柴油机模拟式PID调速电路

技术领域

本发明属于发动机技术领域，具体涉及一种柴油机模拟式PID调速电路。

背景技术

柴油机模拟式电液调速器是一种新型的电液调速器，它可以通过纯模拟式电路配合机械液压放大机构实现大力矩输出以及电子调速控制，相比机械液压调速器具有更高的调速精度，相比纯数字式电子调速器具有更简单的电路组成、更大的输出力矩、无需通过程序控制，可靠性高，使用简单，能满足高功率柴油机的调速需求。它是一种能自动对柴油机循环供油量进行调节的控制装置。它可以随着柴油机负荷的大小，调节柴油机的循环供油量，从而保证柴油机转速恒定，防止柴油机因负荷减小而超速飞车以及负荷增大而熄火停车等意外情况发生。

模拟式PID调速电路是柴油机模拟式电液调速器的重要组成部分，它接收来自外界的柴油机转速信号和控制转速设定信号，经过运算处理，输出控制指令信号控制与柴油机供油齿条相连的柴油机电液调速器执行机构动作，从而实现柴油机供油量控制。

由于电子调速器执行机构驱动电流和尺寸限制，现在大功率柴油机上应用较多的还是传统的机械液压式调速器，机械液压式调速器由于速度的测量和放大都是通过机械元件来实现的，因此，不可避免地存在惯性滞后和摩擦阻力等缺陷，且控制方式单一，无法实现较复杂的控制算法，其调节的精度不高，一般不能满足高精度的调速要求。

因此，有必要开发一种新的柴油机模拟式PID调速电路。

发明内容

本发明的目的是提供一种柴油机模拟式PID调速电路，由纯模拟式电路组成，能采集柴油机的实际转速信号，并按照设定的转速信号指令自动控制柴油机供油齿条动作，实现对柴油机供油量的自动调节，以保证柴油机转速稳定。

本发明所述的一种柴油机模拟式PID调速电路，包括速度比较模块、速度偏差比例模块、速度偏差积分模块、速度偏差微分模块、速度偏差处理模块和功率放大模块；

所述速度比较模块对当前速度电压信号以及设定速度电压信号进行偏差计算，给速度偏差比例模块、速度偏差积分模块、速度偏差微分模块提供速度偏差信号，该速度比较模块分别与速度偏差比例模块、速度偏差积分模块、速度偏差微分模块连接；

所述速度偏差比例模块将输入的速度偏差信号进行比例运算处理，该速度偏差比例模块与速度偏差处理模块连接；

所述速度偏差积分模块将输入的速度偏差信号进行积分运算处理，该速度偏差积分模块与速度偏差处理模块连接；

所述速度偏差微分模块将输入的速度偏差信号进行微分运算处理，该速度偏差微分模块与速度偏差处理模块连接；

所述速度偏差处理模块将速度偏差信号进行比例、积分、微分运算后的结果进行运算处理，输出PID控制信号至功率放大模块进行控制信号转换，该速度偏差处理模块与功率放大模块连接；

所述功率放大模块用来接收来自速度偏差处理模块计算处理后的PID控制信号，并将其进行功率放大和大小范围限定，然后输出指令信号控制调速器执行器进行调速动作。

可选地，所述速度比较模块包括运算放大器U1、运算放大器U4、电阻R3、电阻R4、电阻R6、电阻R7、电阻R10、电阻R17、电阻R19、电阻R21、电阻R24、电阻R27和电阻R29，其中：

所述运算放大器U1的3脚经电阻R6后分别与电阻R3的一端、电阻R4的一端连接；运算放大器U1的3脚还经电阻R7后与运算放大器U1的6脚连接；运算放大器U1的3脚还经电阻R10后接地；所述运算放大器U1、电阻R6、电阻R7和电阻R10用于将当前速度信号FVout或设定速度信号Target进行信号取反；

所述运算放大器U4的2脚经电阻R19与运算放大器U1的6脚连接；

所述运算放大器U4的2脚经电阻R24分别与电阻R17的一端、电阻R21的一端连接；运算放大器U4的2脚还经电阻R27与运算放大器U4的6脚连接，运算放大器U4的3脚经电阻R29后接地；运算放大器U4、电阻R19、电阻R24、电阻R27、电阻R29组成加法电路，产生速度偏差信号(Target-FVout)或(FVout-Target)；

