59 V 山東理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒 論 第一章 緒 論 1.1 課題背景及其研究意義 能源是人類社會發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，是經(jīng)濟增長和發(fā)展的前提，是國家經(jīng)濟安全發(fā)展 的保障。近年來，隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展， 我國能源消耗和污染物排放都居世界前列。 能源和環(huán)境問題已成為制約我國經(jīng)濟和安全可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略因素。 我國 “十一五” 規(guī)劃綱要提出， “十一五”期間單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能耗降低 20左右、主要污染物排放 總量減少 10。去年國務(wù)院又發(fā)布了加強節(jié)能減排工作的決定，節(jié)能減排已成為我國的 一項基本國策 1。 如今，隨著世界人口和經(jīng)濟的迅猛增長，能源的消耗也急劇增加。研究表明，大約 50 年后， 人類目前廣泛使用的傳統(tǒng)能源煤、 石油和天然氣將面臨嚴(yán)重短缺的局面。 目前， 我國煤炭的資源量為 1.5 億萬噸，石油儲藏量是 16000 萬噸，天然氣剩余可采儲量 2 萬 億立方米。而當(dāng)前的石油對外依存度已達到 50左右。有關(guān)部門預(yù)測， 2020 年石油和 天燃氣進口的依賴度分別達到 70和 50 2。而我們現(xiàn)在用氣用油量大大提升，所以我 們要千方百計的節(jié)約石油和天燃氣，要最大可能的、高效率的、清潔的利用我們國家的 現(xiàn)有資源。隨著我國的經(jīng)濟發(fā)展和人口的增加，能源需求越來越大，在正常的情況下， 國民生產(chǎn)總值越高，能源消費量越大，能源不足會影響國民經(jīng)濟的發(fā)展，成為制約持續(xù) 發(fā)展的因素之一。內(nèi)燃機作為一種常用的動力輸出裝置，在其出現(xiàn)的一百多年里，為人 類的進步和發(fā)展做出了巨大的貢獻，但是它也是消耗能源的一大戶，內(nèi)燃機主要用石油 作為燃料，一般工業(yè)發(fā)達國家消耗在內(nèi)燃機上的燃料約占整個石油消耗量的 60左右， 而且隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，這種比例和趨勢會逐漸的增加。因此，目前面臨的艱巨 任務(wù)是，怎樣在不影響其動力性、排放的前提下，降低燃油量或燃氣量，讓其經(jīng)濟性得 到改善和提高。 同時，汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展也使生態(tài)環(huán)境受到了嚴(yán)重的污染。汽車排放物中的CO2能 夠引起“溫室效應(yīng)” ，NOx和SO2與大氣中的臭氧結(jié)合可形成酸雨或煙霧，微粒中的苯并花 是致癌物質(zhì)等等。這些環(huán)境污染的加劇使得世界各國的排放法規(guī)越來越嚴(yán)格，在一些發(fā) 達國家更是提出了超低排放法則，甚至對車輛提出了零排放的要求。為此各國的內(nèi)燃機 研究和開發(fā)人員集中了很大力量在內(nèi)燃機排放品質(zhì)的改進上。我國的排放法規(guī)采用的是 歐洲體系，自 2004 年 9 月 1 日起執(zhí)行歐排放標(biāo)準(zhǔn)，2008 年 8 月 1 日起執(zhí)行歐排放 標(biāo)準(zhǔn)，2010 年 1 月 1 日起執(zhí)行歐排放標(biāo)準(zhǔn)，2012 年 1 月 1 日起執(zhí)行歐排放標(biāo)準(zhǔn) 3。 世界石油資源短缺的狀況和生態(tài)環(huán)境保護的要求使 21 世紀(jì)的人類面臨著一個重要 1 山東理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒 論 問題：如何合理地利用現(xiàn)有資源和開發(fā)新能源。由于石油資源總是有極限的，代用燃料 一直是內(nèi)燃機研究和燃料研究的熱點之一。隨著環(huán)境問題被提升到前所未有的高度，并 且一些代用燃料在排放方面具有傳統(tǒng)燃料所不具備的優(yōu)點，尋求清潔燃料、降低有害排 放就成為代用燃料研究的重點。