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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：2110
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。
?。?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。
?。保?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。
?。保?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。
?。保?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。
?。ǎ保?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。
?。?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(jiàn)， 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(jiàn)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。
?。?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。
?。保?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。
?。保?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。
?。保?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。
?。ǎ保?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。
?。?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(jiàn)， 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(jiàn)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。