（机械工程专业论文）大型渔船柴油机发电机组建模与模糊控制.pdf

江苏大学工程硕士学位论文 摘要 大型渔船电站自动化是大型渔船轮机自动化的重要组成部分。大型渔 船轮机自动化的发展，对大型渔船的供电质量的要求也越来越高，传统的 柴油发电机组的机械、液压或模拟式调速器已不能满足这种要求，因而出 现了电子的基于微计算机的双脉冲调频调载调速器。 本文在查阅参考大量文献基础上，提出了设计具有智能性质的数字调 速器，并将智能控制理论运用到大型渔船电站自动化中。本文从电磁学、 动力学的基本原理出发，建立了柴油发电机组系统的数学模型，然后设计 出以模糊控制为核心的智能调速器。现有大量文献已指出模糊控制所具有 的优越性和存在的缺陷。模糊控制算法的一个主要的难点就是模糊控制规 则的获取。针对这一问题，作者设计出规则自适应模糊智能调速器，自适 应规则来源于经验的总结，该调速器的品质较以往的自适应模糊控制有了 一定的提高。 本文针对大型渔船柴油发电机组的数学模型为控制对象，对于智能调 速器进行了仿真，包括系统的启动、系统由单机运行向并联运行的切换和 突加突卸负载等。仿真的结果表明，本文所设计的智能调速器较传统的调 速器在动态特性和稳态精度等方面都具有一定的改进和提高，一定程度上 证明了本文提出的控制算法的正确性和有效性。 关键词大型渔船柴油发电机组规则自适应模糊智能调速器 a b s t r a c t t h ea u t o m a t i o no fl a r g e s e a l ef i s h e rp o w e rs t a t i o nisa ni m p o r t a n t p a r t o fw h o l e s h i pa u t o m a t i o n t h ed e v e l o p m e n to f l a r g e s e a l e f i s h e ra u t o m a t i o n p u t s m o r er e q u i r e m e n to nt h e q u a l i t y o f e l e c t r i c i t y ，w h o s es t a n d a r dc a nn ol o n g e rb em e tb yt h et r a d i t l e n a l m e c h a n i c a l h y d r a u l i cp r e s s u r eo ra n a l o gs p e e dr e g u l a t o ro fm a r i n e d i e s e 卜e n g i n eg e n e r a t o ts y s t e m a sar e s u l t ，s p e e dr e g u l a t o rb a s e d o ne l e c t r o n i c sa n dm i c r o c o m p u t e ra p p e a r e d i n t h e s i s ，a f t e rd o i n gs o m er e s e a r c ho nf o r m e rd i g i t a ls p e e d r e g u l a t o r ，a u t h o rp r o p o s e st od e v e l o pi n t e l1i g e n ts p e e dr e g u l a t e r a n di n t r e d u c ei n t e l l i g e n tc e n t r e i t h e o r ys u c c e s s f u l l y t om a r i n e d i e s e l e n g i n eg e n e r a t o ts y s t e m t h ei n t e l li g e n ts p e e dr e g u l a t o th a s b e e nd e s i g n e d f u z z yc e n t r e l l e r ，w h o s ea d v a n t a g e sa n dd is a d v a n t a g e h a v eb e e ne t a b o r a t e di nm a n yf o r m e r1 i t e r a t u r e ，ist h eb a s eo ft h e p r e s e n ti n t e l l i g e n tc e n t r e l l e r s t h i st h e s isf o c u so n ：h o wt og a i n f u z z yr u l e s ，w h i c hu s u a ll yc o m ef r o mr e a i li f ee x p e r i e n c e an u m b e ro fs i m u l a t i o n e x p e r i m e n t s t oa b o v e - m e n t i o n e d i n