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摘要： 针对装甲车辆柴油机在高原地区关键部件不能得到有效冷却导致柴油机故障频发，影响着装甲车辆的可靠性和作战效能发挥的问题，研究高原环境下柴油机冷却系统控制方案优化方法，提出了基于柴油机工况开环控制和基于柴油机出水口温度PID闭环反馈相结合的控制方法。最后以海拔5000m时为例编制了开环控制MAP图，对控制方案进行了模型仿真，结果表明优化后的控制系统能够有效提高冷却系统散热能力。
Abstract： Aiming at the problem that the key components of armored vehicle diesel engine can not be effectively cooled in plateau area， which leads to frequent diesel engine failures and affects the reliability and operational effectiveness of armored vehicles， the optimization method of control scheme of diesel engine cooling system in plateau environment is studied， A control method based on diesel engine open-loop control and PID closed-loop feedback is proposed. At last， an open-loop control map is drawn up when the altitude is 5000m， and the control scheme is simulated. The results show that the optimized control system can effectively improve the cooling capacity of the cooling system.
关键词：装甲车辆;柴油机;冷却系统;控制方案;高原环境
Key words： armored vehicle;diesel engine;cooling system;control scheme;plateau environment
中图分类号：U664.121.1 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）17-0004-02
0 引言
对某型装甲车辆大功率柴油机高原地区运行技术状况的统计表明：在高原地区柴油机冷却水温度偏高，柴油机关键部件不能得到有效冷却导致柴油机拉缸、活塞烧顶、缸盖缸垫烧蚀等事故经常发生，严重影响着装甲车辆的可靠性和作战效能的发挥[1-3]。
文献[4]设计了基于预置MAP与模糊控制相结合的高低温双循环冷却系统冷却液温度控制策略，但并非针对高原环境。为了保证高原条件下柴油机的可靠工作，提高柴油机的高原适应能力，有必要研究优化高原环境下柴油机冷却系统控制方案。本文以某型装甲车辆大功率风冷柴油机为研究对象，研究其冷却系统控制方案优化方法，为提升柴油机高原适应性提供理论指导和技术途径。
本文以某型装甲车辆大功率风冷柴油机为研究对象，研究其冷却系统控制方案优化方法，为提升柴油机高原适应性提供理论指导和技术途径。
1 柴油机冷却系统控制方案
冷却系统控制的目标是使柴油机进出水温度维持在一定范围内，控制的方法主要有降低柴油机热负荷、强化冷却系统散热能力以及冷却系统智能化控制。
柴油机热负荷控制是在柴油机上通过采用中冷技术进一步降低进入气缸内空气的温度，从而降低柴油机涡轮前后排温，改善缸内燃烧条件，最终降低柴油机的热负荷。由于该型柴油机采用风冷技术，因此不考虑热负荷控制方案。
结合该型装甲车辆的实际，柴油机冷却系统控制方案主要采用电控风扇、电控水泵，可以根据环境条件、运行工况以及柴油机出水口温度来动态的调节风扇和水泵的转速，进而控制冷却系统的散热量，实现冷却系统智能化控制。
本文采用的控制方案是基于柴油机工况的开环控制系统和基于柴油机出水口温度的PID算法闭环反馈系统相结合的控制方法。考虑到该型装甲车辆风扇惯性大，经常性调整风扇转速需要较大功耗，因此对风扇采取开环控制方法，对水泵采取开环和闭环相结合的控制方法。整个控制方案根据环境条件、运行工况（柴油机转速、负荷）以及柴油机出水口温度来动态的调节风扇和水泵的转速，进而控制冷却系统的散热量，实现冷却系统智能化控制，最终有效解决装甲车辆在高原环境下散热能力不足问题，提高其高原环境适应能力。柴油机冷却系统控制方案如图1所示。在整个冷却系统控制过程中，开环控制针对于稳定工况时，能够较为快速的确定最优风扇和水泵转速;闭环控制针对于变工况时，通过对水泵转速的实时调控，使得冷却系统散热量满足需求。实现有效开环控制的关键在于控制MAP图的制定，而实现快速精确闭环控制的关键在于PID参数的确定。
1.1 开环控制方法
