（机械工程专业论文）风冷柴油发电机组自动化控制技术的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 近年来，伴随着风冷柴油发电机组在冷却性能上的不断改善，使得风冷柴油发电机 组应用越来越广泛，然而当前市场上风冷柴油发电机组自动化控制水平普遍较低，基于此 本文开展了对风冷柴油发电机组自动化控制技术的研究，主要包括以下几方面内容： ( 1 ) 综合分析了当前柴油发电机组自动控制技术的发展现状及存在问题，并结合企业 实际需求，设计了一款风冷柴油发电机组智能控制器。该控制器采用a t m e g a1 6 作为核心 芯片，实现了风冷柴油发电机组的自启动停机、a t s 等功能。 ( 2 ) 基于当前发电机组励磁控制理论的发展，对p i d 控制及模糊控制理论展开研究， 分析了两种控制理论在应用中各自的优缺点，提出了将常规的p d 控制与模糊控制相结合 的模糊p d 控制方式来调节励磁功率单元，实现对励磁电流的调节，并通过仿真分析得出 该综合控制方式较常规p d 控制在系统稳定性及动态响应等方面有了明显提高。 ( 3 ) 研究并分析了远程监控技术在柴油发电机行业的应用现状，针对目前柴油发电机 组远程监控系统普遍采用的c s 架构，造成系统维护困难这一现状，本文构建了基于w 曲 技术的风冷柴油发电机组远程监控系统，该系统采用b s 架构，实现了客户端程序的零安 装，极大方便了系统的升级和维护。 关键字：风冷柴油发电机组、励磁控制、p i d 控制、模糊控制、远程监控、c s 、b s 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t hr e c e n ty e a r s ，a l o n g 、衍t 1 1t 1 1 ec 0 瓶n u o u si n l p v e m e n to ft h ea i l c o o l e dd i e s e lg e n e r a t o rs e ti i l n l ec o o l i n gp e r f o m a n c c ，m a k ea i r i c 0 0 1 e dd i e s e lg e n e r a t 眦s e t su s c dm o r e 觚dm o r e 、7 l ，i d e l y h o w e 、，m el e v e lo fa u t o m 撕cc o 砷l 幻c ：h n o l o g ) ，o fa 小c o o l e dd i e s e lg e n e r a _ i 0 ri nc i l r r e n t m a d 蔽i sg e n e r a l l yl o w b a s e do nt b j s ，m ep a p e rc o n d u c t sar e s e a r c ho n 也ea u t o l n a t i o nc o n 仃o l t e d m o l o g yo f 撕r c o o l e dd i e s e lg e i l e r a ：c i n gs e t s ，、) l ，：l l i c hm a i l l l yi n c l u d i n gt h ef 0 1 l o w i n g 嬲p e c t s ： ( 1 ) o nt h eb a s i so fc o m p r e h e n s i v e 跹a l y s i so f 也ep r e s e n ts i t i l a t i o n 觚de x i s t e n c ep r o b l e m so f 卸幻m a t i cc o n 住0 lt 洳l o g yo f 也ed i e s e lg e n e 珀：血gs e t sc o m b i n c dw i 也a c t i l a ln e e d so f 锄t e 印r i s c s ，觚sp a p e rd e s i 萨s 觚i n t c l l i g 衄tc o n 仃0 l l e rf 0 ra 诳c 0 0 1 e dd i e s e lg 锄e 删n gs e t s n e c o n 仃0 1 l e ru s e sa t m e g a l6 弱t l l ec o r e 出p ，a n da c h i “e st h e 缸l c t i o n so fs e l f s t a n s e l f - s t o p ， a t s 锄ds o0 n ( 2 ) b a s eo nm ec l l r r e n td e v e l o p m e n to fg e n e r a t o re x c i t a _ t i o nc o n 仃o lt h e o r 弘t h i s 撕d et a k e sa s t u d yo np dc o n t r o i l 趾dm z z yc o n 仃o lt 1 1 e o 观趾da 1 1 a l y z e s 也ea d v 锄t a g e s 觚dd i s a