t e l1i g e n tc e n tr e ll e ra n dm a t h e m a ti c a lm o d e lo fm a r i n e d i e s e l e n g i n eg e n e r a t o rh a v eb e e nm a d e w h i c hi n c l u d et h es t a r t u p o fe n g i n es w i t c hf r o ms i n g t ee n g i n et op a r a i l e ie n g i n e ，a n da l t e r o fl o a d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h i si n t e l l i g e n t 7 s p e e d 江苏大学工程硕士学位论文 r e g u l a t o ri s f e a s i b l ea n de f f e c t i v ei nm a n yw a y st h a nt r a d i t i o n a l 0 n e s k e yw o r d sl a r g e s c a l ef i s h e rd i e s e l e n g i n eg e n e r a t o rs y s t e m r u l e sa d a p ti v ef u z z ys p e e dr e g u l a t o t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏人学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密口 指导教师签名：孑咎称 u 年舌月g 日 彳吖j 1 乳 名硷 名 謦 ， 作 纱 蝌 6 位0 1靴q 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中己注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：番号 日期：0 年二月占日 江苏大学工程硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 大型渔船电力系统概述 船舶电力系统主要包括船舶发电站、电力网及负载。它是全船的一个独立系统。从 发电、配电、输电到各种用电设备构成统一的整体。对于负载而言，它要求其端电压以 及电压的频率维持恒定，因此对于大型渔船电力系统而占，维持电源的电压及电压频率 恒定是电力系统运行的两项关键性指标。 船舶交流电站负载的变化，如起货机拖动电动机的起动、正转、反转和停车，将引 起电站发电机组转速的变化，因而使电网频率发生变化。而用异步或同步电动机拖动的 船舶机械、仪表的转速是取决于电网频率的，因此电网频率的变化将真接影响它们的工 作。 当电网频率降低时( 低于额定值) ，泵和风机电动机的转速下降，大大减少它们在单 位时间内的送油、送水和送风量，使原动机的工作不正常，效率降低，使起货机，锚机 等转速降低，延长装卸和起锚的时间。 当频率高于额定值时，电动机的转速提高，从面使电动机输出功率提高，对电网要 求供给的电能也增加。此外，电动机变成过载运行。 对于原动机( 柴油机) ，由于它们是按额定转速发出最大功率和最高效率设计的。当 转速变化时，就会使原动机的效率降低并使其零件磨损加剧。 大型渔船上某些大功率电动机的启动电流甚至超过发电机额定电流，因此相互影响 大。电动机启动时，电网电压降落大，发电机的转速和频率波动也大。 更为严重的是几台发电机并联工作的情况。当各机组的频率渡动时，将引起各机组 有功负载分配不均匀，甚至使有的机组过载，有的机组转入电动机状态工作，即发生逆 功率的情况，最后导致保护装置动作，使主开关跳闸。 因此，维持大型渔船电力频率恒定，对电力系统的运行可靠性和经济性具有莺要意 义，很多负载功率及工作特性都与频率有关。为了保证供电的品质，使整个系统币常工 作，大型渔船发电机的调压器和调速器都提出了较高的要求，所有电力系统的电源均设 有恒压装置即调压器，而带动发电机运行的原动机上均设育调速器。 作为大型渔船电力系统，其结构框图如下： 江苏大学工程硕士学位论文 1 2 调速器概述 图i 1 大型渔船电力系统结构框图 调速器是反映实际转速和给定值之问的偏差，从而对转速实行调整的自动调节器。 调速器因原理、结构和用途不同，类型繁多。按转速调节范围来分，调速器可分为极限 调速器、定速调速器、全制式调速器、双制式调速器4 种；按执行机构来分类，调速器 又可分为机械调速器( 直接作用式调速器) 与液压调速器( 间接作用式调速器) 。 由于电力系统要求频率能维持在一定的范围内因此柴油机发电机组的调速器是一 种“定速调速器”。它能自动调整柴油机的喷油量，当负载从零到额定值范围内变化时， 维持机组转速在某一定允许的范围内。 