所以發(fā)動機的代用燃料應(yīng)具有可以替代或部分替代汽油 或柴油等發(fā)動機的常規(guī)燃料，從而緩解能源緊張的局面外，還應(yīng)具備的另一個特點就是 燃燒清潔、對環(huán)境的污染低。代用燃料主要有以下幾種:天然氣(CNG and LNG)、液化石 油氣(LPG)、二甲醚(DME),氫氣、煤層氣、沼氣、醇類、燃料電池和太陽能等。 煤層氣資源的開發(fā)和利用一直是國內(nèi)外有關(guān)研究人員所關(guān)心的研究課題，許多國家 政府都在鼓勵本國開發(fā)利用煤層氣。與天然氣類似，煤層氣的用途基本上分為兩大類， 即作為化工原料和能源，但國內(nèi)外的實踐經(jīng)驗表明作為發(fā)動機燃料是煤層氣應(yīng)用的一個 重要方面。 煤層氣又稱煤礦瓦斯氣或煤田沼氣，其基本成分為甲烷（CH4） ，另含少量CO2和N2， 是非常規(guī)天然氣的一種重要類型。煤層氣以其經(jīng)濟性、低排污等優(yōu)勢在代用燃料中脫穎 而出，成為發(fā)動機的一種新型潔凈燃料。在熱值上，煤層氣與常規(guī)天然氣相當(dāng)，發(fā)熱量 在 80009000 大卡以上， 每 1000m 3煤層氣相當(dāng)于 1t燃油或 1.25t標(biāo)準(zhǔn)煤。 與其他石化能 源相比，其綠色意義主要表現(xiàn)在基本不含硫，對輸送裝置和終端設(shè)備腐蝕破壞性小；燃 燒后SO2和煙塵排放量低，對空氣質(zhì)量影響較?。蝗紵蟮膹U氣是一種氣態(tài)肥料，能夠增 強植物的光合作用，對大棚農(nóng)作物具有提高質(zhì)量和縮短生長周期的明顯作用 。 我國煤炭開采過程中， 每年產(chǎn)生相當(dāng)于 130 多億立方米的純甲烷的煤層氣， 其中90% 以上排入大氣。甲烷（CH4）既是一種低碳可燃氣體，又具有很強的溫室效應(yīng)，溫室氣體 效應(yīng)相當(dāng)于二氧化碳的21 倍。如果加以有效利用，既可以大大節(jié)約能源，又能大大降低 溫室氣體排放。可見，煤層氣的利用是實現(xiàn)節(jié)能減排的高效措施。 據(jù)預(yù)測我國煤層氣資源與常規(guī)天然氣儲量大致相當(dāng)， 約為 33 萬億立方米， 約占世界 煤層氣資源的 20%，是世界煤層氣資源最為豐富的國家之一。開發(fā)煤層氣可以有效地彌 補常規(guī)能源供應(yīng)的不足，而且有利于減少環(huán)境污染，帶來較好的社會效益和環(huán)境效益。 在我國石油資源不足、消費需求增長迅速的局面下，加大煤層氣資源的開發(fā)力度，發(fā)展 煤層氣發(fā)動機具有重要意義。 煤礦煤層氣發(fā)電是煤層氣利用的最好辦法。上世紀(jì)末，我國開始將由柴油機改造成 的煤層氣發(fā)動機用于煤層氣發(fā)電，煤層氣發(fā)動機燃料為來自煤礦井下煤層氣。目前我國 煤層氣發(fā)動機都是采用機械或電動燃氣混合器，混合器進出氣開口都只能是手動調(diào)整而 不能在線自動調(diào)整。而煤層氣的濃度、壓力、溫度等參數(shù)會隨著采煤活動和時間的變化 而不斷變化，因此在煤層氣參數(shù)發(fā)生變化，而煤層氣發(fā)動機燃氣閥開度不變的條件下， 進入煤層氣發(fā)動機的煤層氣總質(zhì)量就發(fā)生變化，使煤層氣發(fā)動機空燃比不能穩(wěn)定在理想 空燃比范圍內(nèi)。從而導(dǎo)致煤層氣發(fā)動機排氣管放炮（爆炸） ，進氣管回火、轉(zhuǎn)速不穩(wěn)甚至 熄火等現(xiàn)象發(fā)生。一旦發(fā)動機熄火，將停止發(fā)電。嚴(yán)重影響了正常發(fā)電工作和生產(chǎn)安全。 2 本頁已使用福昕閱讀器進行編輯。 福昕軟件( C ) 2 0 0 5 - 2 0 1 0 ，版權(quán)所有， 僅供試用。 山東理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒 論 而且多余的煤層氣被排入大氣，這樣既浪費了大量能源，又向大氣中排放了大量溫室氣 體 4567。 由于煤層氣在不同產(chǎn)區(qū)、同一產(chǎn)區(qū)不同氣井、不同深層以及不同來源，組分往往會 有較大差別，因而對燃料供應(yīng)量的控制需要考慮燃氣組分的變化。機械式或開環(huán)電控式 控制器都是按預(yù)定的混合比工作，難以達到變組分煤層氣發(fā)動機的在較大范圍內(nèi)改變混 合比以提供不同比例混合氣的要求。 煤層氣發(fā)動機的理論空燃比與液體燃料發(fā)動機不同， 燃料的混合、缸內(nèi)燃燒過程也有區(qū)別。