CN114488842B - 柴油机电子调速器的仿真测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种柴油机电子调速器的仿真测试系统及方法，该仿真测试系统包括待测试的电子调速器，还包括上位机及柴油机仿真模块，柴油机仿真模块包括仿真控制器、电机驱动器、直流伺服电机、安装在直流伺服电机的测速飞轮部位的转速传感器、以及安装在直流伺服电机的输出轴的光电编码器；仿真控制器，用于基于串级控制方式，根据油门开度信号及驱动电流信号，通过电机驱动器驱动直流伺服电机以模拟柴油机的运行；上位机，用于监测直流伺服电机的转速信号及监测油门开度信号，并输出监测结果。实施本发明的技术方案，提升了核安全相关设备的可靠性，保障了柴油机安全稳定运行。而且，由于系统中带有转速传感器，可真实有效地识别到转速信号。

Description

柴油机电子调速器的仿真测试系统及方法

技术领域

本发明涉及核电领域，尤其涉及一种柴油机电子调速器的仿真测试系统及方法。

背景技术

柴油机电子调速器是将发动机稳定控制在设定工作转速下运行的精密控制装置，其采用PID算法和闭环控制策略使发动机转速处于动态平衡状态，是柴油机的关键部件之一。

为了适应的柴油机工况，需要分析电子调速器的关键参数对调速性能的影响，使柴油机的运行能够满足稳态和动态的要求。常规方法是在柴油机上直接进行电子调速器的参数整定、性能测试、故障检测等，但这样效率低、不安全、又不经济，并且终端用户并不具备专业的柴油机试验平台和设备。

目前，柴油机电子调速器的仿真多利用Simulink仿真工具，它基于MATLAB的框图设计环境实现动态系统建模，其工程思路是建立柴油机全工作范围动态仿真模型，通过输入输出接口与电子调速器相连构成一闭环控制系统，从而完成电子调速器功能和性能测试。但是，该系统中并没有接入齿轮转速传感器部分(电子调速系统的部件之一)，只是将理想化的传感器波形信号发送给电子调速器的控制器，这样仿真系统对以下的情况就无法进行判断：转速信号丢失、波形失真，也无法获知转速信号幅值、实时性的要求，另外，还无法识别电子调速器中转速信号处理电路的有效性。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种柴油机电子调速器的仿真测试系统及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种柴油机电子调速器的仿真测试系统，包括待测试的电子调速器，还包括上位机及柴油机仿真模块，所述柴油机仿真模块包括仿真控制器、电机驱动器、直流伺服电机、安装在所述直流伺服电机的测速飞轮部位的转速传感器、以及安装在所述所述直流伺服电机的输出轴的光电编码器；

所述电子调速器的反馈端连接所述光电编码器的输出端，所述电子调速器的输出端接入所述仿真控制器；

所述仿真控制器，用于基于串级控制方式，根据所述电子调速器输出的油门开度信号及所述直流伺服电机的驱动电流信号，通过所述电机驱动器驱动所述直流伺服电机以模拟柴油机的运行；

