汽油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的前饋反饋控制系統(tǒng)

1、汽油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的前饋-反饋控制系統(tǒng)段其昌1，董 平2，程 偉3(1,2,3.重慶大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，重慶，400044)摘要：汽油發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性是影響電氣性能指標(biāo)的一個(gè)重要因素，本文在分析其工作原理的基礎(chǔ)上提出了一種電流前饋、轉(zhuǎn)速負(fù)反饋式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并且把反饋控制器設(shè)計(jì)為模糊控制、PID控制和保持模態(tài)相結(jié)合的多模態(tài)控制器。利用Matlab進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制效果的仿真，所得的轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)切換性能都比采用單一PID控制時(shí)有明顯改善，證實(shí)了所提控制方法的有效性。關(guān)鍵詞：汽油發(fā)電機(jī)，電流前饋，多模態(tài)控制，模糊控制中圖分類號(hào)：TP273+.2 文獻(xiàn)識(shí)別碼： A 文章編號(hào)：Feedforward -fee

2、dback Speed Control System of Gasoline GeneratorDUAN Qichang1, DONG Ping2, CHENG Wei3(1,2,3.School of Automation, Chongqing University, Chongqing, China, 400044)Abstract: The speed stability of gasoline generator is an important factor that affects its electrical performance. In this essay, based on

3、 the operating principle, a system structure which consists of current feedforward and speed feedback part is proposed, and the feedback controller is designed as a multimode controller composed of fuzzy control, PID and maintain mode. Simulation of speed control is implemented with Matlab, and the

4、result shows that with the proposed control method, stable and dynamic performance of speed will be better improved than with the traditional PID algorithm, so the proposed control method is proved efficient in speed regulation of gasoline generator.Key words: Gasoline generator, Current feedforward

5、, Multimode control, Fuzzy control1、引言對(duì)小型汽油發(fā)電機(jī)組來說，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性是影響其電氣性能指標(biāo)的一個(gè)重要因素，但目前汽油機(jī)轉(zhuǎn)速感應(yīng)與控制主要通過機(jī)械元件實(shí)現(xiàn)，存在慣性滯后嚴(yán)重及摩擦阻力大、調(diào)節(jié)粗糙等缺陷，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)精度和自動(dòng)化程度都較低。常規(guī)PID控制用在非線性、時(shí)變和模型不夠精確的系統(tǒng)中，就不能很好的發(fā)揮作用，隨工況不同系統(tǒng)性能會(huì)變差甚至不穩(wěn)定。模糊控制是解決復(fù)雜控制問題的一種常用方法，智能程度較高但是控制精度比PID差。轉(zhuǎn)速反饋控制器采用結(jié)合模糊控制、數(shù)字式PID控制等多種模態(tài)的方法。在深入分析系統(tǒng)工作機(jī)理的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)出一種電流前饋-轉(zhuǎn)速反饋式的調(diào)速

6、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，通過模型的仿真證實(shí)這種方法對(duì)改善汽油發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)綜合性能的有效性。2、汽油發(fā)電機(jī)的工作原理建模汽油發(fā)電機(jī)包括一對(duì)共軸安裝的汽油機(jī)和同步發(fā)電機(jī)。四沖程汽油機(jī)的一個(gè)工作循環(huán)由進(jìn)氣、壓縮、燃燒膨脹、排氣四個(gè)沖程組成，其中燃燒膨脹沖程是產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的。汽油機(jī)與負(fù)載轉(zhuǎn)矩的平衡公式如下：(1)其中，是汽油機(jī)角速度，單位rad/s，t是時(shí)間，J是汽油機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Teng是汽油機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，Tload是負(fù)載轉(zhuǎn)矩。下文將對(duì)四個(gè)沖程建立數(shù)學(xué)模型。 進(jìn)氣沖程建模，表示了給定轉(zhuǎn)速和節(jié)氣門開度下汽缸中進(jìn)氣量、進(jìn)油量的數(shù)值。假定節(jié)氣門的開度角為，單位是度，那么進(jìn)氣管（喉管）進(jìn)入的氣體流速可以表示為兩個(gè)函數(shù)的乘積

7、12：(2)其中，mai為進(jìn)入進(jìn)氣導(dǎo)管的質(zhì)量流速，單位是g/s，Pm是導(dǎo)管壓力，單位Bar，1Bar=105Pa。該乘積項(xiàng)中因子是關(guān)于節(jié)氣門開度角的經(jīng)驗(yàn)公式函數(shù)： (3)因子g(Pm)是關(guān)于導(dǎo)管壓力的函數(shù)：(4)其中P0為大氣壓，單位是Bar。綜合公式(2)(3)(4)，就得到了以節(jié)氣門開度、外界大氣壓和導(dǎo)管壓力為輸入，以進(jìn)入進(jìn)氣導(dǎo)管的質(zhì)量流速為輸出的方程式。根據(jù)氣體狀態(tài)方程，喉管處的壓力變化可以表示成進(jìn)入和流出喉管的氣體質(zhì)量流速的函數(shù)：(5)其中，R是與氣體狀態(tài)相關(guān)的常數(shù)，Vm是進(jìn)氣導(dǎo)管的容積，mai為進(jìn)入進(jìn)氣導(dǎo)管的質(zhì)量流速，mo是流出進(jìn)氣導(dǎo)管的質(zhì)量流速。在特定的汽油機(jī)轉(zhuǎn)速下，流出喉管的總質(zhì)

