柴油機的模糊PID調(diào)速控制策略研究

洪霖

摘 要： 研究了一種基于模糊PID算法的柴油機調(diào)速控制策略。提出了一種模糊控制改進(jìn)算法，對電子調(diào)速器PID參數(shù)按調(diào)速系統(tǒng)過渡過程進(jìn)行在線實時模糊自整定。Matlab/Simulink仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)超調(diào)量控制效果明顯得到改善，動、靜態(tài)控制效果要好于常規(guī)PID控制，具有控制靈活、響應(yīng)速度快和適應(yīng)性強等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞： 調(diào)速控制； 模糊控制； PID； Simulink

中圖分類號：TP272 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1006-8228（2014）08-19-03

Research on diesel engine speed control based on fuzzy PID strategy

Hong Lin

（Power Link Machine （Shanghai） Co.Ltd， Shanghai 201614， China）

Abstract： Aiming at the speed governing system of diesel engine used in electricity generation， a new speed governing strategy based on fuzzy self-tuning PID algorithm is proposed. An improved algorithm of fuzzy control is given. The PID parameters of digital governor speed control system are adjusted according to the transition process. Computer simulation by MATLAB shows that the overshoot of system is obviously reduced， and the dynamic and static control effect is better than the normal PID control. The system has the advantages of flexible control， fast response and strong adaptability.

Key words： speed control； fuzzy； PID； Simulink

0 引言

作為工業(yè)生產(chǎn)過程中的重要動力設(shè)備，柴油內(nèi)燃機擁有起動迅速、運行安全、便于維護和使用壽命長等優(yōu)點。隨著云計算技術(shù)和4G移動技術(shù)的推廣，國內(nèi)數(shù)據(jù)中心和4G移動基站的建設(shè)方興未艾，柴油發(fā)電機組為數(shù)據(jù)中心和移動基站的安全運行提供了可靠的備用電源保障。

由電網(wǎng)理論可知，電力系統(tǒng)的頻率與電力系統(tǒng)中的同步發(fā)電機產(chǎn)生的正弦基波電壓的頻率相同。頻率是整個電力系統(tǒng)統(tǒng)一的運行參數(shù)，一個電力系統(tǒng)只有一個頻率。數(shù)據(jù)中心和4G移動基站對電力供應(yīng)的頻率要求嚴(yán)格，如頻率降低不大于2%，穩(wěn)態(tài)頻率帶不大于0.5%等[1]。發(fā)電機組的輸出頻率與發(fā)動機的轉(zhuǎn)速之間關(guān)系密切，在運行時要求發(fā)動機的轉(zhuǎn)速恒定，這個恒定的轉(zhuǎn)速值就是調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)定值。比如常見的采用四極同步電機的發(fā)電機組，輸出頻率為50Hz時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1500RPM。

柴油機的調(diào)速系統(tǒng)是一個復(fù)雜的控制系統(tǒng)，它具有時變性、非線性和不確定性。當(dāng)柴油機用于發(fā)電用途時，要求其轉(zhuǎn)速保持恒定，若仍采用常規(guī)PID控制算法，難以得到很好的調(diào)速效果。

模糊控制把控制對象作為“黑箱”，先把人對“黑箱”的操作經(jīng)驗用語言表述成“模糊規(guī)則”，讓機器根據(jù)這些規(guī)則模仿人進(jìn)行操作來實現(xiàn)自動控制[2]。將模糊控制與PID控制相結(jié)合的方法，可以集成模糊控制的靈活性強和PID控制的穩(wěn)態(tài)特好等優(yōu)點[3]，有利于提高發(fā)動機的轉(zhuǎn)速控制效果。

1 調(diào)速原理及系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 調(diào)速原理

根據(jù)柴油機工作原理，壓縮空氣產(chǎn)生高熱，在壓縮行程接近結(jié)束時，噴油泵提高柴油的油壓，通過噴油器將霧化的柴油噴入氣缸后，在氣缸內(nèi)形成可燃混合氣爆炸膨脹，在高壓氣體的推動下，活塞向下運動并帶動曲軸旋轉(zhuǎn)做功。故若要實現(xiàn)對發(fā)動機轉(zhuǎn)速的自動調(diào)節(jié)，其實質(zhì)就是控制發(fā)動機發(fā)出的能量，即噴油量控制。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，內(nèi)燃機采用電子調(diào)速器調(diào)速已成為內(nèi)燃機調(diào)速控制的主流方向。柴油機的調(diào)速控制，可簡化為根據(jù)發(fā)動機的運行情況和外界的負(fù)載變化，利用電子調(diào)速器調(diào)整噴油量的變化，來達(dá)到改變混合氣的流量，進(jìn)而使轉(zhuǎn)速保持在設(shè)定值附近。

1.2 PID調(diào)速系統(tǒng)的組成

通常，柴油機的調(diào)速系統(tǒng)由電子調(diào)速器、執(zhí)行機構(gòu)和反饋單元組成。圖1為柴油機基于位置式PID控制的調(diào)速系統(tǒng)組成框圖。在這個系統(tǒng)中，電子調(diào)速器是一個基于單片機的微處理單元，執(zhí)行機構(gòu)則是噴油器，電子調(diào)速器控制執(zhí)行機構(gòu)的動作，反饋單元由轉(zhuǎn)速傳感器和位置傳感器組成，轉(zhuǎn)速傳感器安裝在發(fā)動機曲軸上，反饋當(dāng)前轉(zhuǎn)速數(shù)值，而位置傳感器反饋執(zhí)行機構(gòu)的開度。圖1中，r（t）為電子調(diào)速器的設(shè)定轉(zhuǎn)速，b（t）為實際轉(zhuǎn)速的采樣值，e（t）為設(shè)定轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速之間的差值，u（t）為電子調(diào)速器的輸出，y（t）為系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速輸出，n（t）為負(fù)載變化引起等的系統(tǒng)擾動[4]。

