發(fā)電機(jī)組數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析

金竹

摘 要：柴油發(fā)電機(jī)組數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)研制過程中發(fā)現(xiàn)，采用普通PID運(yùn)算，振蕩及超調(diào)時(shí)有發(fā)生，為了改善調(diào)速系統(tǒng)性能，采用了變速積分PID及模糊PID。變速積分PID用來調(diào)節(jié)積分系數(shù)，模糊PID用來調(diào)節(jié)比例系數(shù)。筆者就柴油發(fā)電機(jī)組數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，旨在進(jìn)一步優(yōu)化柴油發(fā)電機(jī)組的工作效率和質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：柴油發(fā)電機(jī)組；數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)；速度控制；

調(diào)速器是柴油發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速調(diào)控系統(tǒng)一個(gè)極其重要的核心部件，在柴油機(jī)運(yùn)行過程中，調(diào)速器可以對(duì)其轉(zhuǎn)速、功率等一些重要的參數(shù)起到有效的控制和調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)電機(jī)組的正常運(yùn)行。目前國(guó)內(nèi)在柴油發(fā)電機(jī)組調(diào)速器的商業(yè)應(yīng)用中，還主要以模擬式調(diào)速器為主，數(shù)字式調(diào)速器相比模擬式調(diào)速器，其控制質(zhì)量有了很大的提高，對(duì)改善柴油機(jī)的排放性和經(jīng)濟(jì)性有較大的提升空間，但其成本稍高，目前還未得到大規(guī)模的應(yīng)用。柴油發(fā)電機(jī)組數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)，實(shí)質(zhì)是實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的閉環(huán)控制，在控制閉環(huán)的過程中，各個(gè)數(shù)字模型的頻率都有相應(yīng)的變化，從而對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響和改變。[1]

1 PID控制的設(shè)計(jì)方法

PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值r（t）與實(shí)際輸出構(gòu)成控制偏差：將此偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。其控制規(guī)律為：式中，Kp為比例系數(shù)，T1為積分時(shí)間常數(shù)，TD為微分時(shí)間常數(shù)。常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 PID控制系統(tǒng)原理框圖

在PID控制中，比例項(xiàng)用于糾正偏差，積分項(xiàng)用于消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，微分項(xiàng)用于減小系統(tǒng)的超調(diào)量，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。PID控制器的性能就決定于Kp、T1和TD這3個(gè)系數(shù)。如何選用這3個(gè)系數(shù)是PID控制的核心。

對(duì)于柴油發(fā)電機(jī)組來說，PID控制是一個(gè)具有慣性的系統(tǒng)。這是由于機(jī)組存在機(jī)械、熱力學(xué)、電磁等一些過程的特性，而且?guī)в幸欢ǖ臏笮?，?jīng)常會(huì)出現(xiàn)功率不平衡的狀態(tài)，轉(zhuǎn)速不能實(shí)現(xiàn)突然改變。而轉(zhuǎn)速反饋控制器不能立刻產(chǎn)生偏差信號(hào)，具有一定的延時(shí)性。當(dāng)發(fā)電機(jī)組速度變化較為明顯，控制器則會(huì)出現(xiàn)較大的控制量。在柴油發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速控制過程中，就會(huì)看到單一的轉(zhuǎn)速反饋控制系統(tǒng)對(duì)負(fù)載的干擾不明顯，帶有一定的滯后性，不能減少系統(tǒng)動(dòng)態(tài)偏差，延長(zhǎng)了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化和調(diào)整的時(shí)間。因此，將前饋控制器加入到柴油發(fā)電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)中，可以很好地改變功率不平衡等問題，保證柴油機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。

2 數(shù)字調(diào)速器設(shè)計(jì)分析

數(shù)字調(diào)速器是一個(gè)按“偏差”調(diào)節(jié)原理組成的負(fù)反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)，主要由測(cè)速環(huán)節(jié)（含整形放大模塊）、給定環(huán)節(jié)、控制運(yùn)算環(huán)節(jié)（由于采用數(shù)字微處理器，其算法可多樣化，如PID。運(yùn)算、模糊Fuzzy。運(yùn)算等）、保護(hù)模塊、顯示模塊、驅(qū)動(dòng)模塊等組成。

我國(guó)大多數(shù)國(guó)內(nèi)外柴油發(fā)電機(jī)組，均采用電子調(diào)速器是模擬電路。美國(guó)伍德沃德公司和德國(guó)海因茲曼公司是采用模擬電路實(shí)現(xiàn)了PID運(yùn)算的比較具有代表性的兩家公司。盡管都是PID控制，但是他們是有所差別的，伍德沃德公司的比例環(huán)節(jié)上采用了鎖相環(huán)技術(shù)，其輸入為頻率量[2]。而海因茲曼公司則采用頻壓轉(zhuǎn)換技術(shù)將電磁傳感器的頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓，再進(jìn)行比較放大。目前，國(guó)內(nèi)外的生產(chǎn)的數(shù)字電子調(diào)速器只有美國(guó)新格斯達(dá)公司，其控制采用的是普通PID運(yùn)算，各參數(shù)整定須用配套設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

