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柴油發(fā)電機(jī)組是如何進(jìn)行調(diào)速的
來(lái)源：
海南江發(fā)機(jī)電
日期：2016-10-21 14:49:01
點(diǎn)擊：2109
屬于：公司動(dòng)態(tài)
通過(guò) TMS320LF2407 先對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組建立速度控制調(diào)速系統(tǒng)的PID 模型， 因?yàn)镻ID 控制簡(jiǎn)單方便， 不需要精確的系統(tǒng)模型， 目前還是工業(yè)中用得最廣泛的工業(yè)控制器， 就采用PID 控制方法， 再根據(jù)建立的系統(tǒng)模型后用 MATLAB 的SIMULINK 進(jìn)行仿真研究。建立的調(diào)速模型可以選擇采用不同的控制方法， 通過(guò)比較采用常規(guī)PID、變積分PID 控制、不完全微分PID 控制和模糊PID 控制的不同效果。下面是不同參數(shù)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程品質(zhì)的影響的研究。
１ 面向 Simulink 數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)框圖
在建立了柴油發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)的各模型后， 就可用 MATLAB 的Simulink 工具建立基于常規(guī)PID 控制， 變速積分PID 控制， 不完全微分PID 控制和模糊PID 控制的調(diào)速系統(tǒng)框圖。
１．１ 常規(guī)PID 控制
首先看常規(guī)PID 控制， 下面是它的系統(tǒng)仿真框圖， 如圖1 所示：這是最常規(guī)采用的PID 控制系統(tǒng)圖， 通過(guò)對(duì)真實(shí)控制系統(tǒng)繪制仿真框圖， 觀察采用常規(guī)PID控制效果。
１．２ 不完全微分PID 控制
下面是不完全微分PID 控制系統(tǒng)仿真框圖，如圖 ２ 所示： 圖 ２ 不完全微分PID 控制系統(tǒng)仿真框圖 這是在常規(guī)PID基礎(chǔ)上進(jìn)行了不完全微分， 這是用來(lái)改善它的控制功能， 取得更好的控制效果。
１．３ 變速度積分PID 控制
下面是變速度積分PID 控制系統(tǒng)仿真框圖，如圖 ３ 所示。
１．４ 模糊PID 控制
自適應(yīng)模糊PID 控制是將自適應(yīng)控制的思想和常規(guī)PID 控制器結(jié)合， 吸收了自適應(yīng)控制和常規(guī)PID 控制的優(yōu)點(diǎn)。首先它具備自適應(yīng)能力，能夠自動(dòng)識(shí)辨被控過(guò)程參數(shù)、自動(dòng)整定控制參數(shù)， 能夠適應(yīng)被控過(guò)程模型參數(shù)的變化； 其次它又具有常規(guī)PID 控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、魯棒性強(qiáng)、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。這使得自適應(yīng)PID 控制成為過(guò)程控制中一種較為理想的控制方法。
如果用模糊控制箱設(shè)計(jì)出模糊控制器， 再在Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 中建立系統(tǒng)仿真模型， 把模糊控制器模塊和我們?cè)O(shè)計(jì)的 ＦＩＳ 結(jié)構(gòu)連接起來(lái)， 就可以對(duì)它進(jìn)行仿真研究了， 系統(tǒng)仿真框圖的建立關(guān)鍵是對(duì)ＰＩＤ 三個(gè)參數(shù) Ｋｐ，Ｋｉ，Ｋｄ 的整定， 這必須考慮到不同時(shí)刻三個(gè)參數(shù)的相互作用和它們之間的關(guān)系。
下面從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等各方面來(lái)考慮 Ｋｐ，Ｋｉ，Ｋｄ 的作用， 建立模糊規(guī)則表。
（１） 比例系數(shù) Ｋｐ 的作用是加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度， 提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。Ｋｐ 越大， 系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快， 系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高， 但容易產(chǎn)生超調(diào)， 可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。Ｋｐ 取值過(guò)小， 會(huì)降低調(diào)節(jié)精度， 使響應(yīng)速度變慢， 延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間，使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特征變壞。
（２） 積分作用系數(shù) Ｋｉ 的作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。Ｋｉ 越大， 系統(tǒng)的靜態(tài)誤差消除越快， 但Ｋｉ 過(guò)大， 在響應(yīng)過(guò)程的初期會(huì)產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象， 從而引起響應(yīng)過(guò)程的較大超調(diào)。但 Ｋｉ 過(guò)小會(huì)使系統(tǒng)的靜態(tài)誤差難以消除， 影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。
