柴油發(fā)電機(jī)組數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析

柴油發(fā)電機(jī)組數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析 （1．西安交通大學(xué)，陜西　西安　710040；2．總后建工所，陜西　西安　710032）

　　柴油發(fā)電機(jī)組數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)研制過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，采用普通PID運(yùn)算，振蕩及超調(diào)時(shí)有發(fā)生，為了改善調(diào)速系統(tǒng)性能，采用了變速積分PID及模糊PID。變速積分PID用來(lái)調(diào)節(jié)積分系數(shù)，模糊PID用來(lái)調(diào)節(jié)比例系數(shù)。
1　變速積分PID原理
1．1　PID控制原理［1，2］
    常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。


　　PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值r（t）與實(shí)際輸出構(gòu)成控制偏差：
　　
　　將此偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過(guò) 線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。其控制規(guī)律為：

　　式中，Kp為比例系數(shù)，T1為積分時(shí)間常數(shù)，TD為微分時(shí)間常數(shù)。
　　在PID控制中，比例項(xiàng)用于糾正偏差，積分項(xiàng)用于消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，微分項(xiàng)用于減小系統(tǒng)的超調(diào)量，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。PID控制器的性能就決定于Kp、T1和TD這3個(gè)系數(shù)。如何選用這3個(gè)系數(shù) 是PID控制的核心。
1．2　數(shù)字PID控制算法選擇
　　設(shè)計(jì)和調(diào)整數(shù)字PID控制器的任務(wù)就是根據(jù)被控對(duì)象和系統(tǒng)要求，選擇合適的PID模型，將其進(jìn)行離散化處理，編出計(jì)算機(jī)程序由微處理器實(shí)現(xiàn)，最后確定KP、T1、TD、和T，T為采樣周期。微處理器控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量，因此，必須對(duì)PID模型進(jìn)行離散化處理。
　　用矩形方法數(shù)值積分代替式（3）中的積分項(xiàng)，對(duì)式（3）中的導(dǎo)數(shù)項(xiàng)用后向差分逼近，經(jīng)推理可得到基 本PID控制的位置式算法：

式中　k——采樣序號(hào)，k＝0，1，2，……
      U（k）——第k次采樣時(shí)刻輸出值
      E（k）——第k次采樣時(shí)輸入的偏差值
      E（k－1）——第（k－1）次采樣時(shí)刻輸入的偏差值
      K1——積分系數(shù)，K1＝KpT／T1
       KD——微分?jǐn)?shù)系，KD＝KpTD／T1
　　在數(shù)字控制系統(tǒng)中，PID控制規(guī)律是用程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因而具有更大的靈活性。由于基本PID控制中引入了積分環(huán)節(jié)，其目的主要是為了消除靜差，提高精度。但在柴油機(jī)調(diào)速過(guò)程中，突加突減負(fù)載時(shí)，會(huì)引起轉(zhuǎn)速的較大波動(dòng)，導(dǎo)致短時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)較大偏差，通過(guò)PID積分運(yùn)算積累，超調(diào)量過(guò)大，系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩，嚴(yán)重影響發(fā)電機(jī)組輸出電能的品質(zhì)。
　　為避免PID控制中積分項(xiàng)引起的超調(diào)，提高其調(diào)節(jié)品質(zhì)，擬采用積分分離法對(duì)基本PID控制進(jìn)行改進(jìn)，簡(jiǎn)稱(chēng)變速積分PID。變速積分PID的基本思路是設(shè)法改變積分項(xiàng)的累加速度，使其與偏差大小相對(duì)應(yīng)，偏差越大，積分越慢；反之，則越快。