大型渔船电力系统正常工作需要经常调整船舶电站原动机的转速，以保持电网频率 的恒定和各发电机按比例( 当容量不相等时) 或均匀( 当同容量时) 分配有功负载，特别是 各原动机凋速特性相差较大或者不稳定时，为了减轻船员的劳动强度，提高供电的质量， 船舶电站中增加了自动调频调载装置( 简称频载调节器) ，它通常由频率变换器、功率变 换器和调速器( 包括放大、判别、控制环节) 三部分组成。 因为原动机本身具有调整器，频载调节器只起到辅助调节作用。当原动机本身的调 速器性能较好时( 调整精度高、各调速器特性一致性好、调速稳定) ，可以不装频载调节 器，而调速器稳定性差时，即使装了频载调节器也难于达到稳定的效果。因此较好的方 案足改进原动机本身的调速器，使之按原动机负担的有功功率和转速( 频率) 两个信号直 接凋速( 调频) ，称为双脉冲电气调频器。双脉冲电气调频器足根据发电机的频率和功率 信号来调速原动机的转速( 发电机的频率) 的。它的方框图如图卜2 江苏大学工程硕士学位论文 1 2 1 调速器的静态特性 图l - 2 双脉冲电气调频器方框图 柴油机组的工作特点是要求在转速恒定条件下， 臣 功率由零变为最大。柴油机的这种运行工况称作负符 工况，此时功率或扭矩同喷油量的静态关系就是柴油 机的负荷特性，见图1 - - 3 ，h 表示与喷油量有关的齿 条位移，肌表示功率，g 。表示油耗。 喷油泵与柴油机结合后，当喷油泵齿条杆位置一 定时，柴油机的扭矩与转速的变化关系为速度特性。 图l _ 3 柴油机负荷特性 速度特性就是柴油机安装调速器前的原始特性。见图卜4 ，h 为齿杆位移，肘。表示转矩， 图l - 4 柴油机速度原始特性 柴油机的速度特性是一条近似平行于转速轴的直 线，因而阻力矩稍有变化，将引起转速大幅度变化， 这一特点决定柴油机安装调速器是必要的。 柴油机调整特性即在转速一定下，柴油机扭矩 m 。，与齿杆位移h 的关系。调整特性所代表的意义 是，为保持柴油机转速恒定，或在允许范围变化， 则柴油机与其输出力矩必须满足调整特性的规定。 为此，传统调速器应有如下功能： l 、负载增大，调速器能实现降速增油。 2 、负载减小，调速器能实现增速减油。 3 江苏大学工程硕士学位论文 3 、当阻力矩与驱动力矩平衡时，调速器能实现供油不变以保持转速恒定。 对于传统的调速器而言单靠调速器的调 节是不能达到要求的，这可以从调速器的稳态 调速率历看出( 如图卜5 所示) ，当负载增加过 大时，机组在低于额定转速的工况下稳定运行， 稳态调速率可按下式计算： 蠡：竺二竺1 0 0 式中：n k 为空载转速，胁为额定转速 图卜5 柴油机速度带调速器特性 拭的值的大小关系到调速器的稳定性和恒速性，因此它是传统调速器的重要指标 之一。通常最小，则机组的恒速性能好，而蠡大时，并联运行的稳定性好。因此，从 这个意义上讲，调速器应有一定的夙值，这也说明，若要使机组维持恒速，就必须采取 措施。 并联运行机组间，应按各自容量成比例的承担电网负载。但由于各机组调速系统静 态特性不尽相同，因而必然会出现一定的有功分配差度。如图卜6 所示，同容量的两台 机组，静态调速特性不同，额定工况下，两台机组都在额定功率只下运行。当负载增加 后，经过调速器调节，并联运行机组在低于额定频率，0 工况下运行。这时，由于两台 机组静念调速率不同( 若皖， 皖，) ，l 号机承担p 。， 2 号机承担p 2 ，且p ： p l ，出现了分配偏差，该分 配差度与稳态调速率尻成反变关系。在空载工况下 ( 或低载) ，电站机组平均承载虽为零( 或较小) ，但 由于调速器静特性不同，负载机组必然会出现逆功 率，逆功率超过一定值便会使逆功率继电器跳闸， 羁 魂p机组并联运行被迫解列。因此为了保证互联系统的 豳1 6 并联机组的静态特性i f 常稳定运行，每台机组应按容量比例共同承担电 网总负荷，这是传统机械凋速器本身无法实现的。 1 2 2 调速器的动态性能 柴油机运行时，系统受到短时小扰动时的静念稳定性，是柴油机能处于稳定工况下 江苏大学工程硕士学位论丈 工作的保证条件，而当系统受到有限量扰动时的动态稳定性，则是系统在瞬态过程中能 够达到新的稳定工况运行的保证条件。当系统突加突卸负荷时，要求调速器应该有较好 的动态响应特性，即在最短的时间内以最小的超调量让其稳定运行。 当对并联运行机组突加负载时应能保证两机组不失步、不解列，频率的瞬态变化不 应超过允许值。 不同型、不同容量机组，由于它们的静态特性虽 然可调得相同，但动态特性却可能差别很大。如图 卜7 所示，实线为并联运行时两台机组的固定动态特 性线，虚线为它们被强迫拉成同步转速的动态特性 线。很明显，如果原始的各机组的动特性差别愈大， 瞬态的转速偏差也就愈大，则在过渡过程中瞬态有功 功率分配差度也就越大。其结果势必造成轻载时可能 n a ， ，一 趴、i 图l - 7 并联机组的动态特性 会引起一台机组逆功率而跳闸。重载时会出现一台机组过载而解列等现象。可见并联机 组负载的瞬态稳定性的好坏与各机组调速动态特性线的重合性直接有关。传统的机械、 液压调速器很难做到调速动态特性重合。 1 3 智能控制简介 1 3 1 智能控制的产生背景 智能控制的概念和原理主要针对被控对象、环境、控制目标或任务的复杂性而提 出来的。