需要針對其燃燒規(guī)律，采取有效的空燃比控制方 法。因此，要想使煤層氣發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性及排放性得到優(yōu)化，就需要有效控制 進氣空燃比，這對獲取潔凈能源、保護環(huán)境和合理利用煤層氣資源具有重要意義。 本課題針對以上問題，研究煤層氣發(fā)動機空燃比控制策與控制技術(shù)，開發(fā)煤層氣發(fā) 動機空燃比控制系統(tǒng)， 實現(xiàn)煤層氣發(fā)動機最佳空燃比閉環(huán)控制,保證煤層氣發(fā)動機安全高 效運行。本課題研究內(nèi)容屬于節(jié)能減排技術(shù)和先進制造及自動化技術(shù)的范疇，是國家及 省市重點支持的科研方向，是具有廣闊產(chǎn)業(yè)化前景的優(yōu)勢領(lǐng)域。 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1.2.1 燃氣發(fā)動機的國內(nèi)外研究狀況 國際上氣體燃料發(fā)動機領(lǐng)域的研究起步較早，如德國的Bernd Rau在研究了工業(yè)煤 氣、民用煤氣、天然煤氣、石油煤氣后認為，由于發(fā)動機廠商無法控制氣體燃料品質(zhì)的 波動，即使調(diào)整得很好的發(fā)動機，在氣體燃料品質(zhì)波動的極限下，也會引起嚴(yán)重的運行 障礙。日本的西川隆史通過實驗表明，低熱值氣體燃料的基本燃燒特性與高熱值氣體燃 料有很大的不同，必須在發(fā)動機性能改善方面繼續(xù)進行研究。近年來，由于世界上環(huán)保 的原因，燃料組分的變化對火花點火式發(fā)動機排放特性的研究日趨見多，如S.Diana研究 了在EGR存在時，燃料組分對發(fā)動機排放特性的影響。James Eng.考查了燃料組分變化對 發(fā)動機HC排放特性的影響。Seref Soylu在一臺重載天然氣發(fā)動機上研究了燃料組分變化 對爆震極限的影響。Barry R.Lutz研究了燃料組分變化對液態(tài)LPG噴射系統(tǒng)性能的影響 67。 煤層氣發(fā)電在發(fā)達國家應(yīng)用較早，如英國、德國、美國、日本和澳大利亞等國家， 但早期建設(shè)的煤礦煤層氣發(fā)電廠多采用燃氣輪機。由于燃氣輪機發(fā)電單機功率大，不適 于分散的小型煤層氣發(fā)電站。隨著發(fā)動機技術(shù)的不斷成熟，發(fā)達國家率先采用內(nèi)燃機開 發(fā)了煤層氣發(fā)電站用煤層氣發(fā)動機，如德國道依茨的TGB620V16K，美國卡特彼勒的 3520C、奧地利顏巴赫的TGC420 等產(chǎn)品。這些產(chǎn)品技術(shù)上比較成熟，發(fā)動機性能好，壽 命長。以煤層氣發(fā)動機為動力的發(fā)電機組是目前比較適合利用煤層氣發(fā)電的設(shè)備?；?煤層氣發(fā)動機的煤層氣發(fā)電機組單機容量較小，一般在 100kW4000kW，適合建設(shè)小型 3 本頁已使用福昕閱讀器進行編輯。 福昕軟件( C ) 2 0 0 5 - 2 0 1 0 ，版權(quán)所有， 僅供試用。 山東理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒 論 發(fā)電站，發(fā)電效率較高，單機體積小，建站靈活、周期短，運行維護人員少 789。 國內(nèi)在氣體燃料發(fā)動機方面的研究起步較晚。最近幾年來，在天然氣、液化石油氣 發(fā)動機方面做了一些有意義的工作，取得了一定的成績。同時對氣體燃料組分的變化對 發(fā)動機燃燒過程的影響，也開始逐步的研究和探討。其中浙江大學(xué)就開始研究天然氣組 分變化對發(fā)動機排放帶來的影響， 合肥工業(yè)大學(xué)從 1998 年開始研究煤層氣的燃燒和排放 特性，經(jīng)過幾輪的研究取得了一定的成果，通過大量的試驗，運用機理和實驗相結(jié)合的 方法，建立了適合于煤層氣發(fā)動機的燃燒模型和整機模型，并在此基礎(chǔ)上自己開發(fā)了適 合于煤層氣代用燃料特性要求的電子控制單元，在此基礎(chǔ)上不斷完善和提高，該電子控 制單元基本能完成一部分信號的采集、處理和控制，但是要達到對空燃比的精確控制， 還需要對軟硬件的設(shè)計，以及對控制策略進行深入的研究 1011。 國內(nèi)的煤層氣發(fā)動機廠家主要有勝利油田勝利動力機械有限公司、濟南柴油機廠、 淄博柴油機總公司、濰柴動力等內(nèi)燃機骨干企業(yè)。