[论文]一种基于仿人智能控制的汽油发电机电子调速器(初稿).doc

第29卷 第4期增刊 仪 器 仪 表 学 报 Vol.29 No.42008年4月 Chinese Journal of Scientific Instrument Apr. 2008一种基于仿人智能控制的汽油发电机电子调速器段其昌1，程伟1，段盼2（重庆大学 1.自动化学院，2.电气工程学院， 重庆 400044）摘要：以三鼎SDQF2-II通用小型汽油发电机为研究对象，设计了一种基于节气门控制的汽油发电机数字式电子调速器。在完成硬件电路设计的基础上，着重对控制算法进行了研究；运用仿人智能控制的基本原理，完成了智能控制器的设计(包括运行控制级、参数校正级以及协调控制级)。进行的配机试验数据表明，在各种工况下，调节时间均小于5S，瞬时调速率小于17%，通过和常规PID算法比较，证明基于仿人智能控制算法的电子调速器改善了汽油发电机的动态性能。关键字：仿人智能控制；汽油发电机； 电子式速度调节器中图分类号：文献标识码：AElectronic speed governor for gasoline generator based on HSICDUAN Qi-chang1 ，CHENG Wei1，DUAN Pan2(1. College of Automation, 2.College of Electrical Engineering Chongqing University，Chongqing 400044，China.)Abstract：A numeric electronic speed governor for gasoline generator SDQF2-II is designed based on the throttle control. After the introduction of hardware circuit, the research of control algorithm is paid more attention to. Using the human-simulated intelligent control (HSIC) theory, a HISC controller is designed including Running Level, Parameters Adjusting Level and Coordinator. The experiment results show that the stable time is no more than 5S and the transient regulate rate is no more than 17% in all situations. Compared with the classical PID-based controller, it is proved that the speed governor for gasoline generator based on HISC can get a smaller overshoot and shorter settling time, in other words achieve better dynamic performance.Key words: HSIC; Gasoline generator; Electronic speed governor第29卷 第4期增刊 仪 器 仪 表 学 报 Vol.29 No.4 2008年4月 Chinese Journal of Scientific Instrument Apr. 20081 引言汽油发电机的调速系统是典型的时变，非线性，多层次复杂系统。调速控制系统的任务就是控制汽油发电机在各种负荷变化以及其他扰动情况下都能较好地稳定运行在额定转速附近，具有较小的超调、较快的稳定时间。目前，大部分通用汽油机的转速偏差测量与控制均通过机械元件实现，因而不可避免地存在惯性滞后及摩擦阻力大、调节粗糙等固有缺陷78。因此，开发一种价格低廉、可靠性高、调节精度好、具有通用性的数字式电子调速器是十分必要的。本文研究一种适用于通用小型汽油发电机的数字式电子调速器，给出硬件电路系统设计框图，并着重对控制算法进行了研究，提出应用仿人智能控制算法来解决汽油机的速度调节问题，并给出了配机试验结果。