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【打印】【设置】【返回】【关闭】研究生文献综述及学位论文选题报告学院：自动化学院专业：控制理论与控制工程研究生：程伟学位类别：学历硕士指导教师：段其昌入学年月：2007-09-10重庆大学研究生院年月日一、论文选题报告（申请时间： 2009年02月22日）论文题目：基于滑模变结构控制的通用小型汽油机数字式电子调速器开发研究方向： 课题来源：合同编号：经费数（万元）：0.0题目类型：应用研究自选报告内容：1.文献综述国内外现状 从十八世纪以来，动力机械上的转速调节装置即调速器共经历了四代产品1,2,3,分别是离心式机械调速器，机械液压式调速器，模拟电子调速器和数字式电子调速器。其中，第四代调速器数字式电子调速器是从二十世纪80年代开始出现的，它是以微处理器为核心的电子调速器。在此种调速器中，控制器由专门的控制用微处理器和一系列输入、输出接口电路所构成。除了各输入输出信号的转换外，系统的各项控制与调节功能主要靠软件编程实现。因而，它对硬件的依靠程度大大降低，只需改变控制软件和配置必要的接口，就可以用于各种系统完成不同的控制功能，这一特点决定了它具有极强的适应性和功能扩展能力。 近年来，国内外对大功率柴油机的电子调速系统进行了较多的研究，并出现了一些具有代表性的调速器产品4-13：如挪威NORCON公司用于低速船用柴油机上的DGS8800e调速系统，德国MTU公司用于高中速柴油机上的8082电子调速器，德国HEINZMANN公司的E100 / E200数字式电子调速器，日本石川芝浦公司的DELCOS带微处理器的电子调速器以及美国CATERPILLAR牵引机公司的PEEC、WOODWARD公司的723数字式电子调速器，HEINZMANN公司的E100型数字式电子调速器等。在国内，也在引进消化国外产品的基础上取得了一些成果14,15,16。 相较于柴油机，由于汽油机的转速高、转动惯量小，启动、突加或突减负载时的扰动大，以及化油器静态特性的非线性和动态特性中的过渡性能差等多方面的原因，使得汽油机的数字电子调速器的研究与柴油机的相比技术难度更大，因此，到目前为此汽油机的调速器大多采用的仍是机械式调速器17,18,19。至于性能更为优越的汽油机用智能数字调速器，国内外公开的文献报道较少。近年来，为适应发电机组“小型化”和节能的要求，采用高速汽油机、永磁中频发电机和逆变技术成为小型及便携式发电机组的发展方向。 国际上，日本“本田”和“雅马哈”公司相继推出了永磁逆变发电机组系列产品，深受市场欢迎。其中就采用了数字电子调速器，它不仅体积小，控制方便，更重要的是数字电子调速器能随着汽油机负载的变化而调节汽油机的转速，以达到明显节能和提高系统性能的作用，这是传统机械式调速器无法做到的。一些国外的研究机构从构建汽油发电机的模型入手，对适用于汽油发电机控制的多种控制方法进行了研究20,21,22，但最终大多数的算法都是基于PID及其改进型的，其控制电路以分立元件为主，产品主要是针对具体机型，没有通用定型产品。 在国内，也有一些科研单位和院校开始了有关汽油机数字电子调速器的研究，如福建农林大学研制出了用于KGE1000Ti汽油发电机组的数字电子调速器23，武汉理工大学进行的小功率汽油发电机组数字电子调速器24的研究等，但由于对工程应用重视不够，这些研究成果目前大部分仍停留在原理性样机或实验室阶段，还没有批量化的产品出现，与世界的先进水平存在着比较大的差距。课题学术和实用意义调速器作为发动机控制核心，能根据发动机负载变化情况自动地调节发动机循环供油量，保持发动机的转速稳定，从而保证发动机具有良好的工作性能。用数字电子调速器取代机械调速器是柴油机电控技术中研究开发的最早最适用的项目。而对于发电机组这样的固定作业机械来说，调速器性能的优劣，则直接影响整台设备的稳定性、可靠性和安全性指标。归纳近年来国内和国外内燃机电站所配用的发电机调速器的种类分布情况可知：12千瓦以上的大功率电站的原动机普遍为柴油机，几乎全部采用电子调速器和机械液压式调速器；6千瓦以下的中小功率发电机组的调速装置一般采用传统的机械调速器，并且其中1千瓦以下的轻型便携式发电机组全部采用汽油机作为动力。汽油发电机组是由汽油发动机拖动发电机向外部负载供电的，负载要求发电机产生的交流电压和频率越稳定越好，电压与频率直接受发动机转速的影响，发动机转速如不稳，则发电机产生的交流电压和频率也不稳，这种忽高忽低的电压和频率作为电源提供给用电设备，势必影响用电设备的使用效果，甚至损坏设备，因此，要求汽油发电机组中的发动机在额定功率范围内的各种负载下都能具有稳定的转速，而发动机转速的稳定是通过调速器来实现的。调速器的调速性能直接影响到供电品质，从而影响到用电设备的使用性能，还会影响到发电机组运行的可靠性和安全性。近年来，为适应发电机组“轻型化”和“小型化”的要求，采用高速汽油机、永磁中频发电机和逆变技术成为小型及便携式发电机组的发展方向。由于传统的机械调速器受其固有结构的局限，不适应高转速和轻、小型化的需要，在曾经的使用实践中暴露出了可靠性差及调节不便等致命缺陷，严重制约了产品质量稳定性的提高，因此需要研制一种较为先进的调速器来改善汽油发电机组的调速性能，从而提高其发电质量。