【《驻车发电柴油机调速控制系统分析》4600字】

-0-驻车发电柴油机调速控制系统分析目录TOC\o"1-3"\h\u22432驻车发电柴油机调速控制系统分析 1163501.1调速系统模糊PID-Smith控制原理 2268291.1.1模糊PID控制原理 2155411.1.2模糊PID控制结构 2148001.1.3量化因子和模糊量的确定 3269371.1.4隶属度函数与模糊规则的建立 3295071.1.5Smith预估控制原理 499851.2调速系统模糊PID-Smith控制器设计 615741.2.1PID参数模糊自整定 6270821.2.2量化因子和比例因子 6110231.2.3隶属函数的确定 752161.2.4模糊规则表的确定 8153631.2.5Smith预估控制 1065351.3对比仿真结果验证 11179531.1.1突加负载 11270251.1.2突减负载 12图1.1为柴油发电机组系统结构框图，其中包括驻车取力发电系统和同步发电机两部分，其中驻车取力发电系统又分为柴油机调速系统和同步发电机励磁系统。在柴油机调速系统中，包括两个至关重要的部分：柴油机和调速系统。前者为同步发电机提供动力，后者调节柴油机转速。当负载发生变化时，调速系统会依照变化及时进行调整。图1.1柴油发电机组系统结构框图Figure1.1Dieselgeneratorsetsystemstructureblockdiagram1.1调速系统模糊PID-Smith控制原理在线性系统中，PID控制效果良好，但是非常依赖一个精确的模型。在现代控制中，为了满足实际工业生产的控制需求，可以将两种或多种控制方法结合起来，发挥各自的优点实现两种控制的互补，更好的满足控制要求，提高控制系统的精度。1.1.1模糊PID控制原理柴油机非线性系统内部结构复杂，在变化工况下需要进行实时在线更新控制参数以满足系统要求。传统的PID控制器无法进行参数的不断更新，模糊控制刚好可以实现此功能。图1.2为模糊控制器的组成。根据系统控制要求，设置两个输入变量分别是输入误差、误差变化率，设置三个输出变量分别是PID三个控制参数、、。输入变量体现了系统的静态和动态性能，输出变量可以实现控制参数、、的在线更新，达到控制要求[56]。图1.2模糊控制器的组成Figure1.2Systemstructureoffuzzycontroller1.1.2模糊PID控制结构模糊PID控制器的组成如下。图1.3模糊PID控制器的组成Figure1.3FuzzyPIDcontrollerstructure图1.3可以看出，模糊PID的工作方式为，首先将输入变量模糊化，然后根据模糊化模型进行推理，再进行反模糊化输出得到三个输出变量。在此过程中，基本论域设置为，即输入量与实际值的差值在这个区间内，由此可得差值的变化率在，差值的模糊集论域为。综上量化因子为：（3-1）本文中对于调速系统的控制，我们采用双变量控制，两个变量为输入差值及其变化率，通过解模糊化处理，依次输出PID三个控制参数的变化率。1.1.3量化因子和模糊量的确定（1）系统的两个输入变量分别为输入误差和误差变化率，基本论域分别为：、，输出变量、、基本论域是，综上可得量化因子与比例因子为：（3-2）式中：n—最大值；m—最大值；，，的最大值为1。（2）本文采用七种不同等级划分基本论域，同时运用加权平均法进行解模糊处理。1.1.4隶属度函数与模糊规则的建立本文选择的输入变量、和输出变量，，基本论域的七个不同等级分别为。在柴油机调速系统中根据本文的控制要求可选择多种隶属度函数进行计算。模糊规则表的建立是在线调整PID控制器的三个参数的依据。定义模糊规则整定如下：定义输入量误差=给定值-输出值，为的变化率，当输入变量与同正负时，偏离，当输入变量与正负值相反时，趋近。（1）当>0，<0时：输入误差的绝对值比较大，由上述规则可知，此时靠近，应取较大以便缩短消除误差的时间。当超出一定值，积分饱和现象出现的机率更大，后果是更容易产生大超调与震荡。为了减小影响，必须令系统稳定，采取的方法是增大。为了减小误差带来的影响即微分饱和现象，可以采取适当的措施如适当减小的值。（2）当<0，<0时：输入误差的绝对值与上一阶段相比，明显减小，偏差变化率减小，由上述规则可知，此时偏离，为达到控制要求，应取偏大的值，同时和需不断地调整，观察不同的控制效果。在此阶段，超调量减少，同时稳态和动态性能偏好。（3）当<0，>0时：输入误差与输入误差变化率绝对值均偏小，由上述规则可知，趋近，此时应取偏大的值，同时与需不断地调整，观察不同的控制效果。