2 汽油发电机控制系统2.1试验系统本试验采用重庆三鼎公司生产的SDQF2-II型单缸、强制风冷四冲程通用小型汽油发电机，缸径行程为68mm54mm，压缩比8.5:1，采用自励恒压电压调节，额定输出电压230V，额定输出功率2KW。对原机的化油器进行改造，用数字式电控节气门装置代替了原机配置的机械式节气门装置。改动后控制系统基本框图如图1所示。图1 系统基本框图Fig.1 Block diagram of control system由图可知，该系统属于典型的单闭环控制系统。其中，控制器采用具有高性价比的ATmaga16单片机，它采用Harvard结构、精简指令集，具有较高的运算速度，可以满足本系统的要求。除此之外，其内部还集成有A/D转换器、PWM发生器等外设，大大简化了本系统的外围部件设计。执行器采用PWM电压控制型电磁铁，通过改变PWM信号占空比就可以实现对节气门的精确控制。2.2被控对象分析对于汽油机发电机，其内部进行的燃烧过程是一个非常复杂的物理化学过程，也是热能与机械能的转换过程，这一过程涉及汽油机进气、喷油、点火、燃烧、排气等，同时汽油发电机在工作时经常会涉及一些大范围变化的特殊工况如启动、突加、突减负载等。对于这样的非线性，多层次复杂系统，很难建立起可用于实时控制的数学模型。常规的工频燃油发电机，为减小机械磨损，提高燃油利用效率，要求其工作在额定转速附近，因此可以将其转速控制系统归结为一恒速控制系统。评价一个恒速系统的性能，有两个重要的指标9：一是系统在额定工况下稳定运行后，频率围绕某一平均值波动的包络线宽度，即稳态频率带;另一个是系统受到干扰后，频率从离开稳态频率带至其永久地重新进入规定的稳态频率带之间的间隔时间，即频率恢复时间。本文所述控制系统的目的，就是期望通过调节汽油机供油量，来改善汽油发电机组的稳态和动态性能，即尽量减小稳定频率带，缩小频率恢复时间。2.3 控制策略分析传统的控制策略，无论是经典控制理论，还是现代控制理论，研究的主要目标都是被控对象，即一旦对象的精确数学模型或合适的简化模型得以建立，系统的控制问题便可以迎刃而解。但对于汽油发电机这类系统，难以建立其精确数学模型，因此传统的基于模型的控制算法就不能适用。而在内燃机电子控制中，一般采用经典PID控制算法6，但PID算法对Kp、Ti、Td三个参数的整定比较繁琐，且该算法在系统受到大幅扰动的情况下(如突加、减负载)控制效果不能令人满意。为此，本文考虑采用智能控制方法。周其鉴等提出的仿人智能控制方法12，研究的主要目标不是被控对象，而是控制器本身，研究控制器的结构和功能如何更好地从宏观上模拟控制专家大脑的结构功能和行为功能。它的主要特点可以概括为：分层的信息处理和决策，在线的特征辨识和特征记忆，开环闭环结合的多模态控制，灵活地运用直觉推理。3 仿人智能控制器设计本文基于仿人智能控制理论基本原理，设计该汽油发电机调速器的控制算法。3.1 仿人控制器结构图2 仿人智能控制器结构图Fig.2 Block diagram of HSIC controller根据仿人控制理论，设计出汽油机电控系统仿人智能控制器结构如图2所示，其中第1层是运行控制级，第2层是参数校正级，第3层是协调控制级。运行控制级直接面向被控对象，由控制规则库1、特征辨识器1、控制推理机1和多模态控制器1组成。它将系统输入R与输出Y等信息构成系统特征，输出到特征辨识器，经特征辨识器的识别与处理，由推理机中的直觉推理规则集将系统特征状态映射到相应的控制模态，并由多模态控制器实现精确的定量控制。参数校正级和协调控制级的特征辨识、推理等与运行控制级基本相同，但参数校正级的作用是解决运行控制级中控制模态的参数校正问题，协调控制级则根据推理结果，自适应地重新组织控制稳态的求解策略，解决运行控制级或参数校正级中的特征模型、推理规则和决策与控制模态的选择、修改乃至生成的问题。3.2 运行控制级设计图3 运动控制级的特征模型Fig.3 Characteristic model of running level图3中虚线所示为理想误差目标轨迹，为了使实际的误差轨迹尽可能地与理想误差目标轨迹一致，采用措施如下：（1）当偏差很大时()时，对应区域，采尽可能大的控制作用，如在位置式输出时采用Bang-Bang控制，而增量式输出时输出增量取极值。（2）当偏差及偏差的变化率均很小（满足要求）时，对应区域，采用保持模态控制。（3）在偏差减小过程中，若偏差变化速度低于或等于预定的速度时，对应区域，采用比例模态控制。（4）在偏差减小过程中，若偏差变化速度大于预定的速度时，对应区域、及，在比例模态的基础上，引入微分模态，形成比例加微分的控制模式。