开环控制的工作原理是依据控制MAP图，根据环境条件、运行工况（柴油机转速、负荷）对风扇和水泵转速进行调整，使得柴油机出水口温度保持在合理范围内。因此开环MAP图的编制对于开环控制十分重要。由于高原环境对于散热器冷侧的影响最大，對于散热器热侧的影响较小，因此在编制开环MAP图过程中，主要对风扇转速MAP图进行编制，水泵转速与原冷却系统转速一致，即水泵转速MAP图与柴油机转速成一定比例。在柴油机传散热耦合模型中，改变风扇转速，以出口水温不超过95℃为目标进行迭代计算。 1.2 闭环控制方法
闭环控制PID控制算法，通过对比柴油机出水口温度和目标温度，当二者之间存在偏差时，PID控制器可对水泵转速进行修正，使得柴油机出水口温度接近目标温度。
PID控制主要是根据系统的误差值，利用比例、积分、微分算法，计算出控制调节量，最终实现对整个系统的精准控制。基本PID控制系统如图2所示。
在柴油机传散热耦合模型中，加入PID控制单元，其中目标温度为95℃。如图3所示。
1.3 海拔5000m下柴油機冷却系统控制方案
以海拔5000m条件下柴油机冷却系统控制方案为例，说明整个柴油机冷却系统控制方案的建立过程。考虑到柴油机传散热耦合模型计算量较大，因此选取了柴油机转速和负荷变化范围内的有限个点进行迭代计算，对于其他工况点采用插值的方式得到，最终获得风扇转速MAP图，如图4所示。
通过参考文献[10]以及模型仿真，最终确定PID参数，其中Kp=1.022，TI=0.307，TD=0。按照上述控制方案对柴油机冷却系统进行控制，通过仿真得到柴油机出水口温度随时间变化曲线，如图5所示。由图看出，在380s时柴油机出水口温度基本稳定在目标温度附近，说明该控制方案有效，能够提高冷却系统的散热能力。
2 结束语
通过仿真计算得到不同环境、转速、负荷、出水温度对应的最优风扇转速，采用基于柴油机工况的开环控制系统和基于柴油机出水口温度的PID算法闭环反馈系统相结合的控制方法，并实时对比实际柴油机出水温度和目标温度，实现了闭环反馈控制，并以海拔5000m时为例对控制方案进行了模型仿真，表明控制方案较为有效。
参考文献：
[1]和穆.高原坦克动力装置状态监测与寿命预测方法研究
[D].北京：装甲兵工程学院，2012.
[2]康琦.高原条件下柴油机冷却系统传散热分析及优化研究[D].北京：陆军装甲兵学院，2018.
[3]刘建敏，何盼攀，王普凯，等.两级增压中冷柴油机冷却散热系统高海拔性能研究[J].装甲兵工程学院学报，2016（04）：35-39.
[4]尹洪涛，骆清国，宁兴兴，司东亚.装甲车辆柴油机冷却系统控制策略研究[J].计算机测量与控制，2015，23（9）：3085-3087.
[5]姚仲鹏，王新国.车辆冷却传热[M].北京：北京理工大学出版社，2011.
[6]GAMMA TECHNOLOGIES， INC. GT-SUITE Controls Tutorials[M].GAMMA TECHNOLOGIES， INC，2014.
Abstract： Aiming at the problem that the key components of armored vehicle diesel engine can not be effectively cooled in plateau area， which leads to frequent diesel engine failures and affects the reliability and operational effectiveness of armored vehicles， the optimization method of control scheme of diesel engine cooling system in plateau environment is studied， A control method based on diesel engine open-loop control and PID closed-loop feedback is proposed. At last， an open-loop control map is drawn up when the altitude is 5000m， and the control scheme is simulated. The results show that the optimized control system can effectively improve the cooling capacity of the cooling system.
关键词：装甲车辆;柴油机;冷却系统;控制方案;高原环境
Key words： armored vehicle;diesel engine;cooling system;control scheme;plateau environment
中图分类号：U664.121.1 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）17-0004-02
0 引言
对某型装甲车辆大功率柴油机高原地区运行技术状况的统计表明：在高原地区柴油机冷却水温度偏高，柴油机关键部件不能得到有效冷却导致柴油机拉缸、活塞烧顶、缸盖缸垫烧蚀等事故经常发生，严重影响着装甲车辆的可靠性和作战效能的发挥[1-3]。