而计算机科学、人工智能、信息科学、思维科学、认知科学和人工神经网络的 连接机制等方面的新进展和智能机器人的工程实践，从不同的角度为智能控制的诞生奠 定了必要的理论和技术基础。被控对象的复杂性表现在：模型的不确定性，高度的非线 性，分布式的传感器和执行器，动态突变，多时自j 标度，复杂的信息模式，庞大的数据 量，以及严格的特性指标等。 环境的复杂性是以其变化的不确定和难以辩识为特征的。在传统的控制中，往往 只考虑控制系统和受控对象所组成的独立体系，忽略了环境所施与的影响，而现在的大 规模复杂的控制和决策问题，必须把外界环境和对象，以及控制系统作为一个整体来进 行分析和设计。 面对复杂的对象、复杂的环境和复杂的任务，用传统的控制理论和方法去解决是不 江苏大学工程硕士学位论文 可能的，这足因为： 1 、传统的控制理论都是建立在精确解析模型基础之上的，迄今为止，还不存在一 种直接使用工程技术用语描述系统和解决问题的方法。从工程技术用语到数学描述的映 射过程中，一方面使问题作了很多简化，但另一方面却使原问题丢失很多信息。随着科 学技术的发展，出现了许多必须建立在工程技术语占描述基础上的新型复杂系统。譬如： 智能机器人或机器人，柔性和集成制造系统等。所有这些系统具备一个重要的特点，即 计算机作为工具而给予支持，它会“思考”，会“推理”，能部分地实现人的“智能”， 用传统的数学语言去分析和设计就无能为力。因此，必须寻求新的描述方法。 2 、传统的控制理论虽然试图解决控制对象的不确定性和复杂性的问题，如自适应 控制和鲁棒控制也克服系统中所包含的不确定性，达到优化控制的目的。但是自适应控 制以自动调节控制器的参数，使控制器与被控对象和环境达到良好的匹配，以削弱不确 定性的影响为目标的。从本质上说，自适应和自校正控制都是通过对系统某些重要参数 的估计，以补偿的方法来克服干扰和不确定性。它适合于系统参数在一定范围内的较慢 变化的情况。 鲁棒控制则是在一定的外部干扰和内部参数变化作用下，以提高系统的不灵敏度为 宗旨来抵御不确定性的。根据这一思想和原理所导出的算法，其鲁棒的区域足很有限的。 因此，在实际应用中，尤其在工业过程控制中，由于对象的严重非线性，数学模型 的不确定性，系统工作点变化剧烈等因素，自适应和鲁棒控制存在着难以弥补的严重缺 陷，其应用的有效性受到很大的限制，这就促使人们提供新的控制技术和方法。 3 、传统的控制系统输入信息比较单一，而现代的复杂系统要以各种形式视觉 的、听觉的、触觉的以及直接的方式，将周围环境信息( 图形、文字、语占、声音和传 感器感知的物理量) 作为系统输入，将各种信息进行融合、分析和推理。它要随环境与 条件的变化，相应地采取对策或行动。对这样的控制系统就要求有自适应、自学习和自 组织的功能，因而需要新一代的控制理论和技术支持。 人们从实践中观察到人类具有很强的学习和适应环境的能力。有些复杂的系统，凭 知觉和经验能进行很好操作并达到较理想的结果。这就导致产生了一种仿人的控制原理 和方法，即智能控制的产生。 1 3 2 智能控制的含义与研究对象 智能控制( i c ，i n t e l l i g e n tc o n t r 0 1 ) 是一门新兴的理论和技术，是传统控制理论 江苏大学工程硕士学位论文 发展的高级阶段，主要解决那些传统方法难以解决的复杂系统的控制问题，其中包括智 能机器人系统、复杂的工业过程控制系统、航天航空控制系统、交通运输系统、环保及 能源系统等。 1 智能控制的研究对象具备的一些特点 1 ) 模型的不确定性 传统的控制是基于模型的控制，其模型通常认为已知的或者经过辩识可以得到的， 而智能控制的对象通常存在严重的不确定性。这里所说的模型不确定性包含两层意思： 一是模型未知或知之甚少；二是模型的结构和参数可能在很大范围内变化。 无论哪种情况，传统方法都难以对它们进行控制，而这正是智能控制所要研究解决 的问题。 2 ) 高度的非线性 在传统的控制理论中，线性系统理论比较成熟。对于具有高度非线性的控制对象， 虽然也有一些非线性控制方法，但总的来说，非线性控制理论还很不成熟，而且方法比 较复杂。采用智能控制的方法往往可以比较好地解决非线性控制问题。 3 ) 复杂的任务要求 在传统的控制系统中，控制的任务或者是要求输出量为定值( 调节系统) ，或者是要 求输出量跟随期望的运动轨迹，因此控制任务的要求比较单一。对于智能控制系统，任 务的要求往往比较复杂。如，在智能机器人系统中，要求系统对复杂的任务具有自行规 划和决策的能力，有自动躲避障碍运动到期望日标位置的能力。 2 智能控制系统的功能特点 面对现代化工业的特点和要求，一个理想的智能控制系统应具备以下一些功能特 点： 1 ) 学习功能 系统具有自行改善自身性能的能力，即在经历某种变化后，系统性能优于变化前的 系统性能。 2 ) 适应功能 系统应具有适应受控对象动力学特性变化、环境变化和运行条件变化的能力。 3 ) 组织功能 组织功能指的是对于复杂的任务和分散的传感信息具有自行组织和协调的功能。该 组织功能也表现为系统具有相应的主动性和灵活性，即智能控制器可以在任务要求的范 江苏大学工程硕士学位论文 围内自行决策、主动地采取行动：而当出现多目标冲突时，在一定的限制下，控制器可 有权自行裁决。 