8、量流速mo和導(dǎo)管壓力Pm、轉(zhuǎn)速之間存在著如下的經(jīng)驗(yàn)公式：(6)其中，為汽油機(jī)的角速度。 壓縮沖程相對(duì)于進(jìn)氣沖程延遲一個(gè)角度，用純時(shí)間延遲來模擬。 膨脹做功沖程，產(chǎn)生的平均轉(zhuǎn)矩參照了參考文獻(xiàn)1中用回歸方程方法得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，表示成：(7)其中，Teng是汽油機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，mao是流出喉管的空氣質(zhì)量流速，meo是流出喉管的燃料質(zhì)量流速，A/F表示空燃比，為點(diǎn)火提前角，單位rad。以空燃比表示混合氣的組分不太方便，它與過量空氣系數(shù)的關(guān)系是3：(8)其中，L0是與汽油性質(zhì)和空氣性質(zhì)燃燒相關(guān)的一個(gè)常數(shù)，與混合氣的成分無關(guān)。從文獻(xiàn)3可知，L0=14.80。 排氣沖程，該沖程不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。由建模過程可知，轉(zhuǎn)速

9、形成過程具有形如物理量平方項(xiàng)和變量相乘等非線性和時(shí)變性環(huán)節(jié)，增加了轉(zhuǎn)速控制的難度。同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與其發(fā)出交流電頻率之間存在關(guān)系，其中p為極對(duì)數(shù)，n為轉(zhuǎn)速，單位r/min，f是發(fā)出交流電頻率，單位Hz?？蛰d電勢E0可以表示為，其中是轉(zhuǎn)子磁通，對(duì)于已經(jīng)制造好的電機(jī)來說，是個(gè)常數(shù)，稱為同步發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢常數(shù)。電磁阻轉(zhuǎn)矩表示為，其中表示合成磁通量，表示電樞電流的交軸分量，是轉(zhuǎn)矩常數(shù)4。小型同步發(fā)電機(jī)可以忽略其電樞電阻和漏抗，這時(shí)端電壓、電樞電流、空載電動(dòng)勢、氣隙合成電動(dòng)勢、電樞反應(yīng)電動(dòng)勢之間滿足如下的矢量關(guān)系，故：(9)其中表示轉(zhuǎn)子空載感應(yīng)電動(dòng)勢，表示直軸電流分量，與成或，是直軸電抗；是交軸電流分量

10、，與垂直，是交軸電流分量。假定與電樞電流之間的夾角為，稱為內(nèi)功率因數(shù)角，得到圖1所示的向量圖(以帶電阻電感性負(fù)載的情況為例)，其中。對(duì)公式(9)在d軸和q軸進(jìn)行分解，就得到如下公式：q軸： (10)d軸： (11)圖1 同步發(fā)電機(jī)的向量圖Fig.1 Vector diagram for synchronous generator3、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析 控制任務(wù)分析控制系統(tǒng)的輸入量是設(shè)定的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，輸出量是飛輪轉(zhuǎn)速。節(jié)氣門執(zhí)行器選擇了電磁蝶閥，其開度與驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間存在線性函數(shù)關(guān)系，因此無需使用蝶閥和節(jié)氣門的位置反饋裝置。被控對(duì)象是發(fā)電機(jī)本身，從模型分析可知該控制系統(tǒng)屬于非線性、時(shí)變的恒值控制系統(tǒng)。干擾

11、主要來自于發(fā)電機(jī)所帶負(fù)載的變化。當(dāng)發(fā)電機(jī)負(fù)載發(fā)生切換時(shí)，首先定子電樞電流I變化，然后引起輸出電壓、電磁阻轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的變化，因此定子輸出電流I可以直接反映所加負(fù)載的擾動(dòng)。測量定子輸出電流，獲得了負(fù)載變化趨勢，就可以實(shí)施電流前饋控制，對(duì)干擾進(jìn)行提前補(bǔ)償作用。綜上所述，本文中汽油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制采用前饋加反饋式控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖2。圖2 轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of speed regulation system 前饋控制策略前饋控制器按照控制規(guī)律和控制作用，可以分為靜態(tài)前饋和動(dòng)態(tài)前饋兩種5。負(fù)載額定電流IN(n)與穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)節(jié)氣門開度和蝶閥驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間具有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過