勝利油田勝利動力機械有限公司在國 內(nèi)率先開展了煤層氣發(fā)動機應(yīng)用技術(shù)的研究與開發(fā)，總體上處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。1996 年 應(yīng)用美國膜片式混合器混合技術(shù)開發(fā)了 120kW、400kW煤層氣發(fā)電機組，在山西晉城建立 了兩個煤層氣電站。淄博柴油機總公司利用四連桿機構(gòu)控制煤層氣與空氣混合的 500kW 煤層氣發(fā)電機組，在煤層氣濃度大于 40，并且濃度變化幅度較小時，機組還能運行。 但隨著煤層氣濃度的下降和變化范圍的加大， 煤層氣發(fā)動機就會出現(xiàn)排氣管放炮 （爆炸） ， 進氣管回火、轉(zhuǎn)速不穩(wěn)甚至熄火等現(xiàn)象。為此，淄博柴油機總公司已于 2007 年初，與山 東理工大學(xué)合作研究開發(fā)煤層氣發(fā)動機綜合控制系統(tǒng)，目前已完成了部分理論研究與實 驗，正在進行綜合控制系統(tǒng)研究與開發(fā)工作 111213。近年來國內(nèi)又有企業(yè)開發(fā)了煤層氣 發(fā)動機電控燃氣混合器，但由于在該方面的理論研究不夠深入，控制策略中所考慮到的 影響參數(shù)不夠全面，所開發(fā)的產(chǎn)品在控制性能上不夠完善，當(dāng)煤層氣濃度或壓力變化較 大時會出現(xiàn)停機現(xiàn)象。 目前我國電網(wǎng)覆蓋較廣，煤層氣發(fā)電可就地將電能輸送出去，比長距離建設(shè)管道輸 送煤層氣要經(jīng)濟、方便得多。煤層氣發(fā)電是國家大力推動的節(jié)能環(huán)保項目，以煤層氣發(fā) 動機為動力的煤層氣發(fā)電機組單機容量較小，適合建設(shè)小型發(fā)電站，是目前比較適合利 用煤層氣發(fā)電的設(shè)備。 為了最大限度的利用各種濃度的煤礦煤層氣發(fā)電，盡可能地減少由于煤層氣濃度變 化導(dǎo)致煤層氣發(fā)動機不能正常運行，煤層氣發(fā)動機綜合控制技術(shù)的研究與應(yīng)用成為一種 必然趨勢。我國目前還不具有自主知識產(chǎn)權(quán)且性能理想的煤層氣發(fā)動機綜合控制技術(shù)， 因此該項目必定有著十分廣闊的市場前景。 1.2.2 燃氣發(fā)動機空燃比控制技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 空燃比是影響發(fā)動機性能的一個非常重要參數(shù)，因此，在發(fā)動機的電控系統(tǒng)當(dāng)中， 4 本頁已使用福昕閱讀器進行編輯。 福昕軟件( C ) 2 0 0 5 - 2 0 1 0 ，版權(quán)所有， 僅供試用。 山東理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒 論 空燃比常被作為一個重要的被控參數(shù)。最初，對空燃比的控制是采用開環(huán)控制，這樣的 控制系統(tǒng)的優(yōu)點是變工況響應(yīng)速度快，但是控制精度低，無法適應(yīng)發(fā)動機不同工況的要 求。隨著對發(fā)動機性能要求的提高，閉環(huán)控制進入發(fā)動機控制領(lǐng)域。當(dāng)前經(jīng)常使用的空 燃比控制方法一般采用以下幾種控制方式： 基于經(jīng)典控制理論的PID控制； 基于模型的空 燃比控制方法；采用人工智能的控制方法。 國外有利用轉(zhuǎn)速的波動量作為衡量燃燒過程的依據(jù)，進行空燃比自適應(yīng)控制；利用 缸內(nèi)壓力信號測量循環(huán)變動進行空燃比反饋控制。在國內(nèi)，有以發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化為反饋 信號，進行的空燃比自學(xué)習(xí)控制的研究；以氧傳感器為反饋信號，進行的空燃比PID控制 和自學(xué)習(xí)控制。 東京燃氣有限公司信息技術(shù)研究所(Information Technology Research Institute Tokyo Gas Co.,Ltd)提出了一種在三元催化氣體發(fā)動機中的空燃比控制方法。 利用雙氧傳感器系 統(tǒng)中的副氧傳感器(裝在催化裝置后部)的動態(tài)響應(yīng)測出三效催化轉(zhuǎn)化器有效工作窗口的 中心區(qū)，通過控制氧傳感器輸出保持對稱波形使空燃比被控制在窗口區(qū)中。 