d v 趾t a g e s o f 也et 、7 l ，oc o n t r 0 1m e 0 d ，i nt h e 印p l i c a t i o n f u z z y - p dc o 蛐1w h i c hc o m b i n e sp dc o n 臼0 l 觚d f u z z yc o n 仃o li su s e di n 恤sp a p e rt 0 刎u s tt 1 1 ee x c i 协0 np o w e ru 血觚dc i l 玎e n t a n dt 1 1 e s i i n u l a l i o n 砌u l t ss h o w s 也a t l ef u z z y p i dc o n 仃0 ii sb e t t e rm 趾也ec o n v t i o n a lp dc o n 仃0 l i i lt 1 1 e 却e c to f i i 】1 p r o 、，i n gs y s t e ms t a ：b i l i 够a n dd y n a m i cp 晌衄锄c e ( 3 ) a c c o r d i i l gt 0 趾a l y s i so ft 1 1 ea p p l i c a t i o ns 协t l l so fr e m o t em o n i t o r i n gt ec _ h n 0 1 0 9 yi nt l l e d i e s e lg e n 耐o ri n 血鼬啊锄dm es 咖sq u 0o fd i 伍c u l tt 0m a i l l 切i nb e c a u s eo f 血e c s ( c l i 髓t s e r v e r ) 劬m e w o r k t h ep a p c rc o n s 仇l c t c d 也er e m o t em o n i t o r i n gs y s t e i no f a 诳c o o l e dd i e s e lg e l l c r a t i n gs c tb a u s e d0 nw 曲t e c ：h n o l o g ) r 砌c ha d o p t st h es 饥l c t u r eo f b s ( b r o w 利s e r v 神1 1 1 es y s t e m 呻1 锄e n t s az 啪- i n 刚lc l i e n tp r 0 伊锄，w h i c h 缸i l i 讹st h e u p 黟a d i i l g 距dm a i n t a i no f t h es y s t 锄 k e y w o r d s ：a * c o o l c d d i e s e lg 跚e r a t o rs e t ，e x c i t a t i o nc 0 曲- 0 l ，p dc o n 乜0 l ，如z z yc 0 蛐的l ，r e m o t c m o n i t 0 血吕c s ，b s i 浙江大学硕士学位论文致谢 致谢 本文是在我的导师李玉良及合作导师武建伟老师的悉心指导下完成，在此非常感谢他 们在我研究生学习生涯中对我的指导和帮助，在项目研究当中，导师独到的见解给了我很 大的启发，在他们悉心指导下，使我在科研工作方面的能力不断得到增强、动手能力也不 断提高；从论文选题到论文撰写再到论文定稿，两位导师都给予了我很大的帮助，在此再 次向两位导师致以最真诚的感谢。 感谢浙江大学台州研究院机电研究所的同事，尤其是窦新民、陈仁武，许佳洪等在项 目研究遇到的问题当中给予的建议及帮助，同时也感谢何挺、沙鸥两位同学及严伟杰、孙 挺、洪志波三位师弟在学习生活上给予的关心与支持。 感谢嘉利工业集团技术总监戴潇雨同志，在控制器研发初期的功能需求的确定到最终 控制器的成型这一整个过程当中给予了极大的指导和帮助，从中受益匪浅。在后期控制器 调试过程中也是在他的帮助了获得试验机组及相关负载仪器，使得调试工作得以正常进行。 感谢我的家人，感谢他们为我创造的学习和生活条件，在他们无微不至的关怀下，使 我不断成长、不断进步。 最后衷心感谢所有关心和支持我的人。 褚伟锋谨致 二零一二年二月 浙大玉泉 浙江大学硕士学位论文绪论 1 绪论 1 1 研究背景 柴油发电机组以其体积小、灵活轻便、配套齐全，便于操作和维护等优点，被广泛应 用于国防、工业、农业、商业等【1 】各个领域。近年来，由于国民经济的快速发展和资源分 布的不均衡而造成电力紧缺现象，特别是南方沿海地区电力紧缺现象的突出，使得作为备 用电源的柴油发电机组在国民经济发展中的重要作用更为显现【2 】。与此同时，伴随着技术 的发展以及柴油发电机组在经济生活中的广泛应用，人们对备用电源的供电品质、可靠性 提出来了更高要求【3 】【4 】，在很多重要场合和重要供电装备都要求其备用电源无人值守，这 就要求发电机组向自动化方向发展，即实现运行自动化和操作自动化。 随着信息技术和通信技术的快速发展，使得远程监控系统在交通、电力、农业、水利、 环保等各行业得到了广泛应用【5 1 ，远程技术的研究已成为当前研究的热点，对柴油发电机 组实施远程监控是十分有必要的，柴油发电机组往往作为一些关键性重要设备的备用电源， 当主供电电源突然中断的情况下，备用发电机组必须能够及时启动，提供电源，以保证设 备供电的正常。