（5）在偏差增大的过程中，对应区域，为了抑制偏差的增大，使偏差尽快回头，采用比例模态加微分模态的控制模式。根据上述的分析推理，可根据仿人智能控制理论构造出相应的特征模型与控制模态，构成仿人智能控制器的运行控制级。文献24给出的仿人控制算法皆为基于位置式的输出方式。位置式输出控制量对应的是执行机构的实际位置，在系统运行过程中控制量可能发生突变。但对汽油机的节气门来说，其变化直接影响汽油机的运行状态。鉴于汽油机控制的特殊性，要求控制量的变化量不能太灵敏，否则会出现较大的超调，增加汽油机缸体的磨损。因此，考虑采用增量式输出方式，其输出公式为：，其中:式中：，控制器的第n和n-1次输出；，第n次输出偏差值和偏差变化值；K执行器直接输出的增量；，比例系数；微分系数；，偏差的阀值；，偏差变化率的阀值。3.3 参数校正级设计要得到好的实际相轨迹，阀值和参数都很重要，阀值规定了理想相轨迹的位置以及指明了实际相轨迹应努力的方向，而能否达到这种理想效果，则需要调整出理想的参数。通过研究分析和对控制经验的总结，得出参数控制级的规则为：（1）在误差很大时，采用直接输出较大增量即增加执行器开度的方法，其中开度变化量可以分为几级，以改善控制性能：式中，均为阀值，且，均为直接控制增量，且。（2）在比例控制模式中，当偏差较大且偏差变化率较小时，应加大比例系数：式中，均为阀值，因子1。（3）引入微分环节后，当偏差小于预定值，应适当减少微分作用；当偏差较大且偏差变化速度人大于预定速度时，需适当增加微分作用， 式中，均为阀值，且，因子1，均为控制周期量，是控制专家推荐的经验值，且。4 试验结果及分析图4 负载渐变时转速波动曲线Fig.4 Speed fluctuation curve when the load changes gradually图5 满负载变化时转速波动曲线Fig.5 Speed fluctuation curve when full-load changes应用上述硬件设备和控制算法，在实验室进行了配机试验。图4为负载渐变25%额定值、50%额定值时的转速波动曲线，图5为突加突减100%额定负载时的转速波动曲线。统计各种工况下频率恢复时间和稳定频率带、瞬态调速率列于表1、表2、表3中。表1 稳定频率带Table 1 stable regulate rate负载空载25%50%75%满载稳定频率带(%)2.52.01.81.81.7表2 瞬时调速率Table 2 transient regulate rate加载卸载变化率25%50%100%25%50%100%瞬态调速率13%14%17%10%12%14%表3 频率恢复时间Table 3 frequency retrieval time负载变化率25%50%100%加载3.5 S4.5 S5 S卸载3.5 S4 S4.5 S从表中可以看出，采用本电子调速器后，该汽油发电机的稳定频率带2.5%，频率恢复时间（即调节时间）5S，瞬态调速率在加载时低于17%，卸载时低于14%，性能指标基本达到了国标工频汽油发电机组技术条件中的G2等级9。通过与改造前的指标比较可知，使用该系统后本汽油发电机的稳态和动态特性都有明显的改善。表4 PID与HSIC算法比较Table 4 Comparison of PID and HSIC稳定频率带瞬态调速率频率恢复时间PID2.5 %25%7 SHSIC2.5 %17%5 S表4为在同样硬件装置下，控制器分别采用传统PID控制和仿人智能控制算法时，该调速系统的指标统计，从表中数据比较可知，对于稳态性能，PID和仿人智能控制算法基本一致，但采用仿人智能控制时瞬时调速率和频率恢复时间两项指标均优于PID，说明仿人智能控制算法对于非线性系统有更强的适应性。4 结论完成了数字式电子调速器软硬件设计，经配机试验表明，电子调速器完全适用于通用小型汽油发电机的控制。提出应用仿人智能算法来解决小型汽油发电机的控制问题，不需要建立汽油发电机的精确数学模型即可完成控制任务。对比实验结果表明，该算法对于非线性系统有更强的适应性。本文设计的电子调速器，只是针对开发时使用的汽油发电机样品，对于大批量生产的具有分散参数的汽油机产品是否能达到同样的控制效果，还需要进一步验证。参考文献1 李士勇. 模糊控制神经控制和智能控制论M. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1998 LI S Y. 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