所述电阻R3、电阻R4、电阻R17、电阻R21为选择性配置电阻，用于选择速度偏差信号(Target-FVout)或(FVout-Target)。

可选地，所述速度偏差比例模块中包括运算放大器U2、电阻R5、电阻R8和电阻R11，其中：

运算放大器芯片U2的2脚与电阻R5的一端连接；运算放大器芯片U2的的2脚还经电阻R8与运算放大器芯片U2的6脚连接，运算放大器芯片U2的3脚经电阻R11后接地；

所述速度比较模块输出的速度偏差信号(Target-FVout)或(FVout-Target)作为速度偏差比例模块的输入信号输入，电阻R5、电阻R8用于决定速度偏差信号比例运算大小，运算放大器芯片U2的6脚的输出信号为A1,A1＝-R8/R5*速度偏差信号。

可选地，所述速度偏差积分模块包括运算放大器U5、电阻R23、电阻R25、电阻R30和电容C1，其中：

运算放大器U5的2脚经电阻R25后与电阻R23的一端连接；运算放大器U5的2脚还经电容C1后与运算放大器U5的6脚连接；运算放大器U5的3脚经电阻R30后接地；

所述速度比较模块输出的速度偏差信号(Target-FVout)或(FVout-Target)作为速度偏差积分模块的输入信号输入，运算放大器U5的6脚的输出信号为A2；

所述电阻R23、电阻R25、电容C1决定积分常数大小。

可选地，所述速度偏差微分模块包括运算放大器U6、电阻R37、电阻R38、电阻R40、电阻R45和电容C2，其中：

运算放大器U6的3脚经电容C2后与电阻R37的一端连接；

运算放大器U6的3脚经2脚经电阻R38、电阻R40与运算放大器U6的6脚连接；

运算放大器U6的3脚还经电阻R45后接地；

将所述速度比较模块输出的速度偏差信号(Target-FVout)或(FVout-Target)作为速度偏差微分模块的输入信号输入，运算放大器U6的6脚的输出信号为A3,

可选地，所述速度偏差处理模块包括运算放大器U3、运算放大器U8、电阻R9、电阻R16、电阻R18、电阻R26、电阻R28、电阻R33、电阻R36、电阻R39、电阻R49、电阻R50、电阻R51、电阻R52和电阻R53，其中：

所述运算放大器U3的2脚经电阻R9与运算放大器U2的6脚连接；所述运算放大器U3的2脚还经电阻R26与运算放大器U5的6脚连接；所述运算放大器U3的2脚还经电阻R39与运算放大器U6的6脚连接；所述运算放大器U3的2脚还经电阻R16、电阻R28和电阻R36后接地；所述电阻R28和电阻R36的连接点经电阻R33、电阻R51和电阻R53后接地；所述电阻R51和电阻R53的连接点经电阻R49接电源；所述运算放大器U3的3脚经电阻R18接地；所述运算放大器U8的2脚经电阻R52后与运算放大器U8的6脚连接；所述运算放大器U8的2脚还经电阻R50后接地；

运算放大器U3及电阻R9、电阻R16、电阻R18、电阻R26、电阻R39组成加法电路，运算放大器U3的6脚的输出信号为A4,

运算放大器U8及电阻R28、电阻R33、电阻R36、电阻R49、电阻R50、电阻R51、电阻R52、电阻R53组成偏置加法电路，运算放大器U8的6脚的输出信号为A5，

将-12V～12V的原始PID控制信号范围转换为0～12V。

可选地，所述功率放大模块包括运算放大器U7、电阻R43、电阻R48、电阻R5、电阻R41、电阻R42、电阻R44、电容C4、MOS管Q1，其中：

运算放大器U7的3脚经电阻R43接电源，运算放大器U7经电阻R48接地；

运算放大器U7的6脚依次经电阻R5、MOS管Q1和电阻R44后接地；

运算放大器U7的2脚还与电阻R41的一端连接；

运算放大器U7的2脚还经电阻R42与MOS管Q1的源极连接；

所述运算放大器U7、电阻R43、电阻R48、电阻R5、电阻R41、电阻R42、电阻R44、电容C4和MOS管Q1组成控制电流输出电路，电阻R43、电阻R48、电阻R41、电阻R42通过配置能确定输出控制电流电压范围，功率电阻R44能确定输出控制电流大小，MOS管Q1由运算放大器U7进行开断控制以实现控制电流输出。