一旦发电机组在关键时刻出现故障，其可能造成的损失将是不可估量的【6 】吲， 这就要求对发电机组运行状态进行全面监测和控制，以便能及时发现并排除故障，避免事 故的发生在一些偏远地带( 高山、海岛等) 的电源站，也要求其备用发电机组具备远程 监控功能 8 】【9 1 ，以降低人工维护的成本，实现无人值守。 近几年来，柴油发电机组每年的销售收入都保持在较高水平，均在7 0 亿以上。其巨 大的销量得益于柴油发电机组在很多应用领域缺乏可替代品，在船舶用电、石油开采等需 要移动作业领域，需要柴油发电机组作为临时供电电源；在新能源开发领域，柴油发电机 亦是不可或缺的基本保障电源，风能、太阳能作为清洁能源，受环境的限制，不能持续发 电，这就要求配备相应的柴油发电机组作为保障【1 0 1 ；此外一些新兴市场领域如网络电源、 军事电源、电厂保安电源、石油电动电源等也急需柴油发电机组作为支撑。由此可见，柴 油发电机组的市场需求依然很大，而控制器作为柴油发电机组自动化控制的核心部件必然 具备巨大的市场潜力。 浙江大学硕士学位论文绪论 1 2 研究现状 1 2 1 柴油发电机组自动化控制技术发展历程 国内外柴油发电机组自动化控制技术的发展主要经历了以下这四个阶段【1 1 1 ： 1 、以时间继电器和中间继电器为主构成的自动化控制系统，这种控制模式在当时的 行业中应用十分普遍，并以相当的批量投向市场，而其突出的弱点在于功能简单、结构复 杂、维护调试困难、可靠性羞，因此最终没有获得用户的认可 2 、以延时电路和逻辑判断电路构成的自动化控制系统，这种控制模式相对于第一种 模式，有了很大的进步然而受当时生产现状及技术工艺水平的限制，使得控制效果达不 到预期的目标，导致该阶段延续的时间并不长 3 、以p l c 为核心构成的柴油发电机组自动化控制系统，由于p l c 的高可靠性和高抗 干扰能力，使得该控制模式下的发电机组控制系统的故障率较前两阶段大大降低，然而该 类控制系统外围电路依然复杂，且造价相对较高，限制了其在柴油发电机组自动化控制领 域的推广与应用，随着控制技术的飞速发展，该模式渐渐失去了竞争优势。 4 、以微处理器为核心构成的专用控制器，该控制模式下的自动化系统采用功能模块 化设计，集多种功能于一体，省去了大量外围复杂的电路，使得自动化控制系统变得更为 简单，由于采用了先进的微处理器及控制技术，这些专用控制器较p l c 控制器具备更高 的可靠性及环境适应能力。此外，系统的许多参数可以由用户自己根据实际情况来设定， 使用起来更为灵活。 总之，控制器功能模块化是当前国内外柴油发电机组自动化控制技术发展的现状，模 块功能的高度集成及应用的高度灵活性，必将促使柴油发电机组自动化控制系统的结构越 来越简单、功能变得越来越完善、使用起来也越来越可靠。 目前，国内已有许多柴油发电机组控制器的品牌出现，并在市场上占有一定的份额， 如：郑州众智、深圳保达、上海孚创、光明、三叶等【1 1 】然而通过调研可以发现这些控制 器主要针对水冷柴油发电机组开发的，在风冷机组的应用几乎没有，尤其是中小功率风冷 柴油发电机组( 1 0 k w 以内) 控制器在市场上仍处于空白。 1 2 2 励磁控制理论的发展 柴油发电机组励磁控制系统是发电机组控制系统的重要组成部分，励磁控制性能的好 坏直接影响了发电机组发电的质量及运行的可靠性和稳定性。而励磁控制理论的发展与自 浙江大学硕士学位论文绪论 动控制理论的发展紧密相关，励磁控制方式的发展经历了与之相对应的发展轨迹【1 2 】，即由 单变量到多变量，由线性到非线性，再到智能化控制。总的来说，励磁控制理论的发展可 以概括为以下六个阶段： ( 1 ) 古典励磁控制 古典励磁方式主要基于古典控制理论，以传递函数为基础。最开始主要针对单机系统 而言，提出了按机端电压偏差进行比例式调节的励磁控制方式，这种控制方式多以单输入 单输出模式为主，并不能很好的满足系统对静态稳定、稳态电压调节精度等多方面的要求。 后来又发展出现了按发电机端电压偏差来进行调节的p i d ( 比例积分微分) 调节方式，这 种调节方式使得系统在静态稳定性上得到了一定的提高，但是仍无法很好地解决电压调节 精度与系统稳定性之间的矛盾【1 2 】【1 3 】【1 4 直到上世纪六十年代末，美国学者f d d e m e l l o 和c c o n c o r d i a 基于古典控制理论的相 位补偿原理提出了电力系统稳定器( p s s ) 的辅助励磁控制策略，形成了“a v r + p s s ”励 磁控制器u 5 】【1 6 1 ，这种控制策略的提出使得励磁控制系统发展为双输入控制系统。采用该种 控制方式较常规的p d 控制在抑制系统的低频震荡、改善电力系统的阻尼特性等方面具有 较明显的优势，但是其依然存在不可忽略的缺陷，即电力系统稳定器参数的合理调整必须 在某一正常运行状态下进行，而这些参数通常需经试验得到，其工作量相当大，并且一旦 系统偏离了原来的运行点，电力系统稳定器对系统振荡的抑制作用就会减弱【1 3 】。 ( 2 ) 线性最优励磁控制 线性最优励磁控制( l o e c ) 是将现代控制理论应用于电力系统稳定控制的典型代表 f 1 7 1 。清华大学卢强教授等率先在国内建立和完善了线性最优励磁控制器的理论体系，并与 天津电气传动研究所共同研制出了第一台基于线性最优励磁控制理论的模拟式l o e c 装 置，该装置于1 9 8 6 年安装于甘肃碧口水电厂投入使用。相比于传统的“a v r + p s s ”励磁 控制方式，线性最优励磁控制具有更好的动态性能，在鲁棒性和适应性上也有很大改善。 然而该控制方式是针对电力系统局部线性化模型来实现的，可以保证在运行点附近具有良 好的控制性能，一旦偏离运行点时，其控制性能就会变差【1 2 1 。 ( 3 ) 非线性励磁控制 由于电力系统具有高度的非线性和结构多变性【1 8 】，当系统的运行点改变时( 如负荷大 幅度波动或发生严重的故障时) ，系统的动态特性就会发生显著改变【1 9 1 。此时，上述基于线性 最优理论的励磁控制方式往往不能满足系统稳定性的要求，而非线性励磁控制方式是基 浙江大学硕士学位论文绪论 于电力系统的非线性模型，可以较真实的反映系统及运行状况，得到更好的控制效果。 近年来，随着非线性控制理论的迅速发展，出现了各种非线性励磁控制方式，如直接 反馈线性化方法【2 0 】、基于微分几何理论的反馈线性化方法、基于李雅普诺夫稳定性理论的 控制方法、非线性变结构控制( 滑动模态控制) 方法和非线性自适应控制等【1 2 1 ，特别是以微 分几何理论为代表的精确反馈线性化方法的快速发展，从理论上很好地解决了非线性控制 系统的大范围线性化问题，大量的研究结果表明运用该方法设计的非线性励磁控制器在改 进大干扰稳定方面比线性励磁控制方法优越川【2 2 1 。 ( 4 )自适应励磁控制 自适应控制理论应用于励磁控制器和电力系统稳定器的设计开始于上世纪八十年代 初期【1 2 】，其控制目标在于当被控对象在运行的过程中发生结构、参数等变化时，系统能够 自动识别并不断地去修正控制器的参数或者调节相应的控制策略以适应该变化，从而获得 更优的控制效果【1 3 】。 ( 5 ) 智能励磁控制 近年来，模糊逻辑控制、专家系统、人工神经网络以及遗传算法等智能化控制策略都 被应用于励磁控制系统的设计当中。这类励磁控制方式主要基于某种智能概念模型将人的 经验及直觉推理引入到控制理论当中，而不再依赖于被控对象的精确数学模型，因此具有 处理非线性、自组织、自学习等多方面的能力和优点【1 2 】【1 3 1 ( 6 ) 综合励磁控制 上述介绍的各种励磁控制方式或多或少都存在一些优缺点，每一种控制策略在解决某 单方面的问题时或许能获得良好的控制效果，然而通常难以兼顾各个方面，有时甚至间接 影响到其它方面的控制性能。而如果将某些控制策略有效地结合在一起，也许就能发挥出 各自的优点，并相互弥补对方的不足，从而实现更优的控制效果。对此，目前许多学者开 展了这方面的研究，文献 1 4 】基于粒子群算法( p s o ) 设计的模糊自调整p i d 励磁控制器 将常规p d 控制与带修正因子的模糊控制相结合，实现了模糊规则的自调整【1 4 1 ；文献 2 l 】 将基于电压偏差的p i d 控制和非线性最优控制相结合设计的控制器，不仅保证了角频率、 攻角的稳定，还弥补了传统非线性控制器对机端电压控制的缺陷【2 1 1 ；文献 2 3 】设计了基于 可编程计算机控制器( p c c ) 的核级柴油发电机组励磁控制器，采用神经网络和p d 控制 相结合，实现对p d 三个参数k p 、k i 、k d 的在线修正【2 3 1 。文献 2 4 】将遗传算法与p d 算法 相结合，设计了g a p i d 励磁控制器，通过遗传算法在线调整p d 参数，以获得较好的控 4 浙江大学硕士学位论文绪论 制效果2 4 】。 1 2 3 远程监控技术的研究现状及应用 。 远程监控是指本地计算机通过i n t e m e t 1 n 仃a i l e t 等网络系统对远端的设备进行监测和 控制，从而实现对分散控制网络的状态监控及设备的诊断维护等功能【2 5 】【2 6 1 【2 7 1 远程监控 技术的发展主要经历了以下三种模式【2 8 1 ： 主机集中模式，这是种典型的肥服务器瘦客户机工作模式，在该模式中主机的c p u 资源和数据库存储功能被众多远程终端用户共享，这就对主机提出了很高的要求，往往导 致主机负担过重，而且设备的成本也较高，它的优点在于采用了高度的集中控制，因此安 全性较高。 客户一服务器( c s ) 模式在结构上主要分为客户机和服务器这两层结构。通过客户端上 安装的应用程序来访问数据库，而系统所有的数据都存放在服务器端上数据服务器根据 客户端发出的应用请求对数据库进行相应地操作，并将结果返回到客户端。c s 模式下， 大量的数据运算由后台去完成，从而大大提高了用户交互反应的速度，解决了执行效率及 容量不足的问题。但随着信息技术的快速发展，c s 结构也逐渐暴露出不少的问题，如客 户端开发、维护麻烦，系统移植困难，且容易引起服务器和网络过载等问题。 浏览器一服务器( b s ) 模式采用三层体系结构，即在传统的客户一服务器结构之间加入 了w 曲服务器层，在该模式下，用户无需在客户端安装应用程序，只需通过浏览器即可 访问远程的设备。