Patrick Kaidantzis 等人提出了一種幻燈模式控制器(the Sliding Mode controller)，它 最大的優(yōu)點是通過不斷快速提高斜率 K，以盡快地將線性氧傳感器的信號逼近到理化 計算量上，從而縮短調(diào)整時間。 Pierre Bidan等探討了點燃式發(fā)動機上的非線性控制。他們分別對燃料量的供給和空 氣量的供給各建立了一個系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，對主進氣歧管的壓力控制和空氣供給量之 間實現(xiàn)了一個閉環(huán)控制系統(tǒng)(進空氣副系統(tǒng))。該閉環(huán)系統(tǒng)有一個參考控制模式，當(dāng)控制 過程為非線性時，就利用這個模式使?fàn)顟B(tài)反饋成為線性過程。 吉林工業(yè)大學(xué)在研究氣體燃料內(nèi)燃機電噴技術(shù)時，利用廢氧傳感器的輸出信號，采 用閉環(huán)反饋實現(xiàn)了對氣體噴射器的開啟時間，即氣體噴射量的控制，使混合氣的空燃比 接近理想空燃比。 黎蘇等在夏利轎車上開發(fā)了自學(xué)習(xí)空燃比控制系統(tǒng)。通過識別氧傳感器信號、轉(zhuǎn)速 信號和節(jié)氣門信號，能保證在任何工作條件下，空氣和燃料的比例為理想值。該裝置將 夏利TJ7101U 型轎車改裝為滿足歐洲2號排放法規(guī)的低排放綠色環(huán)保CNG/汽油兩用燃料 轎車。 上海理工大學(xué)在對 LPG 發(fā)動機進行電控標(biāo)定時對空燃比采用開閉環(huán)結(jié)合控制。在怠 速及低速低負荷工況采用閉環(huán)控制；而在高速高負荷工況采用稀燃開環(huán)控制，以防止采 用閉環(huán)控制時造成發(fā)動機熱負荷過高， 但是對供氣后發(fā)動機的實際空燃比不能進行修正。 浙江大學(xué)將模糊控制技術(shù)運用于發(fā)動機的怠速控制中，提高了怠速工況的控制精度 改善了發(fā)動機怠速時的經(jīng)濟指標(biāo) 1415161718192021222324。 發(fā)動機空燃比的控制可以考慮采用更先進的硬件設(shè)備， 使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或其它先進控制 方法的應(yīng)用變成可能，賦予控制系統(tǒng)自學(xué)習(xí)的能力，能夠自己尋找合適的周期和控制規(guī) 則。這樣就可以大大降低新型發(fā)動機空燃比控制器的研究成本，同時也就更具實用性。 5 本頁已使用福昕閱讀器進行編輯。 福昕軟件( C ) 2 0 0 5 - 2 0 1 0 ，版權(quán)所有， 僅供試用。 山東理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒 論 1.3 主要研究內(nèi)容 本課題主要包括以下幾方面的內(nèi)容： （1）燃氣發(fā)動機空燃比控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案及控制策略研究 根據(jù)煤層氣和現(xiàn)有的煤層氣發(fā)動機的特點建立合適的模型，并結(jié)合實際情況研究開 發(fā)出可行的控制系統(tǒng)方案和相應(yīng)的控制策略。 （3）硬件設(shè)計與開發(fā) 主要包括控制器、執(zhí)行器、傳感器、信號采集與處理電路、步進電機驅(qū)動電路、鍵 盤電路、報警電路、顯示電路及電源電路等的設(shè)計與開發(fā)。 （4）軟件設(shè)計與開發(fā) 主要包括信號采集、濾波、顯示、報警、功能按鍵操作及空燃比控制等程序的設(shè)計 與開發(fā)。 （5）控制系統(tǒng)調(diào)試 主要包括三部分：硬件調(diào)試、軟件調(diào)試和現(xiàn)場聯(lián)機調(diào)試。 1.4 本章小結(jié) 本章主要介紹了燃氣發(fā)動機及其空燃比控制技術(shù)的研究意義及其發(fā)展現(xiàn)狀， 指出了 開發(fā)燃氣發(fā)動機空燃比控制系統(tǒng)的必要性。最后，簡要說明了本課題的主要研究內(nèi)容。 6 山東理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 燃氣發(fā)動機空燃比控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案及控制策略研究 第二章 燃氣發(fā)動機空燃比控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案 及控制策略研究 2.1 8300 型氣體發(fā)動機簡介 本課題針對 8300 型氣體發(fā)動機進行空燃比控制系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā),該發(fā)動機以煤層 氣等可燃氣體為原料。