這種調(diào)速系統(tǒng)可以對噴油器的位置進(jìn)行精確控制，控制精度高，動態(tài)相應(yīng)快。但是此調(diào)速系統(tǒng)在實際應(yīng)用中，需要通過多次試驗來標(biāo)定不同轉(zhuǎn)速下的噴油器的噴油量。

為了增加調(diào)速系統(tǒng)的精度，不妨將增量引入系統(tǒng)，即電子調(diào)速器輸出的是一個控制增量，而不再是指示執(zhí)行器精確位置的全量。圖2為增量式PID調(diào)速控制系統(tǒng)框圖，其中，Δu（t）即為電子調(diào)速器的輸出增量。

1.3 模糊PID調(diào)速系統(tǒng)的組成

模糊控制能夠較好地模擬人的思維方式，它不依賴于精確模型，魯棒性強。將模糊控制引入PID控制，即形成模糊PID控制器。將模糊PID控制器應(yīng)用于柴油機的調(diào)速系統(tǒng)后，可得到如圖3中的模糊PID控制器是一個兩輸入三輸出的系統(tǒng)，e和ec為控制器輸入，KP、Ki和Kd為控制器的輸出[5]。其中，e為轉(zhuǎn)速偏差，ec為轉(zhuǎn)速偏差變化。

2 調(diào)速控制策略

對KP、Ki和Kd三個參數(shù)的整定能力是影響柴油機調(diào)速控制效果的關(guān)鍵因素。采用模糊PID調(diào)速控制策略，找出e和ec與PID控制器三個參數(shù)之間的模糊關(guān)系，利用模糊控制規(guī)則對常規(guī)PID控制器的KP、Ki和Kd進(jìn)行在線自適應(yīng)整定[2]。

2.1 模糊PID控制器的設(shè)計

根據(jù)圖3設(shè)計模糊PID控制器，設(shè)定e的語言變量為E，ec的語言變量為EC，論域均為{-3，3}，相應(yīng)的模糊集為：{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}。設(shè)KP的語言變量為KP，Ki的語言變量為KI，Kd的語言變量為KD，論域均為{0，3}，相應(yīng)的模糊集為{Z，PS，PM，PB}。輸入/輸出變量除PB為S型隸屬度函數(shù)，NB為Z型隸屬度函數(shù)，其他均為三角型隸屬度函數(shù)。

2.2 模糊規(guī)則

根據(jù)經(jīng)驗總結(jié)，模糊PID控制器的輸入/輸出之間有以下模糊關(guān)系。

⑴ 當(dāng)|e（t）|較大時，取較大的KP可加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，取Ki=0可避免出現(xiàn)較大的超調(diào)，取較小的Kd可避免系統(tǒng)在開始時可能引起的超范圍控制作用。

⑵ 當(dāng)|e（t）|處于中等時，取較小的KP可減小系統(tǒng)的超調(diào)，可適當(dāng)增加Ki，取合理的Kd可提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

⑶ 當(dāng)|e（t）|較小時，取較大的KP和Kd以使系統(tǒng)有良好的穩(wěn)態(tài)性能，取合理的Kd可避免系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。

基于以上定性關(guān)系，可得到系統(tǒng)的模糊規(guī)則，見表1。

2.3 Simulink仿真及結(jié)果

本文采用Matlab軟件Simulink工具箱對柴油機調(diào)速系統(tǒng)控制進(jìn)行仿真。圖4是系統(tǒng)Simulink仿真結(jié)構(gòu)圖。

圖5為柴油機啟動過程分別基于常規(guī)PID和基于系統(tǒng)模糊PID控制仿真結(jié)果。柴油機在啟動馬達(dá)的帶動下啟動，通過控制噴油器調(diào)節(jié)噴入氣缸內(nèi)的柴油量，經(jīng)過短暫的加速過程，柴油機運轉(zhuǎn)至怠速600r/min，并穩(wěn)定在期望轉(zhuǎn)速r=600r/min。輸入信號為轉(zhuǎn)速的設(shè)定值，在本文中為600。仿真時，輸入信號采用階躍信號模擬。

通過對仿真結(jié)果進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，采用常規(guī)PID控制的最高轉(zhuǎn)速可達(dá)630r/min，啟動至怠速狀態(tài)穩(wěn)定所需的時間約4s，超調(diào)率超過4%。在采用模糊PID控制后，最高轉(zhuǎn)速在619r/min，啟動至怠速狀態(tài)穩(wěn)定所需的時間為2.2s，超調(diào)率控制在3%以下，整個起動過程中的起動時間和超調(diào)率都滿足柴油機調(diào)速系統(tǒng)的指標(biāo)要求。對比發(fā)現(xiàn)，模糊PID控制策略超調(diào)量控制效果明顯改善，動靜態(tài)控制效果要好于常規(guī)PID控制。

3 結(jié)束語

本文提出了一種基于模糊PID控制策略的柴油機調(diào)速策略。通過對比仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，模糊PID控制策略除保留常規(guī)PID控制穩(wěn)定性好、可靠性高的優(yōu)點外，還提高了系統(tǒng)的自適應(yīng)能力，時變性和魯棒性較好，該策略在柴油發(fā)電機組的調(diào)速系統(tǒng)中有較好的應(yīng)用前景。

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