数字电子调速器中没有飞锤、飞块等零件，对机械振动的敏感性以及机械惯性比机械式调速器小得多，具有动作灵敏、稳定性好和调速精度高等优点，并且可以把先进的控制算法应用于该种调速器中，可以进一步改善调速器的控制性能。另外，由于便携式机组强调其体积小、重量轻的特点，其原动机的后备功率较大功率机组相差悬殊，因此，对所配调速器的瞬态调节率指标要求十分苛刻，一般大型机组所用电子调速器的设计模式大都不能采用。总之，研究汽油发电机组数字式电子调速器的目的就是控制汽油发电机组的转速在各种负荷变化情况下都具有较小的超调、较快的稳定时间，从而提高汽油发电机组的发电质量，提升产品的质量与竞争力。目前，国内外针对小功率高速汽油发电机组的数字电子调速器进行研究的相对较少，为了适应生产的需要，开发一种价格低廉、可靠性高、具有通用性和扩展性的数字电子调速器是十分必要的，其具有广阔的应用前景和市场潜力。2.课题研究目的、内容、技术路线研究目的 农业机械、小型发电机组所用的内燃机大多数是小型汽油机，汽油机为这些设备提供动力时，需要有调速器，以便在负载变化时能保持转速稳定。现在汽油机上的调速器普遍是机械式的调速器，它存在稳态和瞬态调速率较差、过渡时间较长等缺点，已不能适应在发电机组或其他特殊场合下对汽油机转速稳定性日益提高的要求。数字式电子调速能够大幅度提高内燃机自动控制的响应速度和和控制精度，开发数字化多功能调速器已成为调速器技术发展方向之一，柴油机数字调速技术在一些先进发达国家已得到广泛应用。目前我国数字调速器的研究大都针对大中型柴油机，其价格较高，而农林机械以及其他固定作业的场合使用的汽油机价格相对较低，为此，研制出适用于小型汽油发电机的数字调速器，具有一定的实用价值。本课题的目的，就是希望在改造原有汽油发电机的机械调速系统的基础上，研制出一种价格低廉、可靠性高，具有通用性和扩展性的数字式电子调速器，以提高小型汽油发电机组的稳态和瞬态调节指标。 研究内容本课题拟利用先进的控制理论以及微电子技术，设计出小型汽油发电机组的数字式电子调速器，以取代现在广泛使用的机械式调速器。为此，本项目确定以下主要研究内容：(1)从汽油发电机的工作原理、工作特性、转速调节基本规律、过渡过程和负载特性等几个方面分析了汽油机的转速自动调节规律，并运用过程辨识的方法来建立汽油发电机组的数学模型。(2)汽油发电机控制策略的研究：控制算法的选取与确定是本课题研究的重点与难点，它是系统软件部分的灵魂，所选取的控制算法的匹配程度直接影响到数字电子调速器对整个系统的控制性能。运用simulink工具对各种算法进行仿真比较，从理论上验证控制算法的可行性，为将所选取的控制算法应用于实际系统预先做好理论研究的准备。（3）数字电子调速器的硬件设计。其硬件部分主要包括：转速信号的采集和信号调理电路、节气门执行器驱动电路、数字处理器以及周边通信、显示等电路。（4）数字控制器软件以及上位机软件程序编制。（5）进行实际配机试验，并对相关调节指标进行测量和分析。技术路线(1) 分析汽油发电机工作原理，并运用工程方法建立汽油发电机的数学模型。(2) 运用simulink工具，在上述数学模型的基础上，确定控制算法，并对控制算法进行仿真分析。(3) 设计电子调速器软硬件，并进行配机试验，对汽油发电机组各种调速指标进行分析。3.创新之处与拟解决的关键问题创新之处(1)对原有汽油放电机组化油器进行改造，应用数字控制装置调节节气门开度。(2)对汽油发电机组进行系统辨识，确定其数学模型。(3) 运用强大的simulink工具，对控制算法进行仿真，解决汽油机的控制问题。(4)进行电子调速器实际的软硬件设计拟解决的关键问题(1) 汽油发电机组数学模型的辨识。(2) 控制算法和参数的确定。(3) 电子调速器软硬件电路的设计。4.预期目标研制一种价格低廉、可靠性高，具有通用性和扩展性的数字式电子调速器，代替汽油放电机组中原有的机械调速器，以提高小型汽油发电机组的稳态和瞬态性能指标。 5.可行性论证本人搜集了大量的柴、汽油机相关文献，对内燃机的工作原理、调节装置已有一定程度的了解。在控制理论方法，已经学习过古典控制理论、现代控制理论和一部分智能控制算法。技术层面： （1）数字式电子调速器在大、中功率柴油发电机中已得到成功的应用。 （2）控制理论的发展，为解决汽油发电机组这类非线性、时变系统的控制问题打下了良好的基础。 （3）现代电子和计算机技术的发展，各种功能强大的微控制器的出现使较复杂的控制算法的实现成为可能。 （4）实验室已有一台重庆三鼎通用动力机械有限公司生产的SDQF2-II汽油发电机组，解决了控制对象的问题。 （5）Rockwell实验室拥有多种控制器、试验箱和开发板以及电磁阀、步进电机等实验设备。6.参考文献1 胡明江, 杨铁皂, 徐斌等. 柴油机数字电子调速器的研究现状及发展趋势J. 河南科技大学学报, 2003, 17(4)：44-482 邵家骧. 发动机转速自动控制M. 北京：人民交通出版社，19903 李彦强, 朱从乔, 黄次浩. 柴油机数字电子调速器技术综述J. 