4 ) 鲁棒性 系统应对环境干扰和不确定性等诸因素不敏感。 5 ) 容错性 系统应对各类故障具有自修复的功能。 6 ) 实时性 实时性是智能控制所必备的性能，系统应具有相当的在线实时响应能力。智能控制 系统需要实时监控、实时处理、实时学习和实时动态处理。 1 4 研究课题的提出 1 4 i 智能调速器 现代大型渔船机舱自动化程度越来越高，许多自动化装置和仪表设备对大型渔船电 网的供电品质的要求越来越高。从调速器的静态特性和动态特性的要求来看，传统的机 械、液压等模拟调速器已不能满足这种要求，因而国内外相继出现了各种频载调节装置 来改善供电品质，通常都是采用以下两种方法： 1 、采用二次调节装置 这是用来弥补调速器的一次调节的有差特性和调差系数不一致所造成的频率偏差 和有功分配偏差的频载调节装置。它可以实现在不同的负荷下自动维持电网的频率恒定 不变，自动保持各并联机组自j 的有功功率按比例或预定的要求合理分配，这属于调节机 构的静态调速特性，而对调速系统的动态精度则不能改善，即不能解决并联机组间的动 态特性一致性问题。现在已经有多种模拟式、开关式、或电子的、计算机的二次频载调 节器。 2 、采用双脉冲调速器 这是感测转速和功率信号，经过比较、运算、输出合成的频载信号，去控制执行机 构，调节原动机转速，使转速恒定和负载分配差度保持在允许范围内。这同上面所介绍 的代替人工所进行的二次调节不同，它是从原始参数丌始，进行由始至终的全动静态过 程调节。目前国内外已有不少模拟式、电子的、液压的双脉冲凋速器。 本文尝试研究计算机控制的数字式智能凋速系统，感测转速偏差信号，在智能控制 江苏大学工程硕士学住论文 器内进行运算，输出合成的频载调节信号去控制执行电机，经过减速机构，直接拉动柴 油机油门齿条，实现柴油机的油量调节，使频率偏差和负载分配差度均保持在允许范围 内。 1 4 2 智能控制器的优点 1 、动态特性好、静态精度高 目前的模拟电子的双脉冲调速器，都是由于把转速、功率变成模拟电压，再进行模 拟运算，这些都不如数字计算机的数字测频、数字测功及数字运算精度商。双脉冲智能 调速器可以达到或超过国际i 级精度。 2 、控制灵活 目前的模拟、电子式双脉冲调速器，只能实现一些简单的控制规律，通常只是p i d 运算：而智能控制器可以实现许多复杂的控制规律，如充分利用人经验的模糊控制、具 有自适应、自学习的神经网络控制、模糊控制和神经网络相结合的控制等。这些控制都 具有一定的智能运算可以获得更加优良的控制效果。 3 、可以保证并联机组的稳定运行 计算机数字智能控制器可以通过不同的控制参数，使多台机组的动态调速特性线基 本重合，有利于保证系统惯性时自j 常数差别较大的机组稳定运行。这是其他模拟电子调 速器难以做到的。而且它可以使多台机组并联运行的有功功率分配差度达到足够的精 度，理论上可以是零。 4 、修改控制参数客易 随着时间的推移，对象的特性参数会发生漂移。修改控制器参数极其容易，还可以 实现随着对象参数的变化而对控制器参数自寻优。这也是其它调速器难以实现的。 总之，可以肯定，随着科学技术的发展，智能控制的理论和技术也会更加成熟，智 能控制器的应用也会增多，这将为实现整个大型渔船电站自动化提供了有利条件。 江苏大学工程硕士学位论文 第2 章大型渔船柴油发电机组系统数学模型的建立 2 1大型渔船柴油发电机组数学模型的概述 大型渔船电力系统是一个非常复杂的非线性动态系统。但是由于其在稳态点运行， 在此运行点附近用线性化模型来代替非线性模型描述系统的动态特性是允许的，因此， 通常基于此线性模型根据控制理论来设计控制器。 本系统的结构框图如图2 - 1 所示。 图2 - 1 系统结构框图 2 2 大型渔船柴油发电机组的数学模型建立 2 2 1 执行电机传递函数的推导 豢 倒2 - 2 伺服电机的电路原理幽 采用直流伺服电机电枢控制，电路图见图2 2 。对放大器，输入控制电压变化幽， 则输出平均电压变化血。 = 屯a u ，屯为放大系数。 设为输入控制电压额定值，u d 。为加在执行电机电枢电压额定值，则吒= 堑， 。= 堑衄 江苏大学工程硕士学位论文 所以，选用电枢控制的直流伺服电动机，励磁电压不变，电机通过减速机构拉动油 门齿条，因而可以认为负载力矩不变，则电枢电压升高，电机转速升高，电枢电压降低， 电机转速降低：改变电枢电压极性，电机反转。 电枢电压回路方程为： l a a l + a l 尼+ a e ：a 撕( 2 一1 ) a 三。为电枢电感，e 为反电动势增量，l 为电枢电流增量，见电枢等效电阻，m 电枢电压增量。 a e = 屯q = 屯i a m ( 2 - - 2 ) a q 为执行电机转速增量，a m 为减速器后的转速增量，i 为传动比，屯为反电动势 常数。 转子运动方程为： ，警= 肼= e 虬 ( 2 _ 3 ) ，为转子转动惯量，a m 为电磁转矩，k m 为电磁转矩常数。合并式2 2 和2 - 3 ，考 虑到漏磁电势相对很小故将其忽略得到： ，必：监一生& f 西 尼 4 兄 化简为： 。，警= 壶也蝴 叫， 其中t m - - 瓦j r o 忽略电枢内阻及漏磁电势，则 a u d a e = 七。