式中，A、B為積分區(qū)間。
　　變速積分PID算法為：
　　式中，U1（k）為第k次采樣時(shí)刻PID運(yùn)算的積分部分輸出值。
　　采用變速積分PID控制，系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：用比例消除大偏差，用積分消除小偏差，可完全消除積分飽和現(xiàn)象；各參數(shù)容易整定，易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定，而且對(duì)A、B兩參數(shù)不要求十分精確；超調(diào)量大大減小，改善了調(diào)節(jié)品質(zhì)，適應(yīng)性較強(qiáng)。
2　柴油發(fā)電機(jī)組數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)中PID控制參數(shù)整定［3，4］
　　數(shù)字PID控制參數(shù)整定的任務(wù)主要是確定數(shù)字PID的參數(shù)KP、T1、TD和T。
    對(duì)于簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，可采用理論計(jì)算方法確定這些參數(shù)。但由于柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的工況較為復(fù)雜，其數(shù)學(xué)模型并非十分精確，在此，采用工程整定常用的擴(kuò)充臨界比例帶法，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)法再對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，得到最終的PID參數(shù)。
    （1）采樣周期T的選擇
　　在數(shù)字控制系統(tǒng)中，采樣周期T是一個(gè)比較重要的因素，采樣周期的選取，應(yīng)與PID參數(shù)的整定綜合考慮。
　　首先，采樣周期T的選取應(yīng)滿足以下要求：遠(yuǎn)小于對(duì)象擾動(dòng)周期；比對(duì)象時(shí)間常數(shù)小得多；盡量縮短采樣周期，以改善調(diào)節(jié)品質(zhì)。
　　該系統(tǒng)中，PID調(diào)節(jié)控制過(guò)程是在定時(shí)中斷狀態(tài)下完成的，因此，采樣周期T的大小必須保證中斷服務(wù)程序的正常運(yùn)行。在不影響中斷程序運(yùn)行的情況下，可取采樣周期T＝0．1τ（τ為柴油機(jī)的純滯后時(shí)間）。當(dāng)中斷程序運(yùn)行時(shí)間Tz大于0．1τ時(shí)，則取T＝Tz，
    （2）臨界振蕩周期Ts的確定
　　初始確定數(shù)字PID參數(shù)時(shí)，在用上述方法確定采樣周期T的條件下，從調(diào)速系統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)回路中，去掉數(shù)字控制器的微分控制作用和積分控制作用，只采用比例調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)來(lái)確定系統(tǒng)的振蕩周期Ts和臨界比例系數(shù)Ks。由單片機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)控制比例系數(shù)KP，并逐漸增大Kp，直到系統(tǒng)出現(xiàn)持續(xù)的等幅振蕩，然后由單片機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)記錄并顯示調(diào)速系統(tǒng)發(fā)生等幅振蕩時(shí)的臨界比例度δ和相應(yīng)的臨界振蕩周期Ts。
　　　
控制度就是以模擬調(diào)節(jié)器為基礎(chǔ)，定量衡量數(shù)字控制系統(tǒng)與模擬調(diào)節(jié)器對(duì)同一對(duì)象的控制效果�？刂菩Ч�就是采用某一積分準(zhǔn)則，根據(jù)系統(tǒng)在規(guī)定的輸入下的輸出響應(yīng)，使用該準(zhǔn)則取最小值時(shí)的最
    如前所述，采樣周期T的長(zhǎng)短會(huì)影響系統(tǒng)的控制品質(zhì)，同樣是最佳整定，數(shù)字控制系統(tǒng)的品質(zhì)要低于模擬系統(tǒng)的控制品質(zhì)。即控制度總是大于1的，且控制度越大，相應(yīng)的數(shù)字控制系統(tǒng)品質(zhì)越差。
　　為獲得與模擬控制器相當(dāng)?shù)钠焚|(zhì)，控制度選為1．05。不同控制度時(shí)，擴(kuò)充臨界比例帶法PID參數(shù)計(jì)算公式

    （4）KP、K1、KD、T的求取
　　根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得Ks和Ts及選定的控制度，按表1計(jì)算出數(shù)字PID參數(shù)Kp、T1、TD和T。
    （5）控制效果的調(diào)節(jié)
　　按求得的參數(shù)值在調(diào)速控制系統(tǒng)中運(yùn)行，并觀察控制效果。如控制效果達(dá)不到控制要求，可基于以下原則，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法對(duì)參數(shù)做適當(dāng)調(diào)整。
　　①增大比例系數(shù)Kp，將加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，但過(guò)大會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生較大超調(diào)，甚至產(chǎn)生振蕩。
　　②增大積分時(shí)間T1，有利于減小超調(diào)，減少振蕩，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，但會(huì)增加系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程時(shí)間。
　�、墼龃笪⒎謺r(shí)間常數(shù)TD有利于加快系統(tǒng)的響應(yīng)，使超調(diào)減小，穩(wěn)定性增加，但系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)的抑制能力減弱，對(duì)擾動(dòng)有較敏感的響應(yīng)。
　　基于上述原則，調(diào)整PID參數(shù)時(shí)，應(yīng)先比例、后積分、再微分進(jìn)行調(diào)整。
參考文獻(xiàn)：

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