文献[4]设计了基于预置MAP与模糊控制相结合的高低温双循环冷却系统冷却液温度控制策略，但并非针对高原环境。为了保证高原条件下柴油机的可靠工作，提高柴油机的高原适应能力，有必要研究优化高原环境下柴油机冷却系统控制方案。本文以某型装甲车辆大功率风冷柴油机为研究对象，研究其冷却系统控制方案优化方法，为提升柴油机高原适应性提供理论指导和技术途径。
本文以某型装甲车辆大功率风冷柴油机为研究对象，研究其冷却系统控制方案优化方法，为提升柴油机高原适应性提供理论指导和技术途径。
1 柴油机冷却系统控制方案
冷却系统控制的目标是使柴油机进出水温度维持在一定范围内，控制的方法主要有降低柴油机热负荷、强化冷却系统散热能力以及冷却系统智能化控制。
柴油机热负荷控制是在柴油机上通过采用中冷技术进一步降低进入气缸内空气的温度，从而降低柴油机涡轮前后排温，改善缸内燃烧条件，最终降低柴油机的热负荷。由于该型柴油机采用风冷技术，因此不考虑热负荷控制方案。
结合该型装甲车辆的实际，柴油机冷却系统控制方案主要采用电控风扇、电控水泵，可以根据环境条件、运行工况以及柴油机出水口温度来动态的调节风扇和水泵的转速，进而控制冷却系统的散热量，实现冷却系统智能化控制。
本文采用的控制方案是基于柴油机工况的开环控制系统和基于柴油机出水口温度的PID算法闭环反馈系统相结合的控制方法。考虑到该型装甲车辆风扇惯性大，经常性调整风扇转速需要较大功耗，因此对风扇采取开环控制方法，对水泵采取开环和闭环相结合的控制方法。整个控制方案根据环境条件、运行工况（柴油机转速、负荷）以及柴油机出水口温度来动态的调节风扇和水泵的转速，进而控制冷却系统的散热量，实现冷却系统智能化控制，最终有效解决装甲车辆在高原环境下散热能力不足问题，提高其高原环境适应能力。柴油机冷却系统控制方案如图1所示。在整个冷却系统控制过程中，开环控制针对于稳定工况时，能够较为快速的确定最优风扇和水泵转速;闭环控制针对于变工况时，通过对水泵转速的实时调控，使得冷却系统散热量满足需求。实现有效开环控制的关键在于控制MAP图的制定，而实现快速精确闭环控制的关键在于PID参数的确定。
1.1 开环控制方法
开环控制的工作原理是依据控制MAP图，根据环境条件、运行工况（柴油机转速、负荷）对风扇和水泵转速进行调整，使得柴油机出水口温度保持在合理范围内。因此开环MAP图的编制对于开环控制十分重要。由于高原环境对于散热器冷侧的影响最大，對于散热器热侧的影响较小，因此在编制开环MAP图过程中，主要对风扇转速MAP图进行编制，水泵转速与原冷却系统转速一致，即水泵转速MAP图与柴油机转速成一定比例。在柴油机传散热耦合模型中，改变风扇转速，以出口水温不超过95℃为目标进行迭代计算。 1.2 闭环控制方法
闭环控制PID控制算法，通过对比柴油机出水口温度和目标温度，当二者之间存在偏差时，PID控制器可对水泵转速进行修正，使得柴油机出水口温度接近目标温度。
PID控制主要是根据系统的误差值，利用比例、积分、微分算法，计算出控制调节量，最终实现对整个系统的精准控制。基本PID控制系统如图2所示。
在柴油机传散热耦合模型中，加入PID控制单元，其中目标温度为95℃。如图3所示。
1.3 海拔5000m下柴油機冷却系统控制方案
以海拔5000m条件下柴油机冷却系统控制方案为例，说明整个柴油机冷却系统控制方案的建立过程。考虑到柴油机传散热耦合模型计算量较大，因此选取了柴油机转速和负荷变化范围内的有限个点进行迭代计算，对于其他工况点采用插值的方式得到，最终获得风扇转速MAP图，如图4所示。
通过参考文献[10]以及模型仿真，最终确定PID参数，其中Kp=1.022，TI=0.307，TD=0。按照上述控制方案对柴油机冷却系统进行控制，通过仿真得到柴油机出水口温度随时间变化曲线，如图5所示。由图看出，在380s时柴油机出水口温度基本稳定在目标温度附近，说明该控制方案有效，能够提高冷却系统的散热能力。
2 结束语
通过仿真计算得到不同环境、转速、负荷、出水温度对应的最优风扇转速，采用基于柴油机工况的开环控制系统和基于柴油机出水口温度的PID算法闭环反馈系统相结合的控制方法，并实时对比实际柴油机出水温度和目标温度，实现了闭环反馈控制，并以海拔5000m时为例对控制方案进行了模型仿真，表明控制方案较为有效。
参考文献：
[1]和穆.高原坦克动力装置状态监测与寿命预测方法研究
[D].北京：装甲兵工程学院，2012.
[2]康琦.高原条件下柴油机冷却系统传散热分析及优化研究[D].北京：陆军装甲兵学院，2018.
[3]刘建敏，何盼攀，王普凯，等.两级增压中冷柴油机冷却散热系统高海拔性能研究[J].装甲兵工程学院学报，2016（04）：35-39.
[4]尹洪涛，骆清国，宁兴兴，司东亚.装甲车辆柴油机冷却系统控制策略研究[J].计算机测量与控制，2015，23（9）：3085-3087.
[5]姚仲鹏，王新国.车辆冷却传热[M].北京：北京理工大学出版社，2011.
[6]GAMMA TECHNOLOGIES， INC. GT-SUITE Controls Tutorials[M].GAMMA TECHNOLOGIES， INC，2014.