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摘要：PID参数集合的选取直接影响齿条位置，从而控制柴油机的实际转速，所以要想使柴油机的实际转速无限趋近于所设定的目标转速，PID参数的选取至关重要。因此文章重点就PID控制器在船用柴油机转速控制中的应用展开分析。
关键词：PID控制器；船用柴油机；转速控制；应用
调速器能够帮助柴油机根据外界负载量的变化自动调节供油量，使得喷油泵所提供的油量与外界负载始终匹配，作为柴油机控制系统的核心部件，调速器性能的好坏对柴油机工作效率起到至关重要的作用。目前，能源的短缺和新排放法的严控对柴油机的工作性能提出了更高的挑战，故如何设计出时效性更好，工作效率更高的调速器是现阶段研究的热点问题。对于柴油机转速的控制，传统的方法是基于遗传算法或基于负荷前馈来达到控制柴油机转速的目的，以上2种方法对柴油机的动态响应性能造成较大的负荷，使得柴油机转速不能及时恢复稳定。针对这一问题，在柴油机转速控制中应用PID控制器，利用PID控制器鲁棒性强的特点，使柴油机的动态响应性能始终保持稳定。
1 PID控制器概述
PID控制器（Proportion Integration Differentiation.比例-积分-微分控制器），由比例单元 P、积分单元 I 和微分单元 D 组成。通过Kp，Ki和Kd三个参数的设定。PID控制器主要适用于基本线性和动态特性不随时间变化的系统。PID 控制器是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件。这个控制器把收集到的数据和一个参考值进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值。和其他简单的控制运算不同，PID控制器可以根据历史数据和差别的出现率来调整输入值，这样可以使系统更加准确，更加稳定。可以通过数学的方法证明，在其他控制方法导致系统有稳定误差或过程反复的情况下，一个PID反馈回路却可以保持系统的稳定。
2 PID 控制器在柴油机转速控制中的应用
2.1计算柴油机转速控制量
在柴油机转速控制中，使用转速传感器采集柴油机的实际转速，结合给定的理论转速值计算出转速差值，即为控制偏差。将控制偏差输入至 PID控制器中，由控制器计算出柴油机转速控制参数，再根据控制参数确定转速控制量，送入调速器中，由调速器调整柴油机的转速，达到控制柴油机转速的目的。其中柴油机转速采集主要通过测量转速脉冲信号周期实现。通过微控制器的输入捕捉引脚，中断捕捉到的脉冲信号，记录每次发生中断的自由计数器计数值，得到连续两侧转速脉冲信号的周期。根据信号转换电路板处理的结果，捕捉下降沿。采集转速脉冲周期原理图如图1所示。获得的柴油机转速与理论的转速值构成控制偏差，公式如下：
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图 1 采集转速脉冲周期原理图
获得的柴油机转速与理论的转速值构成控制偏差，公式如下
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式中：K（t）为控制偏差，u（t）为给定的理论转速，v（t）为实际测得的转速值。将得到的控制量偏差进行比例、积分和微分运算，通过线性组合构成控制量s（t），从而对被控对象实施控制，其控制规律为：
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式中：
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为比例系数，ti为积分时间常数，td为微分时间常数，
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为积分系数，
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为微分系数，其复域的传递函数形式为：
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其中x表示传递函数变量。由于PID控制器各个校正环节在控制中有不同的作用，其各项参数与控制器的各个环节相关，需要调整PID控制器中各项参数来保证各个环节作用效果。随着比例常数的增加，静差将减小；减小积分时间常数，增强积分作用，有利于减小静差，但是过强的积分作用容易引起振荡；第3个是微分环节，微分作用按照偏差的变化来工作，通过微分时间常数保证控制总质量。以上参数均通过实际转速偏差值来实时更新，达到柴油机转速的自动控制目的。
2.2控制柴油机调速器
通过上述过程获得柴油机转速控制量，将控制量送入调速器中，由调速器控制柴油机齿条位移，达到控制柴油机转速的目的。使用PID控制器控制柴油机转速的原理图如图2所示。图中的量化处理是对计算过程中的量化因子进行论域变换，保证计算的控制量处于控制集合论域。在使用PID控制器控制过程中，制定控制规则，进而根据实际情况合理选择PID控制器输入变量的量化因子和输出控制量的比例因子，保证柴油机的动态性能。控制规则是输入语言变量和输出语言变量之间关系的集合，通过一系列的控制语句组成控制规则。输入控制语言变量可以取许多语言值，如NB，NS，......，PB等，输出语言变量与其类似，通过实际的输入输出语言变量生成不同的控制规则，使柴油机的转速控制尽可能始终保持良好的效果。图中显示的执行机构为柴油机调速器，将处理后的控制量输入至调速器，以直流电作为调速器电源，根据控制量的实际变化情况，控制柴油机转速。若输入的控制量超过柴油机转速工作时的转速值，则通过PID控制器控制调速器，调整即时转速，使转速降低至正常工作范围；若输入的控制量低于标准工作转速，则控制调速器调整转速的瞬态调速率，使柴油机转速稳定上升至正常工作范围值。
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图2 PID控制器控制原理
总之，柴油机转速控制对于船舶海上航行的安全有着重要意义。以往的控制方法对于柴油机的动态性能影响较大，使得发生负荷突变情况时，极易发生事故。针对这种安全性问题，将PID控制器应用在柴油机转速控制中，通过PID控制器控制柴油机调速器，根据实时更新的控制规则和控制量的实时变化情况，及时安全地控制柴油机转速，使其始终保持正常工作状态。
参考文献：
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