所述上位机，用于通过所述转速传感器监测所述直流伺服电机的转速信号及通过所述仿真控制器监测所述油门开度信号，并输出监测结果。

优选地，所述上位机，还用于根据所述转速信号生成转速曲线，及根据所述油门开度信号生成油门开度曲线，并输出所述转速曲线及所述油门开度曲线。

优选地，所述电子调速器包括依次连接的转速控制器、电磁执行器和位移传感器，而且，

所述上位机，还用于对输入至所述转速控制器的转速信号、所述转速控制器输出的PWM信号、所述电磁执行器的执行电流信号进行监测，并输出监测结果。

优选地，所述上位机，还用于根据所述PWM信号生成PWM信号曲线，及根据所述执行电流信号生成执行电流曲线，并输出所述PWM信号曲线及所述执行电流曲线。

优选地，所述仿真控制器，用于通过所述电机驱动器驱动所述直流伺服电机以模拟柴油机的稳态运行和/或负载突变过程的动态运行。

本发明还构造一种柴油机电子调速器的仿真测试方法，应用于以上所述的仿真测试系统，包括：

仿真控制器基于串级控制方式，根据电子调速器输出的油门开度信号及直流伺服电机的驱动电流信号，通过电机驱动器驱动所述直流伺服电机，以模拟柴油机的运行；

上位机通过转速传感器监测所述直流伺服电机的转速信号及通过所述仿真控制器监测所述油门开度信号，并输出监测结果。

优选地，还包括：

上位机根据所述转速信号生成转速曲线，及根据所述油门开度信号生成油门开度曲线，并输出所述转速曲线及所述油门开度曲线。

优选地，还包括：

上位机对输入至所述电子调速器的转速控制器的转速信号、所述转速控制器输出的PWM信号、所述电子调速器的电磁执行器的执行电流信号进行监测，并输出监测结果。

优选地，还包括：

上位机根据所述PWM信号生成PWM信号曲线，及根据所述执行电流信号生成执行电流曲线，并输出所述PWM信号曲线及所述执行电流曲线

优选地，所述通过电机驱动器驱动所述直流伺服电机，以模拟柴油机的运行，包括：

通过所述电机驱动器驱动所述直流伺服电机，以模拟柴油机的稳态运行和/或负载突变过程的动态运行。

本发明所提供的技术方案，可在脱机状态下对电子调速器的性能进行测试、关键参数进行检测，提升了核安全相关设备的可靠性，保障了柴油机安全稳定运行。而且，由于系统中带有转速传感器，可真实有效地识别到转速信号，对于转速信号丢失、波形失真的情况能及时判断，同时，对于电子调速器的转速信号处理电路的有效性也能进行识别。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图中：

图1是本发明柴油机电子调速器的仿真测试系统实施例一的逻辑结构图；

图2是本发明柴油机电子调速器的仿真测试方法实施例一的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

首先说明的是，以TBD234V8柴油机及ESG1000型电子调速器为例，该电子调速器的核心是采用自动控制领域的PID调节方式，通过对发动机油量的实时调整使其稳定在设定的转速值，该电子调速器在出厂前和维修后都需要进行性能试验，以设定合适的控制参数满足其调节性能。同时，因为控制对象为柴油发动机，发动机本身缸数、发火特性、回转不均匀性、负载特性和机械磨损都会都对调速性能产生影响，在终端用户只能在柴油机上直接进行电子调速器的参数整定、性能测试、维修后性能恢复，这样效率低、不安全、又不经济，并且终端用户并不具备专业的柴油机试验台和设备，所以为柴油机电子调速器的检修和维护带来困难。

进行半物理仿真是调速器进行实际配机试验之前不可缺少的环节，本发明的技术方案在脱机状态下对电子调速器的性能进行测试，关键参数进行检测和调整，因此，可更加方便地对电子调速器故障现象进行在现，以及对故障点进行排查。

本发明构造一种水压试验泵柴油机调速系统半物理仿真平台，以TBD234V8柴油机及ESG1000型电子调速器为对象，将整套电子调速器接入由仿真控制器和直流伺服电机系统组成的控制回路中，构建了柴油机调速系统仿真测试平台，可对柴油机调速系统的稳态和动态特性进行仿真测试，对于调速系统的动态分析和故障检测具有参考价值。

图1是本发明柴油机电子调速器的仿真测试系统实施例一的逻辑结构图，该实施例的仿真测试系统包括上位机10、柴油机仿真模块20和待测试的电子调速器30。其中，柴油机仿真模块20包括仿真控制器21、电机驱动器22、直流伺服电机23、安装在直流伺服电机23的测速飞轮部位的转速传感器24、以及安装在直流伺服电机23的输出轴的光电编码器25，转速传感器24例如为磁电式转速传感器，即，齿轮转速传感器。电子调速器30的反馈端连接光电编码器25的输出端，电子调速器30的输出端接入仿真控制器21，即，电子调速器30根据光电编码器输入的转速信号，进行差分和PID的运算，并产生油门开度信号以传送给仿真控制器21。仿真控制器21用于基于串级控制方式，根据电子调速器30输出的油门开度信号及直流伺服电机23的驱动电流信号，通过电机驱动器22驱动直流伺服电机23，以模拟柴油机的运行；上位机10用于通过转速传感器24监测直流伺服电机23的转速信号及通过仿真控制器21监测油门开度信号，并输出监测结果。