（３） 微分的作用系數(shù) Ｋｄ 的作用是改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特征， 其主要作用是在響應(yīng)過(guò)程中抑制偏差向任何方向的變化， 對(duì)偏差變化進(jìn)行提前預(yù)報(bào)。但 Ｋｄ 過(guò)大， 會(huì)使響應(yīng)過(guò)程提前制動(dòng)， 延長(zhǎng)了調(diào)節(jié)時(shí)間， 而且會(huì)降低系統(tǒng)的抗干擾性能。下面是進(jìn)行模糊控制PID 控制的系統(tǒng)仿真框圖， 如圖４ 所示。
２ 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究
建立了系統(tǒng)的仿真框圖后， 就可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究， 就可以比較采用常規(guī)PID 控制和變積分PID 控制， 不完全微分PID 控制， 模糊自適應(yīng)PID 控制的比較， 并具體分析我們采用的模糊 圖 ４ 模糊控制PID 控制系統(tǒng)仿真框圖自適應(yīng)控制時(shí)的仿真效果。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真有助于我們對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)的快速理解， 并初步地分析出我們需要的控制參數(shù)， 對(duì)系統(tǒng)的研究有積極作用。
圖 ４ 的 模 糊 控 制PID 系 統(tǒng) 仿 真 圖 通 過(guò)ＭＡＴＬＡＢ 中的模糊控制箱實(shí)現(xiàn)， 同時(shí)根據(jù)自己控制系統(tǒng)的具體特點(diǎn)和要求來(lái)建立的， 基本可以反應(yīng)控制系統(tǒng)的基本情況， 可以起到很好的仿真模擬作用。
首先， 比較常規(guī)PID 控制和變積分PID 控制仿真結(jié)果如圖所示：由圖 ５ 可見， 變速積分PID 通過(guò)改變積分項(xiàng)的累加速度， 使得它和偏差大小相適應(yīng)， 偏差大的時(shí)候， 積分慢； 偏差小時(shí)， 積分快， 這就可以減少超調(diào)， 同時(shí)更好地消除靜差。
下面比較一下常規(guī)PID 控制和不完全微分ＰＩＤ 控制的區(qū)別， 仿真結(jié)果如圖 ６ 所示。 不完全微分就是在PID 算法中引入了一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)， 使得系統(tǒng)性能得到改善， 在改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的時(shí)候又盡量減少高頻干擾。
最后介紹模糊自適應(yīng)控制和常規(guī)PID 的比較， 并對(duì)模糊自適應(yīng)控制的仿真進(jìn)行分析。這些都是基于前面建立的柴油發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)模型的，
下面是它的仿真結(jié)果， 如圖 ７ 所示。 可見模糊PID 控制器和常規(guī)PID 控制相比，它使得系統(tǒng)響應(yīng)的超調(diào)時(shí)間減小， 曲線更平整，反應(yīng)時(shí)間加快了， 控制效果明顯更好了。同時(shí)模糊PID 控制器在控制過(guò)程前期具有模糊控制器的特點(diǎn)， 而在控制過(guò)程后期具有PID 調(diào)節(jié)器的所有優(yōu)勢(shì)， 是一種性能優(yōu)良的控制器， 所以在實(shí)際使用中可以選用模糊自適應(yīng)控制方法。
１ 面向 Simulink 數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)框圖
在建立了柴油發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)的各模型后， 就可用 MATLAB 的Simulink 工具建立基于常規(guī)PID 控制， 變速積分PID 控制， 不完全微分PID 控制和模糊PID 控制的調(diào)速系統(tǒng)框圖。
１．１ 常規(guī)PID 控制
首先看常規(guī)PID 控制， 下面是它的系統(tǒng)仿真框圖， 如圖1 所示：這是最常規(guī)采用的PID 控制系統(tǒng)圖， 通過(guò)對(duì)真實(shí)控制系統(tǒng)繪制仿真框圖， 觀察采用常規(guī)PID控制效果。
１．２ 不完全微分PID 控制
下面是不完全微分PID 控制系統(tǒng)仿真框圖，如圖 ２ 所示： 圖 ２ 不完全微分PID 控制系統(tǒng)仿真框圖 這是在常規(guī)PID基礎(chǔ)上進(jìn)行了不完全微分， 這是用來(lái)改善它的控制功能， 取得更好的控制效果。
１．３ 變速度積分PID 控制
下面是變速度積分PID 控制系統(tǒng)仿真框圖，如圖 ３ 所示。
１．４ 模糊PID 控制
自適應(yīng)模糊PID 控制是將自適應(yīng)控制的思想和常規(guī)PID 控制器結(jié)合， 吸收了自適應(yīng)控制和常規(guī)PID 控制的優(yōu)點(diǎn)。首先它具備自適應(yīng)能力，能夠自動(dòng)識(shí)辨被控過(guò)程參數(shù)、自動(dòng)整定控制參數(shù)， 能夠適應(yīng)被控過(guò)程模型參數(shù)的變化； 其次它又具有常規(guī)PID 控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、魯棒性強(qiáng)、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。這使得自適應(yīng)PID 控制成為過(guò)程控制中一種較為理想的控制方法。
