工程机械发动机电脑控制系统的研究与开发0宝鸡

工程机械发动机电脑控制系统的研究与开发

工程机械发动机电脑控制系统的研究与开发 2011年12月04日 来源： 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，19892 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，1987４ 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)

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