1、微電機(jī)2002年第35卷第5期(總第128期普及與提高POPULAR IZAT I ON &RA ISING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(2曹世宏1, 王正茂1, 楊藝濤1, 程志軍2(11西安交通大學(xué), 陜西西安710040; 21總后建工所, 陜西西安710032中圖分類號(hào):TM 301. 2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B 文章編號(hào):1001-6848(2002 05-0056-03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P I D 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P I D 及模糊P I D 。變速積分P I D 用來(lái)調(diào)節(jié)積分系數(shù), 模糊P I D 用

2、來(lái)調(diào)節(jié)比例系數(shù)。是P I D 控制的核心。112數(shù)字P I D 控制算法選擇設(shè)計(jì)和調(diào)整數(shù)字P I D 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P I D 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K P 、和T , T 為采樣周期。微處理器T 1、T D 、控制是一種采樣控制, , , 模型進(jìn)行離散化(3 中的積分項(xiàng), 對(duì) 中的導(dǎo)數(shù)項(xiàng)用后向差分逼近, 經(jīng)推理可得到基本P I D 控制的位置式算法:k1變速積分P I D 原理111P I D 控制原理1, 2常規(guī)P I D 控制系統(tǒng)原理框圖如圖1所示 。U (k =K p E (k +K 1圖1P 控制系

3、統(tǒng)原理框圖E (j +Kj =0DE (k -(4P I D 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:(1 e (t =r (t -c (t 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:tE (k -1 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K 1積分系數(shù), K 1=K p T T 1K D 微分?jǐn)?shù)系, K D =K p T D T 1U (t =K p e (t +1 T I

4、e (t d t +d t(2在數(shù)字控制系統(tǒng)中, P I D 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P I D 控制中引入了積分環(huán)節(jié), 其目的主要是為了消除靜差,(3其傳遞函數(shù):G (S =U (S E (S =K p (1+1 T 1S +T D S 式中, K p 為比例系數(shù), T 1為積分時(shí)間常數(shù), T D為微分時(shí)間常數(shù)。在P I D 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。P I D 控制器的性能就決定于K p 、T 1和T D 這3個(gè)系數(shù)。如何選用這3個(gè)系數(shù)收稿日期:2001-12-06提高精度

5、。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)P I D 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P I D 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P I D 控制進(jìn)行改進(jìn), 簡(jiǎn)稱變速積分P I 變速積分P I D 。D 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。56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(2 曹世宏王正茂楊藝濤, 等為此, 設(shè)置一系數(shù)f E (k ,它是E (k 的函數(shù):1 E (k B

6、(5 A B (B +A 式中, A 、B 為積分區(qū)間。變速積分P I D 算法為:(6 U (k =K P E (k +K 1U 1(k +K D E (k -E (k -1 k -1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P I D 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P I D 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

7、, 以改善調(diào)節(jié)品質(zhì)。該系統(tǒng)中, P I D 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 =011(為柴油機(jī)的純滯后時(shí)間 。T z 大于011時(shí), 則取T =T z , :1z 1z 011T s 的確定U 1(k =E (j +f E (k E (k j =0(7式中, U 1(k 為第k 次采樣時(shí)刻P I D 運(yùn)算的積分部分輸出值。采用變速積分P I D 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

8、、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)。變速積分P I D 控制算法流程圖見(jiàn)圖2。(8初始確定數(shù)字P I D 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P I D 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T s 和臨界比例系數(shù)K s 。由單片機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)控制比例系數(shù)K P , 并逐漸增大K p , 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)的臨界比例度和相應(yīng)的臨界振蕩周期T s 。s =1 K s式中K s 等幅振蕩時(shí)的臨界比例系數(shù)(3 控制

9、度的選擇(9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褪遣捎媚骋环e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)的最圖2變速積分P I D 流程圖佳參數(shù)。在此, 采用m in 面積準(zhǔn)則 , 那么:控制度mine (t d (t (最小誤差平方202柴油發(fā)電機(jī)組數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)中P I D控制參數(shù)整定3, 4數(shù)字P I D 控制參數(shù)整定的任務(wù)主要是確定數(shù)字P I D 的參數(shù)K P 、T 1、T D 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e (t d t min e (t d t 2DDC2=ANAm in (IS

10、Z ANA(10式中, 下標(biāo)DDC 和ANA 分別表示直接數(shù)字控制和模擬調(diào)節(jié)器控制。57微電機(jī)2002年第35卷第5期(總第128期如前所述, 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1105。不同控制度時(shí), 擴(kuò)充臨界比例帶法P I D 參數(shù)增大比例系數(shù)K p , 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。增大積分時(shí)間T 1, 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

11、。增大微分時(shí)間常數(shù)T D 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)?；谏鲜鲈瓌t, 調(diào)整P I 后D 參數(shù)時(shí), 應(yīng)先比例、積分、再微分進(jìn)行調(diào)整。(待續(xù)計(jì)算公式見(jiàn)表1。表1擴(kuò)充臨界比例帶法P I D 參數(shù)計(jì)算公式控制度調(diào)節(jié)規(guī)律P I D P I D P I D P I D P I DT T s K p K s T 1 T s T D T s參考文獻(xiàn):1陶永華, 尹怡欣, 葛蘆生. 新型P I D 控制及其應(yīng)用M .模擬機(jī)械工業(yè)出版社, 1998.2王福瑞. 單片微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)大全M . 北京航空航(4 K p 、T 1、T D 、T 的求取根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得K s 和T s 及選定的控制度, 按表1計(jì)算出數(shù)字P I D 參數(shù)