客户端不再负责数据存取，只负责显示，因此维护人员无需再为应用程 序的维护与升级工作奔波于不同客户机之间，只需把精力集中在更新功能服务器的程序上， 这就降低系统维护、升级的成本，同时也大大减轻了维护人员的工作量。 随着i i l t 锄e t 、浏览器技术的快速发展，基于w 曲的应用由于其良好的开放性和可操 作性越来越受到欢迎，w 曲的b s ( b r o w s 酬s e r v 神架构已经成为当今应用软件的首选体系 结构，通过使用现场控制系统挂接h 锄e t 或者n e 豫n e t 的方案，让使用者可以通过浏览 器来进行远程的监控与访问功能，提高数据的共享性。同时，该模式还可以实现客户端程 序的“零”安装，便于维护和管理。 国内柴油发电机组在自动化监控领域的快速发展其实很大程度上得益于我国通信事 业的迅猛发展，随着我国通信事业的发展，通信站点不断增多，这就不可避免的带来电源 维护成本的增加及设备管理困难等问题，传统的以人工值守为主的电源维护管理模式已难 以满足通信现代化的需要，因此寻求新的电源维护管理模式迫在眉睫。也正是电源设备维 s 浙江大学硕士学位论文绪论 护的改革使得远程监控技术在柴油发电机组上得到广泛应用及发展，催生了带“三遥”( 遥 测、遥信、遥控) 功能的自动化柴油发电机组，实现了通信电源集中监控 2 9 1 的全新管理模 式，采用计算机控制系统对分布在不同地域局站内的电源设备合理设置必要的监控点，进 行遥控、遥测、遥信，实时监视设备运行参数、及时发现和处理故障，从而实现电源设备的 少入和无人值守【1 1 1 【3 0 1 1 3 存在问题 ( 1 ) 柴油发电机组控制器在可靠性及稳定性上的不足 与国外柴油发电机组控制器相比，国内控制器产品就其功能而言与国外产品区别不大， 国内柴油发电机组控制器产品的主要劣势在于控制器的可靠性及稳定性上【1 1 】，而且国内有 些控制器生产厂商片面追求控制器的功能，而忽略了实际应用，从而出现产品功能利用率 低，造成不必要的资源浪费。另一方面，功能过多，使控制器操作和设置变得繁琐，这就 要求机组的使用人员要具有一定的理论技术水平【3 1 1 。针对这一现状，本文在开发风冷柴油 发电机组控制器过程中注重功能的简化，保留重要的功能应用，并对控制器操作性进行相 应改进，确保使用简捷方便。此外，本控制器增加了励磁控制模块，并应用智能励磁控制 算法，以进一步提高风冷柴油发电机组发电质量及运行的稳定性和可靠性。 ( 2 ) 风冷柴油发电机组的自动化控制水平低 长期以来，由于风冷柴油发电机在冷却技术问题上未能突破，使得风冷柴油发电机的 应用一直局限于小功率上，在通信电源领域主要以水冷柴油发电机组为主，这就导致市场 上的自动控制器几乎都是专门针对水冷机开发的，而在风冷机上一直未能普及应用。然而 水冷柴油发电机组亦存在不可忽视的缺陷，水冷机结构复杂、环境适应能力弱且故障率高 维护困难，据统计，水冷机中的冷却水系统占机组总故障的三分之一以上，因此这就难以 实现真正意义上的无人值守f 3 2 1 。当前，随着风冷机在冷却性能上的改进，且相对于水冷机 组其具备结构简单、利于维护、故障率低、启动性能好，热效率高，油耗低，没有冻裂或 过热沸腾危险等优势，这就为风冷机在市场上尤其是通信电源领域的逐步推广、应用创造 了条件。因此设计一款针对风冷柴油发电机组的专用控制器具有一定的市场价值与研究意 义。 ( 3 ) 柴油发电机组远程监控系统有待改进 当前的柴油发电机组( 包括水冷机和风冷机) 远程监控系统，主要采用基于c s ( 客 户服务器) 的网络模式，由于该模式下客户端直接与服务器连接，因此当同时出现大量 6 浙江大学硕士学位论文绪论 来自客户端的数据请求时，服务器有限的系统资源将被频繁消耗于处理与客户端之间的连 接工作，以致服务器无法及时响应客户端的数据请求。而且该模式下必须在客户端上安装 软件，这就导致客户端维护、升级困难，且对使用人员要求较高，需要进行专门的培训才 能操作。而基于b s ( 浏览器服务器) 架构突破了c s 模式下必须安装客户端软件的限制， 用户只需通过浏览器即可对发电机组实施远程控制，维护人员不需要再为维护升级工作奔 波于每个客户机之间，系统的维护、升级可通过服务器升级来实现，因此大大减轻了系统 维护与升级的成本与工作量。b s 架构下的另一突出优点就是便于用户操作，只需通过客 户端上的浏览器，即可对远程设备进行控制，而且对使用人员要求也不高，无需培训即可 方便上手，十分有利于推广。 基于w 曲技术平台，采用浏览器作为统一的客户端程序实现的远程监控系统，已经 逐渐成为了当前远程监控系统的发展方向【2 8 】。然而目前柴油发电机组( 包括水冷机和风冷 机) 普遍采用的c s 架构已难以满足客户的需求及当前技术发展的要求，这就迫切要求对 柴油发电机远程监控系统进行更新、改进。为此本文结合所设计的风冷柴油发电机组智能 控制器，构建了基于b s 架构的风冷柴油发电机组远程监控系统。 1 4 本文研究内容 本文针对风冷柴油发电机组开发了一款智能控制器，给出了其软硬件实现过程，并在 此基础上搭建了一个基于b s 构架，采用g p r s 数据传输技术及w 曲技术的风冷柴油发 电机组远程监控系统。