3數(shù)字調(diào)速控制算法選擇

PID控制系統(tǒng)運(yùn)行過程中，可以用比例來減少差異，用積分來減小偏差，將積分飽和現(xiàn)象進(jìn)行消除，整定各個(gè)參數(shù)，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，極大地減少了控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量，讓柴油發(fā)電機(jī)組具有更強(qiáng)的適應(yīng)性。

變速積分PID算法為：U（k）=KpE（k）+K1∑j=0kE（j）+KD[E（k）-E（k-1）] （1）

式中，U（k）為第k次采樣時(shí)刻PID運(yùn)算的積分部分輸出值。用矩形方法數(shù)值積分代替式（1）中的積分項(xiàng)，對(duì)式（1）中的導(dǎo)數(shù)項(xiàng)用后向差分逼近，經(jīng)推理可得到基本PID控制的位置式算法，上式中k——采樣序號(hào)，k=0，1，2，……

U（k）――第k次采樣時(shí)刻輸出值

E（k）――第k次采樣時(shí)輸入的偏差值

E（k-1）――第（k-1）次采樣時(shí)刻輸入的偏差值

K1――積分系數(shù)，K1=KpT/T1

KD――微分?jǐn)?shù)系，KD=KpTD/T1

在數(shù)字控制系統(tǒng)中，PID控制規(guī)律是用程序來實(shí)現(xiàn)的，因而具有更大的靈活性。由于基本PID控制中引入了積分環(huán)節(jié)，其目的主要是為了消除靜差，提高精度。但在柴油機(jī)調(diào)速過程中，突加突減負(fù)載時(shí)，會(huì)引起轉(zhuǎn)速的較大波動(dòng)，導(dǎo)致短時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)較大偏差，通過PID積分運(yùn)算積累，超調(diào)量過大，系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩，嚴(yán)重影響發(fā)電機(jī)組輸出電能的品質(zhì)。為避免PID控制中積分項(xiàng)引起的超調(diào)，提高其調(diào)節(jié)品質(zhì)，擬采用積分分離法對(duì)基本PID控制進(jìn)行改進(jìn)，簡(jiǎn)稱變速積分PID。變速積分PID的基本思路是設(shè)法改變積分項(xiàng)的累加速度，使其與偏差大小相對(duì)應(yīng)，偏差越大，積分越慢；反之，則越快。設(shè)計(jì)和調(diào)整數(shù)字PID控制器的任務(wù)就是根據(jù)被控對(duì)象和系統(tǒng)要求，選擇合適的PID模型，將其進(jìn)行離散化處理，編出計(jì)算機(jī)程序由微處理器實(shí)現(xiàn)，最后確定Kp、T1、TD、和T，T為采樣周期。

4柴油發(fā)電機(jī)組數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)分析

柴油機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的基本條件是輸出力矩與外界負(fù)載力矩相互平衡，而其輸出力矩主要是通過改變循環(huán)供油量來加以調(diào)整的。調(diào)速系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)速檢測(cè)單元、控制單元和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。數(shù)字化調(diào)速控制系統(tǒng)通過集成高性能的CPU，在專業(yè)控制算法和控制策略的協(xié)助下，能夠?qū)崿F(xiàn)精確的智能化控制。

基于上述原因，數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)成為當(dāng)前柴油發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的首要選擇，具有反應(yīng)快、精度高和較強(qiáng)的適應(yīng)力，能夠滿足不同特性電機(jī)的參數(shù)程序，實(shí)現(xiàn)更為高端的智能控制算法。目前，隨著一些高性能的工業(yè)級(jí)處理器的應(yīng)用，如DSP、高速單片機(jī)等產(chǎn)品的快速發(fā)展，數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)日趨完善，具體有多種功能。

一是能夠?qū)崿F(xiàn)自主控制，這需要在主控制器中嵌入高性能的T/O數(shù)據(jù)接口。二是對(duì)于控制系統(tǒng)的具體技術(shù)參數(shù)要求較高，給當(dāng)前的數(shù)字處理器的工作能力提出了更高的要求，要求選擇能夠?qū)崿F(xiàn)高速信號(hào)處理的DSP。三是多通道通信接口和人性化控制界面，擴(kuò)展存儲(chǔ)器的容量增設(shè)通信接口的數(shù)量，可以大幅度地提高數(shù)模轉(zhuǎn)化的速度和精度，采用集成化的后臺(tái)運(yùn)行程序可以簡(jiǎn)化控制操作，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)練的控制界面。

5結(jié)語(yǔ)

筆者就柴油發(fā)電機(jī)組數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析進(jìn)行了闡述，目的在于更好地指導(dǎo)人們?cè)趯?shí)踐中進(jìn)行準(zhǔn)確的速度控制，有效地提高抗干擾能力，避免日常的一些控制理論操作中出現(xiàn)的一些問題，極大地提高柴油發(fā)電機(jī)組輸出電的質(zhì)量和效率，這對(duì)于優(yōu)化柴油發(fā)電機(jī)性能有著積極的現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 黃辰燁. 船舶柴油發(fā)電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)研究[J]. 中國(guó)機(jī)械， 2015（1）：164-166.

[2] 謝云山， 陳俊， 金巧蘭，等. 柴油發(fā)電機(jī)組電子調(diào)速控制器失效分析方法[J]. 自動(dòng)化與儀器儀表， 2017（12）：212-213.