具有結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡便、布置合理、容易維護等特點。主要作 為陸用發(fā)電， 可單機組運行也可多機組并聯(lián)運行。 表 2.1 是 8300 型氣體發(fā)動機的主要性 能參數(shù) 25。 表 2.1 8300 型煤層氣發(fā)動機主要性能參數(shù) 型 式 四沖程、直接噴射、水冷 氣缸數(shù) 8 氣缸直徑(mm) 300 活塞行程(mm) 380 額定轉(zhuǎn)速 (r/min) 500 持續(xù)功率 (kW) 500 平均有效壓力 (MPa) 0.902 活塞平均速度(m/s) 6.333 最低穩(wěn)定工作轉(zhuǎn)速(r/min) 200 曲軸轉(zhuǎn)向 自飛輪端向自由端視右轉(zhuǎn)為順時針,左轉(zhuǎn)為逆時針 啟動方式 壓縮空氣啟動 曲軸以上吊缸高度(mm) 2120 外形尺寸(長寬高)(mm) 481012882555 整機質(zhì)量 (kg) 12700 2.2 空燃比控制系統(tǒng)設(shè)計方案 2.2.1 控制系統(tǒng)作用 課題所研制的燃氣發(fā)動機空燃比控制系統(tǒng)適用于燃用煤層氣的 8300 型發(fā)動機， 氣源 7 山東理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 燃氣發(fā)動機空燃比控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案及控制策略研究 為來自煤礦井下的各種濃度的煤層氣。由于煤層氣的濃度、壓力、溫度等參數(shù)會隨時間 發(fā)生變化，因此在保持燃氣混合器中燃氣閥開度不變的條件下，進入發(fā)動機的煤層氣總 量發(fā)生變化，因此導(dǎo)致空燃比發(fā)生變化。 空燃比控制系統(tǒng)能夠根據(jù)燃氣發(fā)動機混合氣中煤層氣濃度的變化自動調(diào)節(jié)燃氣混合 器中燃氣閥和空氣閥的開度，從而調(diào)節(jié)煤層氣和空氣的進氣量，使發(fā)動機空燃比在燃氣 濃度、壓力或溫度發(fā)生變化時，仍然能夠保持在理想范圍，實現(xiàn)燃氣發(fā)動機最佳空燃比 控制，保證發(fā)動機穩(wěn)定運行。避免了因空燃比變化導(dǎo)致的發(fā)動機功率不穩(wěn)、轉(zhuǎn)速不穩(wěn)、 進氣管回火、排氣管放炮等現(xiàn)象發(fā)生。 2.2.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計方案 燃氣發(fā)動機空燃比控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 2.1 所示， 主要包括以下四部分： 輸入信號 （圖 2.1 中的 1、2、3、4、6、8、9、10） 、被控對象（煤層氣發(fā)動機、混合器的空氣閥和燃 氣閥） 、控制器（空燃比控制器） 、執(zhí)行器（圖 2.1 中的 5、7） 。 各傳感器的信號輸入到空燃比控制器電控單元，經(jīng)過分析處理以確定當(dāng)前條件下所 需的最佳空燃比， 然后就確定了空氣閥和燃氣閥的開度。 空燃比控制器根據(jù)計算的結(jié)果， 通過步進電機把空氣閥和燃氣閥打開到合適的位置，使經(jīng)過混合器混合后的氣體為當(dāng)前 的最佳空燃比狀態(tài)下的混合氣。 空氣閥 燃氣閥 混 合 器 煤層氣發(fā)動機 空 燃 比 控 制 器 負 載 1 2 34 5 7689 空氣 煤層氣 10 1空氣壓力傳感器 2.煤層氣壓力傳感器 3.甲烷傳感器 4.空氣閥位置傳感器 5.空氣閥步進電機 6.燃氣閥位置傳感器 7.燃氣閥步進電機 8.轉(zhuǎn)速傳感器 9.缸溫傳感器 10.氧傳感器 圖 2.1 燃氣發(fā)動機空燃比控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 2.3 控制系統(tǒng)的控制策略研究 控制系統(tǒng)的核心是控制算法的確定和實現(xiàn)。成功的控制算法要保證控制系統(tǒng)的靜差 小、動態(tài)響應(yīng)快和較好的魯棒性。