具体可分为以下几大内容： ( 1 ) 风冷柴油发电机组智能控制器的设计 首先对风冷柴油发电机组智能控制器的功能需求进行分析，确定该控制器拟实现的各 个功能，采用功能模块化设计，分别介绍了各个模块的功能原理，并给出了其软硬件设计 过程。 ( 2 ) 励磁控制算法的研究 为改善风冷柴油发电机组发电品质，本文开展了对发电机组励磁控制算法的研究，基 于当前励磁控制理论的发展现状，对p d 控制和模糊控制理论进行研究，采用综合励磁控 制方式，即在普通p 控制器的基础上，引入模糊控制，通过模糊控制实现对p 三个重 要参数的实时整定，最后通过仿真分析，来验证该综合控制算法的控制效果 ( 3 ) 基于g p r s 的远程数据传输技术的研究 对g p r s 通信原理进行研究，了解其网络结构，重点介绍了g p r s 远程数据传输模块 7 浙江大学硕士学位论文绪论 的软硬件设计过程，模块采用华为的g t m 9 0 0 c 作为核心芯片，将风冷柴油发电机组智能 控制器采集的工作数据通过g p r s 网络进行远程传输，并实现s m s 短信报警任务 ( 4 ) 风冷柴油发电机组远程监控网站的设计 综合比较了当前主流动态w 曲开发技术平台：a s p n e t 、j 2 e e 和l a m ，采用i 。a m p 平台实现对风冷柴油发电机组远程监控网站的开发，其中重点介绍了系统数据库的设计。 按功能模块的不同将该网站系统划分为四大子功能模块，通过对各个子功能模块的分别介 绍来详细阐述该远程监控网站的设计和实现过程。 8 浙江大学硕士学位论文风冷柴油发电机组智能控制器的设计及实现 2 风冷柴油发电机组智能控制器的设计及实现 、 【摘要】本章首先分析了风冷柴油发电机组控制器与水冷机组控制器在结构功能上的区别， 并确定了风冷柴油发电机组智能控制器的功能需求，接着重点阐述了该智能控制器软硬设 计及实现过程，采用功能模块化设计，将控制器划分为参数检测模块、执行控制模块，显 示报警模块、掉电检测模块，励磁控制模块这五大子功能模块并分别进行详细介绍。 当前，市场上出现的柴油发电机组控制器主要是针对水冷机组开发的，相对于水冷机 组而言，风冷柴油发电机组无冷却水系统，对其进行控制的过程中无需进行水温、水位等 检测，且两者启动条件、启动时间也存在较大差异通常风冷柴油发电机组对环境的适应 性强，可以在- 4 0 一+ 5 0 温度范围内可靠地工作，且启动时间较短；而水冷机组工作温 度要求在+ 5 以上，受环境限制大，通常需要添加预热装置，其启动时间较长。现对这两 类机组控制器在结构及功能上的需求进行分析，如表2 1 所示： 表2 1 风冷机组控制器与水冷机组控制结构及功能的差异 风冷柴油发电机组控制器水冷柴油发电机组控制器 转速传感器输入 非必需 必需( 有些通过频率转换得到) 温度传感器输入非必需( 气温检测)必需( 水温、油温检测) 结 油压传感器输入 必需必需 液位传感器输入 无 有 起动继电器输出必需必需 燃油继电器输出必需必需 构 预热继电器输出 非必需 必需 发电合闸继电器有有 市电合闸继电器 有有 a t s 功能有有 功参数检测功能有有 故障报警功能有有 能 远程控制功能 有 有 液晶显示功能有有 浙江大学硕士学位论文风冷柴油发电机组智能控制器的设计及实现 根据上表所示，风冷柴油发电机组控制器与水冷机组控制器在功能需求上差别不大， 而在结构上的最大差别在于风冷机组控制器省去了大量的传感器，因此将水冷机组控制器 直接应用于风冷机组必然造成资源的浪费；且由于两类机组在启动条件上的差异也使得水 冷机组控制器无法直接对风冷机组进行控制。另一方面，由于水冷柴油发电机组的各个厂 家所选用的传感器型号的差异及水箱规格的不同，这就导致该类机组控制器不具备通用性， 而风冷机组无却无这方面的限制。 当前，风冷柴油发电机组自动化控制水平普遍比较低，其启动主要以人工控制为主， 市场上针对1 0 k 、) l ，以内的中小功率风冷柴油发机组控制器几乎没有。因此，伴随着风冷柴 油发电机组在市场上的逐步推广，针对风冷柴油发电机组研发其专用的控制器具备极大的 市场潜力及实际应用价值。 2 1 控制器设计目标 结合厂家实际需求及用户的使用要求，对风冷柴油发电机组控制器各功能需求进行 分析，最终确定了本控制器的各个功能及设计目标： ( 1 ) 具备多种启动模式：手动启动、自动启动、定时启动。 ( 2 ) 具备双电源自动转换功能( a t s ) ： 在市电发生故障时，能及时启动柴油发电机组，并切换负载至发电端，以确保负载 连续、可靠运行。当市电恢复时，切换负载至市电端，发电机组自动关机。 ( 3 ) 液晶显示功能： a )市电电压及频率、发电电压及频率、电流、电瓶电压、温度等参数的显示 b ) 当检测到参数异常并报警时，显示屏立即显示出报警内容。 c )当到达保养时间时，显示屏立即显示保养内容。 ( 4 ) 蓄电池自动充电功能： a )当柴油发电机组处于未运行状态时，由市电充电回路对蓄电池进行充电。 b ) 当柴油发电机组处于运行状态时，由发电机组附加绕组的充电回路对蓄电池 进行充电。 ( 5 ) 报警功能： 当风冷柴油发电机组处于运行状态时，需对其主要工作参数进行实时检测，当出现 异常时，实现报警，并通过液晶显示报警内容其主要报警内容如表2 2 所示： 浙江大学硕士学位论文 风冷柴油发电机组智能控制器的设计及实现 表2 2 控制器报警功能表 序号报警项目动作说明 1电压过高报警( 2 5 3 v ) 2电压过低报警( 5 4 h z ) 4频率过低报警( 1 4 v ) 6蓄电池电压过低报警( = i c p v 1 时 i c p = i c p 卫一i c p - v 1 ( 2 2 ) 当i c p _ v 2 n 时则断开马达，进入重启状态。采用方 案二的启动模式在实际调试当中实现机组自启动的成功率达到9 9 及以上，即使在机组长 时间冷机状态下亦能成功启动。执行控制模块中相关控制电路如图2 1 1 所示： ：。= f q 0q 0 图2 1 1 继电器控制电路 控制器键盘采用4 个独立按键，分别是m 删键、n e x t 键、s t a r t 键、c l e a r 键， 通过键盘操作，可实现光标移动、参数设置、菜单翻页等功能。各个按键功能如下： “m d 哪”一一在参数显示页面下，按此键可以进入系统设置页面；在参数修改或选择时， 可作为确认键使用；当所有参数设置完成后，按此键可返回原显示状态； “n e x t ”一一在参数显示页面下，按此键可实现显示页面的切换；在系统设置页面下， 实现光标的移动；当进行系统参数修改时，可作为翻滚键实现参数值的调整 及参数的选择功能。 “s t a r r 一一发电机组处于停止状态，在手动模式及自动模式下，按此键可启动发电机， 其中自动模式下具备三次重启功能。 “c i ，e a r ”一一当出现报警内容及保养提示时，可作为清楚键，长按此键( 2 s ) 可退出 报警页面，复位到初始状态；在正常显示状态下，可以作为复位键。 浙江大学硕士学位论文风冷柴油发电机组智能控制器的设计及实现 键盘程序为： u s i g n e dc h a rg e t l 【e ) ，o u n s i g n e di n tt e l n p ，t 鼬p 1 ； t e n 叩= p i n b ； t 锄p = t e m p 0 x f o ； d e l a y m s ( 5 0 ) ； t 锄p 1 = p i n b ； t e m p l = t 即1 p 1 & 0 x f o ； i f ( t 锄p 1 t e m p & t e m p ! = o x f o ) r e t l i m ( t 1 p o x f 0 ) ； 严这里取反是为了方便观察， s 1 按下时，返回值为o x l o ； s 2 按下时，返回值为o 】【2 0 ； s 3 按下时，返回值为o x 4 0 ； s 4 按下时，返回值为o x 8 0 ； l e l s e r e t l l mo x f o ； ) 图2 1 2 按键部分电路 键盘程序 读取p b 口电平值 揣拽 浙江大学硕士学位论文风冷柴油发电机组智能控制器的设计及实现 2 2 3 显示报警模块设计 显示报警模块主要通过l c d l 2 8 6 4 液晶显示屏提供与用户的交互的界面，通过液晶 屏显示机组工作参数、报警信息，并提供用户进行相关参数修改、设置等功能。其硬件电 路如下图所示： o 1 l v o c “g 如 一 图2 1 3q c l 2 8 6 4 液晶接口电路 该显示模块采用q c l 2 8 6 4 液晶显示屏，液晶屏通常具备串行和并行两种数据传输方 式，为节省单片机接口资源，本文采用串行接法，虽然其数据传输速率较并行传输方式有 所降低，但并不影响实际使用。串行连接时序图： 一厂 s c 。x 门丌nnf 1f 1nn 几几几几n 几几几几n 丌八门几几几 s z 。 二二二二盟：口口q q ：c ：2 ：厂 卜。黑刊亡兰一 ! 刁。1 图2 1 4l c d l 2 8 6 4 串行传输时序图 在该液晶显示模块中编辑了一个菜单功能，该菜单功能设计如图2 1 5 所示： l 一妻翌型望j 图2 1 5 控制器菜单功能 2 l 浙江大学硕士学位论文风冷柴油发电机组智能控制器的设计及实现 该菜单功能可分为两层：参数显示层及参数设置层。参数显示层共包含两页内容，主 要实现发电机组重要参数的显示，如电压、频率、电流、温度等，报警内容、保养提示及 系统时间等也在该层显示，这两页内容可通过“n e x t ”键自由切换。参数设置层共三页， 主要实现用户参数设置功能，包括阀值设置、系统时钟设置、启动模式设置、定时时间设 置、中英文切换恢复出厂设置。其主要程序： 1 ) 液晶显示子程序 q c l 2 8 “是一个汉子图像点阵液晶显示模块，内置中文字库，可显示汉字及图形。 q c l 2 8 6 4 包含基本指令集和扩充指令集，一些基本功能操作如清屏、游标开启、写数据等 都是在基本指令集下操作，而涉及到绘图功能、反白操作等则必须在扩充指令下进行 液晶模块写数据前必须进行清屏和开启整体显示等操作；而在进行图形显示时，必须设置 绘图功能，并对绘图蝴进行清零操作，用于显示的图像可由专用的字模提取软件生成 相应的数据代码。