海军土程大学学报, 2000, 第4期：3135.4 New pickup powered electronic governor, Diesel&Gas Turbine worldwide, 1985, 33(4)：55-59.5 New engine governor/actuator line introduces, Diesel Progress Engine Driver, Jan. 1992.6NORCONTROL AUTOMATION, Digital Governor System DGS-8800e For MAN B&W MC ENGINIES, INSTRUCTION MANUAL, March, 1995.7MTU ELECTRONIC ENGINE GOVERNOR 8082 SUBMAINE VERSION, Description NO.E530391/OOE, 1988.8Howes P, Lves A P. The development of an electronic engine speed governor for the agricultural industry R .USA：SAE881302.9New Engine Governor/Actuator Line Introduce. Diesel Progress Engine&Drvies, Jan. 1992.10H.Peter, The electronic governing of diesel engines for the agricultural industry, SAE Paper 860146.11Woodward Governor Company, SPEED CONTROLS-8271, 1951.12Woodward Governor Company, 723 digital speed control for reciprocating engines-DSLCTM, Capatible Operation and Calibration Manual, 1996.13 朱子义. 德国海茵茨曼两种新系列E100/E200数字式数字电子调速器J. 柴油机, 1994 13(4)： 2933.14 王健中. 数字电子调速器在150D型柴油机组上的应用J. 第二届大功率柴油机学术年会论文集, 1996：246250.15 余武建. EECS电控调速在320型柴油机上的应用J. 第二届大功率柴油机学术年会论文集, 1996：243245.16 刘兴华. 车用大功率废气涡轮增压柴油机电控系统开发应用研究. D.北京理工大学, 1996.17曹宇衡，曹阳. 小型汽油发电机组:选购、操作、保养、检修M. 上海：上海交通大学出版社，200218李飞鹏. 内燃机构造与原理M. 北京：中国铁道出版社，2002.1019 石楚生. 进口汽油发电机原理、结构与维修技术M. 电子工业出版社, 1998, 1120 Chang Hee, C., et al. Development of the power control system for the parallel operation of multiple diesel engine generators. in Industrial Electronics Society, 2004. IECON 2004. 30th Annual Conference of IEEE. 2004.21 Kudarauskas, S. Development of electrical system for hybrid vehicles using the free-swinging piston engine and oscillating rotating generatorJ. in Power Electronics and Motion Control Conference, 2008. 22 Dongmei, W., et al. Engine control education systemJ. in SICE Annual Conference, 2008. 23 陈国英. KGEl000Ti汽油发电机电子调速器的研制.D. 福建：福建农林大学农业机械化工程系, 2005.24 杨长圣. 小功率汽油发电机组数字电子调速器的研究. D. 武汉：武汉理工大学自动化系, 2006.选题报告论证记录（含时间、地点、参加人，提问及回答要点等）：时间：2009 年2月20 日地点：主教楼2110参加人：段其昌、张从力、赖俊峰、鹿书恩、董平、杨密、周奇、荣先亮、程伟、麻赛军、李黎、宋娜、郭婷婷提问及回答要点：1问题：目前内燃机采用的是什么调速器？ 答：目前大、中功率的柴油机已经大部分采用电子调速器，但在小型汽油发电机组中，大多数采用的还是机械调速器。由于小型汽油发电机组本身的成本限制，比较成熟的柴油机用电子调速器在汽油机中不适用，因此研发一种价格低廉、可靠性高、具有通用性的应用于小型汽油发电机组饿数字式电子调速器是十分必要的，具有广阔的应用前景和市场潜力。2问题：该课题的主要创新点是那些？ 答： 该课题主要创新地方有：对传统汽油机节气门的改装、汽油发电机数学模型的辨识、控制算法的研究以及数字式电子调速器软硬件的研发。 3问题：请问如何得到汽油机数学模型？ 答： 获得系统数学模型的方法主要有两种方式：分析法和实验法。分析法是对系统各部分的运动机理进行分析，根据它们所依据的物理规律或化学规律列写运动方程。实验法是人为地给系统施加某种测试信号，记录其输出响应，并用适当的数学模型去逼近，即系统辨识法。考虑到汽油机内部进行的燃烧过程