可选地，所述运算放大器U1至运算放大器U8的型号均为TL081。

可选地，所述电阻R5为10K可调电位器；电阻R23为1M可调电位器；电阻R40为100K可调电位器；电阻R44为10Ω/12W的功率电阻。

可选地，所述MOS管Q1的型号为IRF4615。

本发明具有以下优点：

(1)该模拟式PID调速电路采用纯模拟式电路组成，相比单片机数字式调速，具有更简单地电路组成，无需通过程序控制，可靠性更高且便于使用；

(2)该模拟式PID调速电路采用正作用+反作用可配置的控制方式控制调速器执行机构进行调速动作，根据调速器执行机构的控制原理可灵活配置控制方式与之匹配。

附图说明

图1为本实施例的原理框图；

图2为本实施例中速度比较模块的电路图；

图3为本实施例中速度偏差比例模块的电路图；

图4为本实施例中速度偏差积分模块的电路图；

图5为本实施例中速度偏差微分模块的电路图；

图6为本实施例中速度偏差处理模块的电路图；

图7为本实施例中功率放大模块的电路图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，本发明所述的一种柴油机模拟式PID调速电路，包括速度比较模块1、速度偏差比例模块2、速度偏差积分模块3、速度偏差微分模块4、速度偏差处理模块5和功率放大模块6；具体连接关系如下：

所述速度比较模块1对当前速度电压信号以及设定速度电压信号进行偏差计算，给速度偏差比例模块2、速度偏差积分模块3、速度偏差微分模块4提供速度偏差信号，该速度比较模块1分别与速度偏差比例模块2、速度偏差积分模块3、速度偏差微分模块4连接。所述速度偏差比例模块2将输入的速度偏差信号进行比例运算处理，该速度偏差比例模块2与速度偏差处理模块5连接。所述速度偏差积分模块3将输入的速度偏差信号进行积分运算处理，该速度偏差积分模块3与速度偏差处理模块5连接。所述速度偏差微分模块4将输入的速度偏差信号进行微分运算处理，该速度偏差微分模块4与速度偏差处理模块5连接。所述速度偏差处理模块5将速度偏差信号进行比例、积分、微分运算后的结果进行运算处理，输出PID控制信号至功率放大模块6进行控制信号转换，该速度偏差处理模块5与功率放大模块6连接。所述功率放大模块6用来接收来自速度偏差处理模块5计算处理后的PID控制信号，并将其进行功率放大和大小范围限定，然后输出指令信号控制调速器执行器进行调速动作。

如图2所示，本实施例中，所述速度比较模块1包括运算放大器U1、运算放大器U4、电阻R3、电阻R4、电阻R6、电阻R7、电阻R10、电阻R17、电阻R19、电阻R21、电阻R24、电阻R27和电阻R29，具体连接关系如下：

所述运算放大器U1的3脚经电阻R6后分别与电阻R3的一端、电阻R4的一端连接；运算放大器U1的3脚还经电阻R7后与运算放大器U1的6脚连接；运算放大器U1的3脚还经电阻R10后接地。所述运算放大器U4的2脚经电阻R19与运算放大器U1的6脚连接；所述运算放大器U4的2脚经电阻R24分别与电阻R17的一端、电阻R21的一端连接；运算放大器U4的2脚还经电阻R27与运算放大器U4的6脚连接，运算放大器U4的3脚经电阻R29后接地。

其中，运算放大器U1、电阻R6、电阻R7和电阻R10用于将当前速度信号FVout或设定速度信号Target进行信号取反。运算放大器U4、电阻R19、电阻R24、电阻R27、电阻R29组成加法电路，产生速度偏差信号(Target-FVout)或(FVout-Target)，电阻R3、电阻R4、电阻R17、电阻R21为选择性配置电阻，用于选择速度偏差信号为(Target-FVout)或(FVout-Target)。这样就可以计算目标转速信号和实际转速信号的转速差。其中，运算放大器U4的6脚为速度偏差信号的输出脚。

如图3所示，本实施例中，所述速度偏差比例模块2中包括运算放大器芯片U2、电阻R5、电阻R8和电阻R11，具体连接关系如下：

运算放大器芯片芯片U2的2脚与电阻R5的一端连接,电阻R5的另一端与运算放大器U4的6脚连接；运算放大器芯片芯片U2的的2脚还经电阻R8与运算放大器芯片芯片U2的6脚连接，运算放大器芯片芯片U2的3脚经电阻R11后接地；

所述速度比较模块1输出的速度偏差信号(Target-FVout)或(FVout-Target)作为速度偏差比例模块2的输入信号输入，速度偏差比例模块2可将转速偏差信号进行比例换算，电阻R5、电阻R8用于决定速度偏差信号比例运算大小，运算放大器U2的6脚的输出信号为A1,A1＝-R8/R5*速度偏差信号。