在该仿真测试系统中，直流伺服电机23的转速信号由装于直流伺服电机23的测速飞轮上的转速传感器24及装于直流伺服电机23输出轴的光电编码器25检测，而且，光电编码器25检测的转速信号传输给电子调速器30，电子调速器30产生的油门开度信号送入仿真控制器21，仿真控制器21通过油门开度信号和直流伺服电机23的驱动电流的非线性设定，以及电机控制环路的PID参数设置来模拟柴油机的运行，通过这样的PID串级控制使调速系统在所设定的转速下稳定运转，从而搭建了柴油机调速仿真平台。而且，由于系统中加入了转速传感器，可真实有效地识别到转速信号，对于转速信号丢失、波形失真的情况能及时判断，同时，对于电子调速器的转速信号处理电路的有效性也能进行识别。

进一步地，上位机10还用于根据转速信号生成转速曲线，及根据油门开度信号生成油门开度曲线，并输出该转速曲线及该油门开度曲线。这样，可直观地观察到模拟柴油机的转速/油量变化特性。

进一步地，结合图1，电子调速器30包括依次连接的转速控制器31、电磁执行器32和位移传感器33，在此需说明的是，以ESC1000A型转速控制器31为例，转速控制器31对输入的转速信号进行差分和PID运算，运算结果以PWM方波的形式输出，并驱动ESA1000A2-J型电磁执行器32动作，电磁执行器32的输出齿杆连接到有效行程为25mm的位移传感器33，动作后位移传感器33产生的位移变化量(油门开度信号)作为输入信号传送给由仿真控制器21、电机驱动器22和直流伺服电机23组成的电机控制回路。而且，上位机30还用于对输入至转速控制器31的转速信号、转速控制器31输出的PWM信号、电磁执行器32的执行电流信号进行监测，并输出监测结果。

在一个可选实施例中，上位机10还用于根据该PWM信号生成PWM信号曲线，及根据执行电流信号生成执行电流曲线，并输出PWM信号曲线及执行电流曲线。在该实施例中，还分别对电子调速器30的转速信号、执行电流信号、PWM信号、油门开度信号进行监测，并模拟由负载突变过程中转速的瞬态响应特性，通过上位机显示电子调速器的关键参数，包括转速曲线、油量曲线、执行电流曲线等。

进一步地，仿真控制器21用于通过电机驱动器22驱动直流伺服电机23，以模拟柴油机的稳态运行和/或负载突变过程的动态运行。

在一个具体应用中，4台LLS柴油机采用的是ESG1000A2-J型电子调速器，针对该型电子调速器和LLS柴油机设计开发的仿真测试平台可检测电调系统的电压、电流、占空比、油门位置、运行转速等关键参数，模拟进行加、减载试验，实时显示转速曲线和油门曲线，更加方便的对电子调速器进行维护和检修。而且，该仿真测试平台在研发过程中，加强了对电子调速器的控制逻辑和性能参数的理解，完善了电子调速器的预防性检修方案和标准，更有利于提升LLS柴油机的安全可靠性。后续还可继续利用此平台对故障的电子调速器进行检测和人员技能的培养。

图2是本发明柴油机电子调速器的仿真测试方法实施例一的流程图，该实施例的仿真测试方法应用于以上所述的仿真测试系统，结合图1，该实施例的仿真测试方法，包括以下步骤：

步骤S10.仿真控制器基于串级控制方式，根据电子调速器输出的油门开度信号及直流伺服电机的驱动电流信号，通过电机驱动器驱动所述直流伺服电机，以模拟柴油机的运行；

步骤S20.上位机通过转速传感器监测所述直流伺服电机的转速信号及通过所述仿真控制器监测所述油门开度信号，并输出监测结果。

在一个可选实施例中，本发明的仿真测试方法还进一步包括：

上位机根据所述转速信号生成转速曲线，及根据所述油门开度信号生成油门开度曲线，并输出所述转速曲线及所述油门开度曲线。

在一个可选实施例中，本发明的仿真测试方法还进一步包括：

上位机对输入至所述电子调速器的转速控制器的转速信号、所述转速控制器输出的PWM信号、所述电子调速器的电磁执行器的执行电流信号进行监测，并输出监测结果。

在一个可选实施例中，本发明的仿真测试方法还进一步包括：

上位机根据所述PWM信号生成PWM信号曲线，及根据所述执行电流信号生成执行电流曲线，并输出所述PWM信号曲线及所述执行电流曲线

在一个可选实施例中，通过电机驱动器驱动所述直流伺服电机，以模拟柴油机的运行，具体包括：通过所述电机驱动器驱动所述直流伺服电机，以模拟柴油机的稳态运行和/或负载突变过程的动态运行。