q 故， 舷：堑：翌坠 。o o万n o 将恕和：旦耸掣代入式2 - - 4 ，则 o t 江苏大学工程硕士学位论文 学+ 掣= 等亭等 设平衡工作点值为零，则 。窘+ 警嘶“k = 器。乙可+ i “。憎k 。葫 式中口为执行电机角位移 k 为执行电机( 含减速器传动比f ) 常数 用传涕函数表示取i ，ra ( t ) 1 = a ( s ) 则匕式： 塑：坠 u ( s ) s ( t s + 1 ) 2 2 2 柴油机的转矩输出滞后 ( 2 5 ) 当执行电机根据控制信号拉动油门时，由于油门杆有间隙，柴油机本身有燃烧滞 后，而且是汽缸按规定的次序喷油燃烧产生的动力具有间隔性等，这一切说明，执行机 构动作后，柴油机的输出转矩不会立即增加或减少，而有一定的时滞，如图2 3 。 图2 - 3 柴油机输出转矩延迟 如果忽略间隔环节，同时用一个滞后环节来代替燃烧环节和热力环节，对一定柴油 机来说，这一滞后环节是确定的。其滞后时间与柴油机的转速n 和汽缸冲程数有关。 a m d o ) = 七a h e 却( 2 - - 5 ) a m 。为柴油机转矩增垦， 幽为油门开度变化量， t d 为滞后时间， 七为常数， 由于柴油机转矩与油门开度之间为线性关系，据文献 8 及文献 2 1 ，则：七：墼 m 。为柴油机额定输出转矩，魂为额定油门开度， 毗= 等础矿舻 ( 2 6 ) 江苏大学工程硕士学位论文 田于卒乐缆米用砜仃电召l 且接扭明捆，因此转用口刖灭，j 、止比- f 稠ij 升厦一削 大小，比例因子k o = b j 。，因此式( 2 6 ) 变为： 毗= 等州即 将上式化为标幺值方程，令k 。a 瑾= 口，口= 盯，m d m o = m d m = m d ， 并将滞后环节p 一“。展成幂级数士，经拉氏变换得： l + f j s 雌) 2 擀p * 等 ( 2 1 ) 即丝盟：j - a o )1 + f 卢 2 2 3 单机运行时刻的数学模型 ( 2 8 ) 柴油机发电机组运行时，若驱动力矩m 。和负载力矩m ，相等，则柴油发电机组会 稳定运行。如果用电负载发生变化，使得负载力矩m ，发生变化，则机组的稳定运行就 遭到破坏，机组就会加速或减速运行。根据力学的达兰贝尔原理有： ，塑：坛一膨( 2 9 ) 班 j 为折算到柴油机驱动轴的当量转动惯量 m 。为驱动力矩 国为柴油机驱动轴的角速度肘，为阻力矩 在平衡时有： m d = m f 在非平衡时： m d = m + a m d m y = l f ，o + a m 其中a m 。和a m ，分别为驱动力矩和阻力矩( 负载力矩) 的增量。所以，在非平衡工 况下，柴油机的运动方程为： 江苏大学工程硕士学位论丈 即 j d 出a c o = ( 心。+ 毗) 一( 膨。+ 砒) j d a a ：坛一 d t ( 2 1 0 ) 柴油机驱动力矩m 。与转速、燃油泵喷油量及进气量有关。由于执行电机拉动油 门齿条以实现增减油调节，即喷油泵喷油量与执行电机的转角口有关，而进气量是柴油 机转速和进气压力晶来决定，所以柴油机驱动力矩m 。为转速、电机转角口及进气压 力晶的函数： m d = ，( 奶口，匕) 通常m 。是非线性函数，将它展开成泰勒级数： 岫砒。+ ( 警卜+ ( 警 o 等+ + f 丝a a1 ) o 恤+ ( 警 0 等一。l a m 。 i 峨+ ( 等 0 等+ 柴油机运行是一个复杂的过程，即使建立一个阶次有限的线性化模型，也往往涉 及到三十多个状态变量时变的动态特性，这样的模型必须经过简化才能作为控制器的设 计基础。忽略掉上式高阶无穷小项后有： 毗= ( 等) o 国+ ( 警 o 恤+ ( 薏 0 峨 将上式代入式( 2 - 1 0 ) ，得： ，百d a c o f i , 塑a c o ) o = k f 塑a a l o 口+ f t , 丝a p 1 0 a p o 如一蜥 ( 2 - 1 1 ) 疵 。 由式( ( 2 - 1 1 ) 可以看出：作为受控对象的柴油机，其输入信号有两个，即喷油壁和 进气量。对于非增压柴油机来说，进到汽缸中的气体为大气，其压力是常数，而且不受 其他因素的影响。而对于增压柴油机，尤其是高增压柴油机来说，其进气是经过废气透 平带动的压气机压缩后的气体，它是受柴油机的工况和废气参数变化的影响；反过来又 影响柴油机燃烧工况和输出力矩和转速，但可以通过采用负荷信号按前馈方式来控制补 充进气量，以便突增负荷时汽缸内有足够的过量空气，使由调速器执行机构控制进入汽 缸内的燃油能够完全燃烧，产生足够输出力矩。由于采用的是负荷脉冲信号，经过一段 江苏大学工程硕士学位论文 时间后，当增压器的转速升高到所需值，而且已经提供了柴油机所要求的供气量时，则 自动停止补充供气。这样，在建立所需模型时，为了简化起见，通常可以略去进气量的 影响。所以( 2 一1 1 ) 简化为： ，丝一f 丝1 妊f 盟 址肼， 疵 la la 口 根据无调速器柴油机的速度特性曲线，当保持油门开度( 即执行电机转角口) 不变 时，有： 警) 0z i ( 心。一心) “嘞一) 卜 其中c 为柴油机转速一力矩增益，可以查柴油机手册得到。 