對空燃比控制系統(tǒng)來說，就是要使穩(wěn)定工況時空燃比 8 本頁已使用福昕閱讀器進行編輯。 福昕軟件( C ) 2 0 0 5 - 2 0 1 0 ，版權(quán)所有， 僅供試用。 山東理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 燃氣發(fā)動機空燃比控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案及控制策略研究 的平均值接近理論空燃比，且發(fā)動機工況突然變化造成空燃比偏離目標(biāo)值時，系統(tǒng)能迅 速響應(yīng)將空燃比控制到目標(biāo)值。同時防止發(fā)動機在瞬態(tài)工況下排放的惡化。考慮到發(fā)動 機本身的高度非線性和時間延遲， 本文提出了基于 CMAC 和 PID 并行控制的空燃比控制方 法。 2.3.1 PID控制概述 26 PID 控制具有較強的魯棒性，結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)物理意義明確，對模型依賴程度小和 工程上易于實現(xiàn)等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程中。 常規(guī) PID 控制系統(tǒng)原理框圖如圖 2.2 所示， 系統(tǒng)由模擬 PID 控制器和被控對象組成。 PID 控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值( )tr與實際輸出值( )tc構(gòu)成控制偏差: ( )( )( )tctrte= (2.1) 將偏差的比例(P)、積分(I)、和微分(D)通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進行 控制，故稱 PID 控制器。其控制規(guī)律為: ( )( )( ) ( ) += t 0 D I P dt tdeT dtte T 1 teKtu (2.2) 式中：是比例系數(shù)；是積分時間常數(shù)；是微分時間常數(shù)。 P K I T D T 簡單說來，PID 控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下： (1) 比例環(huán)節(jié)：即時成正比的反映控制系統(tǒng)的偏差信號( )te，偏差一旦產(chǎn)生，控制 器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。 (2) 積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積 分時間常數(shù)，越大，積分作用越弱，反之則越強。 I T I T (3) 微分環(huán)節(jié)：能反映偏差信號的變化趨勢(變化速率)，并能在偏差信號值變得太 大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減小調(diào)節(jié) 時間。 比例 積分 微分 被控對象 r(t) c(t) u(t) e(t) 圖 2.2 PID 控制系統(tǒng)原理框圖 在實際生產(chǎn)現(xiàn)場，由于條件常常受到限制，比如缺乏有關(guān)儀器，不允許附加擾動和 調(diào)試時間短等。因此，PID 參數(shù)的整定往往難以達到最優(yōu)的狀態(tài)。并且即使針對某一工 9 山東理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 燃氣發(fā)動機空燃比控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案及控制策略研究 作點獲得了PID 控制的最優(yōu)參數(shù)，由于工業(yè)過程對象一般具有時變性，仍存在整個工作 范圍和保持長期工作最優(yōu)問題。 在工業(yè)過程控制中經(jīng)常使用的 PID 控制，對于小滯后還可以應(yīng)付，但對于大滯后要 采用 Smith 預(yù)估器等方法來解決。傳統(tǒng)的單純PID 不能有效地實現(xiàn)對大滯后和大慣性環(huán) 節(jié)的控制，加上被控對象具有一定的變化性，常規(guī) PID 參數(shù)不具備自適應(yīng)能力，很難滿 足實際的控制要求。