如图4所示，本实施例中，速度偏差积分模块3包括运算放大器U5、电阻R23、电阻R25、电阻R30和电容C1，具体连接关系如下：

运算放大器U5的2脚经电阻R25后与电阻R23的一端连接，电阻R23的另一端与运算放大器U4的6脚连接；运算放大器U5的2脚还经电容C1后与运算放大器U5的6脚连接；运算放大器U5的3脚经电阻R30后接地。

所述速度比较模块1输出的速度偏差信号(Target-FVout)或(FVout-Target)作为速度偏差积分模块3的输入信号输入，运算放大器U5的6脚的输出信号为A2,

如图5所示，本实施例中，所述速度偏差微分模块4包括运算放大器U6、电阻R37、电阻R38、电阻R40、电阻R45和电容C2，具体连接关系如下：

运算放大器U6的3脚经电容C2后与电阻R37的一端连接，电阻R37的另一端与运算放大器U4的6脚连接；运算放大器U6的3脚经2脚经电阻R38、电阻R40与运算放大器U6的6脚连接；运算放大器U6的3脚还经电阻R45后接地。

将所述速度比较模块1输出的速度偏差信号(Target-FVout)或(FVout-Target)作为速度偏差微分模块4的输入信号输入，运算放大器U6的6脚的输出信号为A3,

如图6所示，本实施例中，速度偏差处理模块5包括运算放大器U3、运算放大器U8、电阻R9、电阻R16、电阻R18、电阻R26、电阻R28、电阻R33、电阻R36、电阻R39、电阻R49、电阻R50、电阻R51、电阻R52和电阻R53，具体连接关系如下：

所述运算放大器U3的2脚经电阻R9与运算放大器U2的6脚连接；所述运算放大器U3的2脚还经电阻R26与运算放大器U5的6脚连接；所述运算放大器U3的2脚还经电阻R39与运算放大器U6的6脚连接；所述运算放大器U3的2脚还经电阻R16、电阻R28和电阻R36后接地；所述电阻R28和电阻R36的连接点经电阻R33、电阻R51和电阻R53后接地；所述电阻R51和电阻R53的连接点经电阻R49接电源；所述运算放大器U3的3脚经电阻R18接地；所述运算放大器U8的2脚经电阻R52后与运算放大器U8的6脚连接；所述运算放大器U8的2脚还经电阻R50后接地。

运算放大器U3及电阻R9、电阻R16、电阻R18、电阻R26、电阻R39组成加法电路，运算放大器U3的6脚的输出信号为A4,

运算放大器U8及电阻R28、电阻R33、电阻R36、电阻R49、电阻R50、电阻R51、电阻R52、电阻R53组成偏置加法电路，运算放大器U8的6脚的输出信号为A5；

如图7所示，本实施例中，所述功率放大模块6包括运算放大器U7、电阻R43、电阻R48、电阻R5、电阻R41、电阻R42、电阻R44、电容C4、MOS管Q1，具体连接关系如下：

运算放大器U7的3脚经电阻R43接电源，运算放大器U7经电阻R48接地；运算放大器U7的6脚依次经电阻R5、MOS管Q1和电阻R44后接地；运算放大器U7的2脚还与电阻R41的一端连接，电阻R41的另一端经二极管D1与运算放大器U8的6脚连接；运算放大器U7的2脚还经电阻R42与MOS管Q1的源极连接，MOS管Q1的漏极与电路的电流输出端相连接。

所述运算放大器U7、电阻R43、电阻R48、电阻R5、电阻R41、电阻R42、电阻R44、电容C4和MOS管Q1组成控制电流输出电路；电阻R43、电阻R48、电阻R41、电阻R42通过配置能确定输出控制电流电压范围，功率电阻R44能确定输出控制电流大小，MOS管Q1由运算放大器U7进行开断控制以实现控制电流输出。

本实施例中，所述运算放大器U1至运算放大器U8的型号均为TL081。

本实施例中，所述电阻R5为10K可调电位器；电阻R23为1M可调电位器；电阻R40为100K可调电位器；电阻R44为10Ω/12W的功率电阻。

本实施例中，所述MOS管Q1的型号为IRF4615。

本实施例中，将柴油机模拟式PID调速电路配置有操作面板，操作者可在操作面板上方便地进行PID整定参数调节，无需进行软件在线整定。