当保持转速不变，执行电机转角盯( 即喷油量) 与驱动力矩的关系可由柴油机调整 特性曲线得到： f b m a l 一心o la 口 所以柴油机模型为： jda。co+cnao)=警值一姒|dt 。 为了推导其普遍关系，将所有参数用标么幺值表示。将上式柴油机数学模型方程 化为标幺方程，以平衡工作点处的m 。，嘞和为基值标幺化，得： 瓦鲁+ c 2 疗= 盯一吩 其中：令c 2 = c i i m d o ，a c o l a , o = 开，a o t l a o = 口，a m ，m d o = m ，：令柴油机发 电机组系统的时间常数疋= - ，m 。，该时间常数的物理意义为柴油机在空载条件下， 喷油泵齿条放在额定油门位置，柴油机标幺角速度由零达到额定值所需要的时间。它是 柴油机动态特性的一个重要参数，表征着柴油机发电机组系统转动惯量的大小，影响着 调速器与柴油机的匹配性能。c 2 = g 嘞m 。为转速函数，在低速时c 2 0 ， 系统稳定。 江苏大学工程硕士学位论文 经拉氏变换，上式变为：( j ) = 4 ( s ) 一 0 ( s ) ( l s + c 2 ) 若结合式( 2 8 ) 且不计时滞( 铲0 ) 则上式可写成： ( s ) = 彳。( s ) 一肘，( s ) ) ( 瓦s + c 2 ) 这样，由 m a ( s ) - m y ( s ) ) 到发动机标幺转速( s ) 的传递函数形式为 望蛐 ： ! m d ( s ) 一m l ( s )l s + c 2 2 2 4 并联运行柴油发电机组调速系统数学模型的建立 ( 2 一1 2 ) 并联运行的发电机，从发电机本身电磁规律看，与单机运行没有什么两样，但运行 条件却不同，同步发电机并联到电网后，它的运行情况要受到电力系统的制约，它的频 率、电压不能单独变化，应和电网一致，使电网总功率不变，而由于并联机组转速的瞬 时变化也令发电机的功率发生变化，这种变化是在并联机组问的功率转移，而单机运行 时，电网负载即发电机负载。所以并联运行时各机组功率要从功角特性导出，下面推导 并联传递函数： 与单机运行相类似，机组运动方程： t ，掣：坛一蜥 ( 2 1 3 ) d r 其中 a m d = 五( q 瑾) ，a m ，= 正( 峨弓) 按小偏差线性化原则，有 o m ，o m ， a m f = i a m + l 弓= a m t i c + 埘妒o pa ( o t i 单机运行时有：a m ，= l a 只 下面求m ，。，因发电机的电磁功率为：只：丝坐s i n 口 式中：e o 为空载电动势，而为电枢电抗，甜为电机电压，日为功角。 pp 电磁转矩：2 l f 。= 生= 二2 s i i l 口 式中心：3 e _ _ 兰o u ，为最大电磁功率，甜为电机转子的机械角速度。 知 当负载变化时，柴油机输出机械力矩与电磁转矩不平衡，则电机转速变化，功角随 江苏大学工程硕士学位论文 z f f 玎父化ja o ，则： 口= o o + a oo o 为额定功角 帆= 帆。+ 哆= p ”s i n e o + 刍( 告s ；n 口脚2 鲁s m 岛+ 鲁c o s 岛口 额定电磁功率厶：匕s 缸岛代入上式得：a 忱：益啦岛p 吼 忽略空载损耗功率，则：匕= p o 昂为柴油机额定输出功率，埘。即是i l f 知，则叱= 鲁c 增岛口，转速变化 量a c o 与功角变化量a o 成正变，按小增量线性化原理，在额定点附近，有： 竺；竽，a o ：a c o o c o o 所以a m 。：墨c 留岛竺岛 。 c o o c o o 由上述求得埘声及埘户，可得 幽r 2 幽和+ 醐争2 m o c t g o o 鼍瓯+ 去峨 式中m 0 为柴油机输出额定机械力矩，将上式代入式( 2 - - 1 3 ) 得： ，警= 毗一( m o c t g o o ，a q - o + 土c o o 嵋) 方程两边同除以m o 标幺化，且令m = 国，膳，m o = m ，a m d m o = m d 则 上式变为 j 嚣却g e o 舻m d 州f 式帆为标幺值等，肼，为标幺值些m o 令疋2 0 0 c t g o o ，瓦= ，堕m o 则上式变为： 江苏大学工程硕士学位论丈 艺i d o ) + 毛= 鸩一吩 标幺角速度国= 标幺转速盯 瓦鲁+ 巧疗= 坞一吩用传递函数表示即为 丝盟：上：旦 他( s ) 一肼o )如+ 瓦 l 。s + 1 式中耳为并联运行时柴油机组惯性时间常数，其值等于乙t ，k = i t , 。 2 2 5 系统总的传递函数方框图 ( 2 1 4 ) 分别将单机运行和并联运行时刻的各个环节的传递函数连接在一起得到系统的方 框图如下： 图2 - 4 单机运行的系统方框图 图2 - 5 并联运行时的系统方框图 2 3 柴油发电机组数学模型中参数的确定 本系统柴油机组的柴油机组的柴油机采用6 2 5 0 g z c 型船用柴油机，其主要参数为： 额定功率为：晶= 6 0 0 h p ，缸数z = 6 ，四冲程，机组的飞轮惯性转矩为j = 1 0 0 4 k g 2 ， 额定转速n h = 6 0 0 r m i n 所以，柴油机发电机组惯性时间常数 l = 卺 m d o ：额定驱动力矩，与喷油鐾成正比。 * 6 m 十-。，pp7 3 5 n ( 爿p ) 7 3 5 “3 0 d d x g l ，d u 额定平均力矩： 肘0 _ 二一芏三型! 上一 o 2 z n 2 z n ( r m i u ) | 6 0 a n h 江苏大学工程硕士学位论文 四冲程： 纯滞后时间常数 即： 取平均值： 讹。：4 m 。：4 p , 细 l ：丝： 生塑；：一1004x(2zx600)2：22a7s 4 最4 x 7 3 5 “乓x 6 0 4 x 7 3 5 x 6 0 0 x 6 0 1 5 1 5 1 2 0 l + n nn z 0 0 2 5 0 0 5 8 3 一0025+00583 0 0 4 知 根据文献 1 1 取值0 0 6 s 合并，岛得到k = + t d = 0 1 s k 表示与传动比有关的执行电机常数取值为1 0 机组并联运行时，瓦= o o c t g o o ，对发电机来说，为了保证其能够稳定运行，额定运 行时，其功角一般在2 0 。到3 0 。之间，因此t 在0 9 到o 9 6 之间，取t 为0 9 3 于是得到：耳为2 4 1 6 ，k 为1 0 7 5 ( 巧= l t ，k = i r g ) 2 4 系统的s i m u i i n k 仿真计算 2 4 im a t l a b 简介 1 9 8 0 年，美国的c l e v e rm o l e r 博士在新墨西哥大学讲授线性代数课程时，发现采 用高级语言编程极为不便，于是建立了m a t l a b ( m a t r i xl a b o r a t o r y ) 即矩阵实验室。早期的m a t l a b 只能做矩阵运算，绘图也只能用极 其原始的方法，即用星号描点的形式画图，它也只提供了几十个内部函数，很难满足实 际使用要求。 不久，m o l e r 博士等一批数学家与软件专家建立了名为m a t h w o r k s 的软件开发公司， 继续从事m a t l a b 的研究和开发。该公司于1 9 8 4 年推出了第一个m a t l a b 的商业版本， 其核心是用c 语言编写的。而后，它又增添了丰富多彩的图形图像处理、多媒体、符号 运算和与其他流行软件的接口功能，使得m a t l a b 的功能越来越强大。 m a t hw o r k s 公司于1 9 9 2 年推出了具有划时代意义的m a t l a b4 0 版本，并于1 9 9 3 年推出其微机版，充分支持在m i c r o s o f tw i n d o w s 操作系统下进行编程。1 9 9 7 年推出的 1 9 江苏大学x - 程硕士学位论文 m a t l a b5 0 版支持更多的数据结构，使其成为一种更方便的编程语言。2 0 0 0 年l o 月， m a t hw o r k s 公司推出了m a t l a b6 0 版本，在操作界面上有了很大的改观。m a t hw o r k s 公司于2 0 0 4 年7 月发布了m a t l a b 7 0 。新版本针对编程环境、代码效率、数据可视化、 数学计算、文件加等方面进行了升级，同时包含了功能强大的控制产品集以支持控制系 统设计过程的每一个环节，借助于使用m a t l a b 7 中与控制相关的工具箱能够实现许多前 沿的控制设计方法；此外，与m a t l a b 7 同时发布的s i m u l i n k 6 0 可以辅助技术人员更方 便地建立控制系统模型，并通过仿真不断优化设计。 m a t l a b 是当今最优秀的科技应用软件之一，m a t l a b 是从事众多工业、科研领域的必 备工具，它以强大的科学计算与可视化功能、简单易用、开放式可扩展环境，特别是所 附带的3 0 多种面向不同领域的工具箱支持，使得它在许多科学领域中成为计算机辅助 设计和分析、算法研究和应用开发的基本工具和首选平台。 m a t l a b 具有其他高级语占难以比拟的一些优点，如编写简单、编程效率高、易学易 懂等，因此m a t l a b 语言也被通俗地称为演算纸式科学算法语言。在控制、通信、信号 处理及科学计算等领域中，b l a t l a b 都被广泛地应用，已经被认可为能够有效提高工作效 率、改善设计手段的工具软件，掌握了m a t i a b 就好比掌握了开启这些专业领域大门的 钥匙。 在自动控制领域里的科学研究和工程应用中有大量繁琐的计算与仿真曲线绘制任 务，给控制系统的分析和设计带来了巨大的工作量，为了解决海量计算的问题，各种控 制系统设计与仿真的软件层出不穷，技术人员凭借这些产品强大的计算和绘图功能，使 系统分析和设计的效率得以大大提高。然而在众多控制系统设计与仿真软件中，m a t l a b 以其强大的计算功能、丰富方便的图形功能、模块化的计算方法，以及动态系统仿真工 具s i r a u l i n k ，脱颖f c f 出成为控制系统设计和仿真领域中的佼佼者，同时也成为了当今最 流行的科学工程语言。m a t l a b 的工具