（4）当>0，>0时：输入误差绝对值较小，此时偏离，由上述规则可知，为达到控制要求，应取偏小的值，同时取偏大的值。（5）当第二次>0，<0时：输入误差较小，趋近，为了达到控制要求，减少稳定时间，应取偏小的与值。应用此方法建立模糊规则表可以有效地提升系统的稳定性能，同时在电气参数随工况变化情况下，引起的震荡与大超调问题可以有效改善。1.1.5Smith预估控制原理柴油发电机系统作为能量传输的一种方式，受动力学、电磁等影响，柴油机调速系统的被控对象往往具有较强的滞后特性，其滞后形式为。在实际运行中，受滞后特性影响，柴油发电系统的电器参数不断变化，高精度控制在此系统中的应用难度增大，Smith控制以其较强的反滞后特性而被应用于此系统中。图1.4具有滞后特性的反馈系统Figure1.4Feedbacksystemwithhysteresis在如图1.4所示的具有纯滞后特性的单闭环回路系统中，为控制器的传递函数，为被控对象的传递函数，为纯滞后特性部分的传递函数。那么系统闭环传递函数为：（3-3）由式(3-3)所示，由于影响系统的稳定性的滞后环节处于系统闭环传递函数的分母，当达到一定值时，会严重降低系统的控制质量，为增强系统的稳定性，如图1.5所示，引入作为补偿器并联到被控对象的传递函数中。图1.5Smith预估反馈系统Figure1.5Smithpredictivefeedbacksystem由图1.5可知，并联补偿器后的控制系统闭环传递函数为：（3-4）要求：（3-5）Smith补偿器的传递函数为：（3-6）如图1.6所示，将Smith预估补偿器并联反馈到控制器上，得到Smith预估控制器，可以有效解决柴油机滞后特性问题。图1.6Smith预估控制系统Figure1.6Smithpredictivecontrolsystem图1.6所示的预估控制器的传递函数为：（3-7）1.2调速系统模糊PID-Smith控制器设计1.2.1PID参数模糊自整定由图1.3，模糊控制器负责PID控制器三个控制参数的更新，控制参数由初始参数和模糊控制量确定，如公式（3-8）所示：（3-8）式中：、、—控制器的初始参数；、、—模糊控制量。PID控制参数=初始参数+模糊控制量，实时更新的模糊控制量、、，达到变化工况下的控制需求。通过模糊控制规则表，对模糊控制量进行在线更新，以达到输入误差变化量和误差变化量在变化工况下的控制需求。模糊控制规则的制定在本文的1.1.4小节中已经详细叙述。1.2.2量化因子和比例因子通常情况下，为计算方便和简化单位的换算，一般选取标幺值作为参数的处理方式，用（pu）进行表示。标幺值的公式如（3-9）所示：（3-9）式中：有名值—测得的带单位数据；基准值—基准数据。本文在进行柴油机转速仿真时，对所得的转速数据进行标幺化处理后，与1进行对比，得到输入误差的范围为[-0.027，0.058]，定义输入误差的量化因子为100，则的模糊论域为[-3，6]。得出，误差变化率的范围为[-0.28，0.79]，定义转速误差变化率的量化因子为10，的模糊论域为[-3，8]。定义模糊控制量、、的模糊论域为[-6，6]，由比例因子的计算公式可得、、的比例因子分别取为1、0.01、1，同时，模糊PID的初始参数、、分别设置为100、0.02、02。1.2.3隶属函数的确定（a）误差e的隶属度函数（b）误差率ec的隶属度函数（c）Δ、Δ、Δ的隶属度函数图1.7隶属度函数Figure1.7Membershipfunction本文的两个输入变量和三个输出变量的模糊论域等级划分如下：，选择三角型隶属度函数如图1.7所示。1.2.4模糊规则表的确定本文依据控制经验编写模糊规则表，得出两个输入变量、和三个输出变量、、之间的模糊规则表如表1.1、表1.2、表1.3所示。