如果用模糊控制箱設(shè)計(jì)出模糊控制器， 再在Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 中建立系統(tǒng)仿真模型， 把模糊控制器模塊和我們?cè)O(shè)計(jì)的 ＦＩＳ 結(jié)構(gòu)連接起來(lái)， 就可以對(duì)它進(jìn)行仿真研究了， 系統(tǒng)仿真框圖的建立關(guān)鍵是對(duì)ＰＩＤ 三個(gè)參數(shù) Ｋｐ，Ｋｉ，Ｋｄ 的整定， 這必須考慮到不同時(shí)刻三個(gè)參數(shù)的相互作用和它們之間的關(guān)系。
下面從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等各方面來(lái)考慮 Ｋｐ，Ｋｉ，Ｋｄ 的作用， 建立模糊規(guī)則表。
（１） 比例系數(shù) Ｋｐ 的作用是加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度， 提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。Ｋｐ 越大， 系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快， 系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高， 但容易產(chǎn)生超調(diào)， 可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。Ｋｐ 取值過(guò)小， 會(huì)降低調(diào)節(jié)精度， 使響應(yīng)速度變慢， 延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間，使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特征變壞。
（２） 積分作用系數(shù) Ｋｉ 的作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。Ｋｉ 越大， 系統(tǒng)的靜態(tài)誤差消除越快， 但Ｋｉ 過(guò)大， 在響應(yīng)過(guò)程的初期會(huì)產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象， 從而引起響應(yīng)過(guò)程的較大超調(diào)。但 Ｋｉ 過(guò)小會(huì)使系統(tǒng)的靜態(tài)誤差難以消除， 影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。
（３） 微分的作用系數(shù) Ｋｄ 的作用是改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特征， 其主要作用是在響應(yīng)過(guò)程中抑制偏差向任何方向的變化， 對(duì)偏差變化進(jìn)行提前預(yù)報(bào)。但 Ｋｄ 過(guò)大， 會(huì)使響應(yīng)過(guò)程提前制動(dòng)， 延長(zhǎng)了調(diào)節(jié)時(shí)間， 而且會(huì)降低系統(tǒng)的抗干擾性能。下面是進(jìn)行模糊控制PID 控制的系統(tǒng)仿真框圖， 如圖４ 所示。
２ 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究
建立了系統(tǒng)的仿真框圖后， 就可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究， 就可以比較采用常規(guī)PID 控制和變積分PID 控制， 不完全微分PID 控制， 模糊自適應(yīng)PID 控制的比較， 并具體分析我們采用的模糊 圖 ４ 模糊控制PID 控制系統(tǒng)仿真框圖自適應(yīng)控制時(shí)的仿真效果。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真有助于我們對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)的快速理解， 并初步地分析出我們需要的控制參數(shù)， 對(duì)系統(tǒng)的研究有積極作用。
圖 ４ 的 模 糊 控 制PID 系 統(tǒng) 仿 真 圖 通 過(guò)ＭＡＴＬＡＢ 中的模糊控制箱實(shí)現(xiàn)， 同時(shí)根據(jù)自己控制系統(tǒng)的具體特點(diǎn)和要求來(lái)建立的， 基本可以反應(yīng)控制系統(tǒng)的基本情況， 可以起到很好的仿真模擬作用。
首先， 比較常規(guī)PID 控制和變積分PID 控制仿真結(jié)果如圖所示：由圖 ５ 可見， 變速積分PID 通過(guò)改變積分項(xiàng)的累加速度， 使得它和偏差大小相適應(yīng)， 偏差大的時(shí)候， 積分慢； 偏差小時(shí)， 積分快， 這就可以減少超調(diào)， 同時(shí)更好地消除靜差。
下面比較一下常規(guī)PID 控制和不完全微分ＰＩＤ 控制的區(qū)別， 仿真結(jié)果如圖 ６ 所示。 不完全微分就是在PID 算法中引入了一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)， 使得系統(tǒng)性能得到改善， 在改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的時(shí)候又盡量減少高頻干擾。
最后介紹模糊自適應(yīng)控制和常規(guī)PID 的比較， 并對(duì)模糊自適應(yīng)控制的仿真進(jìn)行分析。這些都是基于前面建立的柴油發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)模型的，
下面是它的仿真結(jié)果， 如圖 ７ 所示。 可見模糊PID 控制器和常規(guī)PID 控制相比，它使得系統(tǒng)響應(yīng)的超調(diào)時(shí)間減小， 曲線更平整，反應(yīng)時(shí)間加快了， 控制效果明顯更好了。同時(shí)模糊PID 控制器在控制過(guò)程前期具有模糊控制器的特點(diǎn)， 而在控制過(guò)程后期具有PID 調(diào)節(jié)器的所有優(yōu)勢(shì)， 是一種性能優(yōu)良的控制器， 所以在實(shí)際使用中可以選用模糊自適應(yīng)控制方法。