通过该技术方案，可在脱机状态下对电子调速器的性能进行测试、关键参数进行检测及调整，提升了核安全相关设备的可靠性，保障LLS柴油机安全稳定运行。而且，由于系统中带有转速传感器，可真实有效地识别到转速信号，对于转速信号丢失、波形失真的情况能及时判断，同时，对于电子调速器的转速信号处理电路的有效性也能进行识别。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何纂改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (8)

1.一种柴油机电子调速器的仿真测试系统，包括待测试的电子调速器，其特征在于，还包括上位机及柴油机仿真模块，所述柴油机仿真模块包括仿真控制器、电机驱动器、直流伺服电机、安装在所述直流伺服电机的测速飞轮部位的转速传感器、以及安装在所述所述直流伺服电机的输出轴的光电编码器；

所述电子调速器包括依次连接的转速控制器、电磁执行器和位移传感器，且所述转速控制器的反馈端连接所述光电编码器的输出端，所述位移传感器的输出端接入所述仿真控制器；

所述仿真控制器，用于基于PID串级控制方式，根据所述电子调速器输出的油门开度信号及所述直流伺服电机所反馈的驱动电流信号，通过所述电机驱动器驱动所述直流伺服电机以模拟柴油机的运行；

所述上位机，用于通过所述转速传感器监测所述直流伺服电机的转速信号及通过所述仿真控制器监测所述油门开度信号，并输出监测结果；还用于对输入至所述转速控制器的转速信号、所述转速控制器输出的PWM信号、所述电磁执行器的执行电流信号进行监测，并输出监测结果。

2.根据权利要求1所述的柴油机电子调速器的仿真测试系统，其特征在于，

所述上位机，还用于根据所述转速信号生成转速曲线，及根据所述油门开度信号生成油门开度曲线，并输出所述转速曲线及所述油门开度曲线。

3.根据权利要求1所述的柴油机电子调速器的仿真测试系统，其特征在于，

所述上位机，还用于根据所述PWM信号生成PWM信号曲线，及根据所述执行电流信号生成执行电流曲线，并输出所述PWM信号曲线及所述执行电流曲线。

4.根据权利要求1-3任一项所述的柴油机电子调速器的仿真测试系统，其特征在于，

所述仿真控制器，用于通过所述电机驱动器驱动所述直流伺服电机以模拟柴油机的稳态运行和/或负载突变过程的动态运行。

5.一种柴油机电子调速器的仿真测试方法，应用于权利要求1-4任一项所述的仿真测试系统，其特征在于，包括：

仿真控制器基于PID串级控制方式，根据电子调速器输出的油门开度信号及直流伺服电机所反馈的驱动电流信号，通过电机驱动器驱动所述直流伺服电机，以模拟柴油机的运行；

上位机通过转速传感器监测所述直流伺服电机的转速信号及通过所述仿真控制器监测所述油门开度信号，并输出监测结果；

上位机对输入至所述电子调速器的转速控制器的转速信号、所述转速控制器输出的PWM信号、所述电子调速器的电磁执行器的执行电流信号进行监测，并输出监测结果。

6.根据权利要求5所述的柴油机电子调速器的仿真测试方法，其特征在于，还包括：

上位机根据所述转速信号生成转速曲线，及根据所述油门开度信号生成油门开度曲线，并输出所述转速曲线及所述油门开度曲线。

7.根据权利要求5所述的柴油机电子调速器的仿真测试方法，其特征在于，还包括：

上位机根据所述PWM信号生成PWM信号曲线，及根据所述执行电流信号生成执行电流曲线，并输出所述PWM信号曲线及所述执行电流曲线。

8.根据权利要求5-7任一项所述的柴油机电子调速器的仿真测试方法，其特征在于，所述通过电机驱动器驱动所述直流伺服电机，以模拟柴油机的运行，包括：

通过所述电机驱动器驱动所述直流伺服电机，以模拟柴油机的稳态运行和/或负载突变过程的动态运行。