表1.1ΔKp的模糊规则表Table1.1ΔKpfuzzyruletable△NLNLPLNMPLNSPMZEPMPSPSPMZEPLZENMPLPLPMPSPSZENSNSPMPMPMPSZENSNSZEPMPMPSZENSNMNMPSPSPSZENSNSNMNMPMPSZENSNMNMNMNLPLZEZENMNMNMNLNL表1.2ΔKi的模糊规则表Table1.2ΔKifuzzyruletable△NLNLNLNMNLNSNMZENMPSNSPMZEPLZENMNLNLNMNSNSZEZENSNLNMNSNSZEPSPSZENMNMNSZEPSPMPMPSNMNSZEPSPSPMPLPMZEZEPSPSPMPLPLPLZEZEPSPMPMPLPL表1.3ΔKd的模糊规则表Table1.3ΔKdfuzzyruletable△NLNLPSNMNSNSNLZENLPSNLPMNMPLPSNMPSNSNLNMNMNSZENSZENSNMNMNSNSZEZEZENSNSNSNSNSZEPSZEZEZEZEZEZEZEPMPLNSPSPSPSPSPLPLPLPMPMPMPSPSPL（a）Δkp的模糊曲面图（b）Δki的模糊曲面图（c）Δkd的模糊曲面图图1.8输出的模糊曲面图Figure1.8Outputfuzzysurfacemap图1.8所示的输出模糊曲面平滑，表明模糊逻辑控制输出相对稳定。1.2.5Smith预估控制Smith预估控制对于滞后特性较强的系统控制效果明显，其原理是利用系统的动态特性增加预估模型对滞后特性进行针对补偿，从而获得滞后为0的反馈调节器。Gc(s)表示PID控制器传递函数，结合Smith反馈补偿调节器的系统结构如图1.9所示。图1.9Smith预估补偿系统Figure1.9Smithpredictivecompensationsystemflowchart图1.9的系统闭环传递函数：（3-10）将图1.9等效简化为：图1.10Smith预估补偿系统化简图Figure1.10Smithpredictivecompensationsystemflowchartsimplifieddiagram由图1.10可知，当Smith反馈补偿调节器加入系统后，系统的滞后特性部分被转移到闭环系统外，可以看出，对输出c(s)的控制将转换为对的控制，可以有效消除滞后特性对系统控制过程的影响即稳定性能提升。模糊PID控制可以解决系统模型在复杂变工况的参数变化的问题，Smith预估控制器可以补偿系统的滞后特性，将模糊PID控制与Smith控制结合起来，可以提高系统的控制性能。模糊PID-Smith控制系统如下图。图1.11模糊PID-Smith控制结构图Figure1.11FuzzyPID-Smithcontrolsystemblockdiagram1.3对比仿真结果验证为验证本章提出的模糊PID-Smith控制策略的有效性，在柴油机调速系统中进行控制过程的仿真实验，通过将本章模糊PID-Smith控制策略与常用的模糊PID和传统的PID控制进行对比，体现模糊PID-Smith控制策略的优越性。同步发电机的额定功率为40KW。1.1.1突加负载在柴油发电机正常启动时，在1.5s时突然加入20KW静态负载。设置仿真时间为4s，仿真波形如图1.12所示：图1.12突加负载转速仿真对比曲线Figure1.12Speedsimulationcomparisoncurveofsuddenloadload当柴油发电机由静止开始启动，由于在0s投入一个空载负荷，转速开始下降。由曲线可知，应用经典PID调速器的调速系统于0.047s达到最低点0.989左右，稳定时间为0.45s。由运动方程我们可以得出，转速因为静态负载的加入而出现下降的现象。在1.5s时，加入一个静态负载，PID控制器在2.306s使系统重新达到稳定，且转速的波动值达到了0.9846。运用模糊PID调速器的调速系统于0.04s达到最低点0.992，稳定时间为0.46s。1.5s加入静态负载后，模糊PID调速器在2.275s使系统重新达到稳定，且转速的波动值达到了0.9878。模糊PID-Smith调速控制器，系统于0.04s左右达到最低点0.993，稳定时间为0.45s，1.5s时加入静态负载后，模糊PID-Smith调速控制器在2.207s使系统重新达到稳定，且转速的波动值达到了0.9852。根据图1.12中数据得出突减负载后转速的稳定性数据表如表1.4所示。由表1.4可以看出，突加负载情况下，模糊PID控制器的转速变化量比PID控制器小很多，但稳定时间没有小很多。同时，可以发现运用模糊PID-Smith控制器的转速变化量与未使用Smith控制器的转速变化量相差不大，但是稳定时间缩短了。表1.4突加负载转速的稳定性数据Table1.4StabilitydataofsuddenloadspeedPID控制模糊PID控制模糊PID-Smith控制转速变化量（pu）0.01540.01220.0116稳定时间（s）0.8060.7750.7071.1.2突减负载与突加静态负载相反，突减静态负载将在1.5s时骤减大小为20KW的静态负载。仿真波形如图1.