目前，PID 參數(shù)的整定和優(yōu)化主要依靠現(xiàn)場技術(shù)人員手工調(diào)整，控 制效果的好壞很大程度上依賴技術(shù)人員的經(jīng)驗和水平，且要耗費大量的人力、物力和時 間。 2.3.2 CMAC 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) CMAC神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是J.S.Albus于 1975 年最先提出來的，它是小腦模型關(guān)節(jié)控制器 (cerebellar model articulation controller)的簡稱。 它是仿照小腦如何控制肢體運動的原理而 建立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型， CMAC是一種聯(lián)想網(wǎng)絡(luò)， 對每一輸出只有小部分神經(jīng)元(由輸入決定) 與之相關(guān)，它的聯(lián)想具有局部泛化(generalization)，也稱推廣能力，即相似的輸入將產(chǎn) 生相似的輸出，而遠離的輸入產(chǎn)生幾乎獨立的輸出。CMAC與感知器比較相似，雖然從每 個神經(jīng)元看其關(guān)系是一種線性關(guān)系，但從結(jié)果總體看，它適合一種非線性映射，因而可 把CMAC看作是一個用于表達非線性映射(函數(shù))的表格系統(tǒng)。由于它的自適應(yīng)學(xué)習(xí)是在線 性映射部分，所以其學(xué)習(xí)算法是簡單的算法，收斂速度比BP網(wǎng)絡(luò)快得多，且不存在局部 極小問題。因此CMAC最初主要用來求解機械手的關(guān)節(jié)運動，其后進一步將它用于機器人 控制、模式識別、信號處理以及自適應(yīng)控制等 272829。 CMAC的基本思想在于：在輸入空間中給出一個狀態(tài)，從存儲單元中找到對應(yīng)于該狀 態(tài)的地址，將這些存儲單元中的內(nèi)容求和得到CMAC的輸出；將此響應(yīng)值與期望輸出值進 行比較，并根據(jù)學(xué)習(xí)算法修改這些已激活的存儲單元的內(nèi)容。 CMAC網(wǎng)絡(luò)由輸入層、中間層和輸出層組成。在輸入層與中間層、中間層與輸出層之 間分別為由設(shè)計者預(yù)先確定的輸入層非線性映射和輸出層權(quán)值自適應(yīng)性線性映射。CMAC 的結(jié)構(gòu)如圖2.3所示。 在輸入層對n維輸入空間進行劃分。 中間層由若干個基函數(shù)構(gòu)成， 對任意一個輸入只 有少數(shù)幾個基函數(shù)的輸出為非零值，稱非零輸出的基函數(shù)為作用基函數(shù)，作用基函數(shù)的 個數(shù)為泛化參數(shù) ，它規(guī)定了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部影響網(wǎng)絡(luò)輸出的區(qū)域大小。 c 中間層基函數(shù)的個數(shù)用p表示，泛化參數(shù)c滿足pc =。在中間層的基函數(shù)與輸出層 的網(wǎng)絡(luò)輸出之間通過連接權(quán)進行連接。采用梯度下降法實現(xiàn)權(quán)值的調(diào)整。 CMAC神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計主要包括輸入空間的劃分、輸入層至輸出層非線性映射的實現(xiàn) 及輸出層權(quán)值學(xué)習(xí)算法 30313233。 10 本頁已使用福昕閱讀器進行編輯。 福昕軟件( C ) 2 0 0 5 - 2 0 1 0 ，版權(quán)所有， 僅供試用。 山東理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 燃氣發(fā)動機空燃比控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案及控制策略研究 U 輸 入 空 間 輸入向量 y AP(W) 輸出 AC 雜散編碼 圖2.3 CMAC的結(jié)構(gòu) CMAC作為前饋網(wǎng)絡(luò)， 輸入輸出之間的非線性關(guān)系由以下兩個基本映射實現(xiàn) 34353637。 (1) 概念映射（UAC） 概念映射是從輸入空間U至概念存儲器AC的映射。 設(shè)輸入空間向量為，量化編碼為 T nP2P1PP U,U,UU = P U，輸入空間映射至AC 中的c個存儲單元（c為二進制非