其程序流程如下： l c d 初始化 上 c l rr a m 设置显示位置 上 数据送显示 图2 1 6 l c d 图形显示程序流程 2 ) 自定义光标程序 在编辑菜单功能时将不可避免得涉及到光标的操作( 光标显示、光标移动) ，q c l 2 8 6 4 内部集成了光标的功能，然而该光标长度仅限于一个字长，只能选中单个汉字，因此并不 能满足实际操作的要求，如图2 1 5 所示的菜单功能界面，其选项内容往往是两个字长或 更长，这就必须根据实际长度需求定义光标长度，本文通过采用反白操作实现自定义光标 功能，可自由设置光标的显示位置及长度，其程序代码如下： c o n s t 吼s i g n e dc h a ra d d r 口= o x 8 2 ，o x 8 4 ，o ) 【8 6 ，o x 8 八o x 8 c ，o x 8 e ，o x 8 3 ，0 】【8 c ，o ) 【8 f ，o x 8 0 ，o ) 【8 8 ，o x 8 7 ，o ) 【8 5 ) ； c o n s tu n s i g n e dc h a ra d d r - r 】= 0 x 8 0 ，o ) 【9 0 ，o x 8 0 ，o x 9 0 ； 浙江大学硕士学位论文风冷柴油发电机组智能控制器的设计及实现 v o i dh i g h l i g h t ( 皿s i g n e di n tr o w ，皿s i g n e di n tc o l ，u n s i g n e di n t l ，蛐s i g n e di n ta ) 反白起始行：r o w ；列：c o l ；长度：l ；光标类型：a ； u n s i g n e di n ti j ，n a g ； 如( r o w 1 ) f l a g = 3 ； e i s e f l a g = 0 ； f o r ( i _ o ；i l6 ；i + + ) f o r ( j ：0 j l j + + ) 、砌t ec o m ( a d d r 【r o w 】+ i ) ； w r i t ec o m ( a d d r c 0 1 + n a g 斗j ) ； 删一0 & & a - _ 2 ) w t i t e a t ( o x 0 0 ) ； w r i t e _ d a t ( 0 x f f ) ； ) e l s e 、确t cd a t ( o ) 【f f ) ； w d t e _ d a ：t ( o ) 【f f ) ； ) ) ) ) 浙江大学硕士学位论文风冷柴油发电机组智能控制器的设计及实现 2 2 4 掉电检测模块设计 图2 1 7 掉电检测电路 本电路中的电解电容c 5 是作为储能电容，其容量应足够大，以确保当出现系统电源 出现异常时，单片机有足够的时间做紧急处理和数据备份。通常电容c 5 的值取1 0 0 0 u f 4 7 0 0 u f ，当需要保存的数据越多，则选取c 5 的容量应越大。 掉电检测模块主要是为了确保系统电源出现故障时( 电源掉电、电源供电波动) ，系 统有足够的时间及时将一些重要数据保存起来，当再次上电时或电源稳定后，系统将保存 的重要数据读取出来。在本控制器中，发电机组累计工作时间、保养提示标志、系统出厂 前参数值等其他重要参数就必须在发电机掉电或关机时及时写入单片机e e p r o m 中，保 存起来。 该模块工作原理：首先通过配置a 咏单片机的熔丝位来使能b o d 检测，将b o d 掉 电检测电压的门限设置为2 7 v ，此时当系统电源电压低于2 7 v 时会产生复位信号，这样 可以防止由于c p u 的意外动作而错误的修改e e p r o m 里的内容。本掉电检测电路的核心 芯片为m 伸8 0 9 l ，用于监控系统电源的电压，其监控电压为4 6 3 v 。当系统电压下降到 4 6 3 v 以下时，m 口8 0 9 l 的r 端由原来的高电平跳变为低电平，触发筒瓜外部中断玳t 0 ， 通过i n t o 中断处理程序将系统的重要数据备份到e e p r o m 中【3 4 1 。 v o i d e x t j n t o o 外部中断斟t o 程序 u n s i g n e d i i i ti ； l o n gi n t t s ； t s = = t s 2 ； f o r ( i = i o ；i 1o ；i + + ) e e p r o mw t i t e ( i ，v a l u e i 】) ； 读取t s 2 的值，t s 2 记录了机组的累计工作时间 将数组v a l u e 口里的值写入e e p r o m 中 2 4 浙江大学硕士学位论文风冷柴油发电机组智能控制器的设计及实现 f o r ( i = 1 0 ；i 2 2 5 励磁控制模块设计 风冷柴油发电机组励磁控制模块的主要任务是调节发电机励磁绕组的直流电流，控制 发电机机端电压恒定3 5 】【3 6 】【3 7 1 ，以提高发电机组发电质量及运行的稳定性和可靠性，该模块 主要由励磁功率单元和励磁调节器这两部分构成，它们和发电机共同构成一个闭环反馈控 制系统3 8 】【3 9 1 ，其系统结构如下图所示： 励磁系统 图2 1 8 励磁控制系统结构图 功率单元实现向发电机的励磁绕组提供直流电流，以建立直流磁场；励磁调节器用于 调节励磁电流。励磁功率单元的电路原