12、施加靜態(tài)前饋?zhàn)饔?，用比例環(huán)節(jié)來快速抑制因所加負(fù)載變化而引起的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，表示為：(12)這個(gè)函數(shù)從多次的轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)獲得，把各個(gè)負(fù)載等級(jí)下的穩(wěn)定節(jié)氣門開度值列表存儲(chǔ)，微控制器程序根據(jù)所測的負(fù)載電流查找對(duì)應(yīng)的節(jié)氣門開度最佳值。 反饋控制策略常規(guī)PID算法主要解決線性時(shí)不變系統(tǒng)的控制問題。當(dāng)調(diào)整好參數(shù)的PID控制器應(yīng)用于非線性、時(shí)變系統(tǒng)和復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)，隨工況不同系統(tǒng)性能會(huì)變差甚至不穩(wěn)定6。這就需要應(yīng)用最新的控制技術(shù)來解決，常用的有自適應(yīng)控制、最優(yōu)控制、模糊控制、神經(jīng)元控制和專家控制等。其中，模糊控制是智能控制系統(tǒng)常用的一種方法，它模擬人類的思維方法，把對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的控制規(guī)則化知識(shí)化而且運(yùn)算迅速，只是穩(wěn)定

13、控制精度比PID差。如果把模糊控制和數(shù)字式PID控制結(jié)合起來，就既具有模糊控制算法編制靈活和適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，又具有PID控制精度高的特點(diǎn)78。多模態(tài)切換反饋控制器的結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中模糊控制模態(tài)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖3 多模態(tài)控制的切換機(jī)制示意圖Fig.3 Illustration for the mode switch mechanism of multimode control圖4 模糊控制器的結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure diagram of fuzzy controller其中使用增量式PID控制，表示如下：(13)T是采樣周期。增量式PID控制只考慮誤差增量，受累積誤差的影

14、響較小，因而有更高的精度；一定程度上解決了積分飽和問題，有利于控制的平滑9。模糊控制算法是由輸入定標(biāo)、模糊化、模糊決策、反模糊化和輸出定標(biāo)五個(gè)部分組成的。本文采用二維模糊控制器，即以誤差e、誤差的變化ec作為輸入，控制增量u為輸出。語言變量值取7個(gè)，分別為“負(fù)大”、“負(fù)中”、“負(fù)小”、“零”、“正小”、“正中”、“正大”等七個(gè)詞匯，用符號(hào)表示為NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB。根據(jù)模糊關(guān)系，輸入量為E和EC，輸出量為。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)總結(jié)，得到模糊決策規(guī)則表見表1。表1 模糊控制規(guī)則表Table 1 Table of fuzzy control ruleseuecNBNMNSZOPS

15、PMPBNBNBNBNMNMNMNSNSNMNMNMNSNSNSZOPSNSNMNMNSNSZOPSPMZONMNMNSNSZOPSPMPSNMNSZOPSPMPMPMPMNSZOPSPSPMPMPMPBPSPSPMPMPMPBPB 反饋控制中的模態(tài)問題在機(jī)器啟動(dòng)和負(fù)載切換階段，由于轉(zhuǎn)速偏差和偏差變化都很大，需要采用模糊控制，利用其對(duì)模型參數(shù)適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，來對(duì)付系統(tǒng)中的非線性；當(dāng)偏差較小而且趨于0時(shí)，使用保持控制；其它條件下，使用PID控制進(jìn)行一定的精細(xì)調(diào)節(jié)78。綜上所述，用產(chǎn)生式規(guī)則表示的模態(tài)切換條件如下：Rule1: If Then Rule2: If Then Rule3:If The

16、n 需要注意的是，切換閥值M1不可以設(shè)置得太小，避免在誤差和誤差變化已經(jīng)較小的情況下運(yùn)行模糊控制；保持控制的進(jìn)入閥值M3也不可以設(shè)置得太大，否則會(huì)導(dǎo)致調(diào)節(jié)過程反復(fù)波動(dòng)和控制不靈敏。仿真中得到的一個(gè)理想組合為M1=120，M2=10000，M3=30。4、仿真研究用Matlab的Simulink工具箱建立四沖程汽油發(fā)電機(jī)的前饋-反饋控制系統(tǒng)模型，如圖5所示。其中前饋控制器、數(shù)字式PID等子系統(tǒng)使用控制工具箱中的現(xiàn)成模塊，而汽油機(jī)模塊、同步發(fā)電機(jī)模塊、模糊控制運(yùn)算、模態(tài)選擇函數(shù)等需要自定義算法實(shí)現(xiàn)。反饋控制器的Matlab結(jié)構(gòu)如圖6所示。圖5 轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的Matlab仿真模型Fig.5 Matl

17、ab simulation model of speed regulation system圖6 反饋控制子系統(tǒng)的仿真模型Fig.6 Simulation model of feedback control subsystem啟動(dòng)仿真過程需要賦予初始轉(zhuǎn)速N、初始節(jié)氣門開度以及設(shè)定負(fù)載變化規(guī)律，發(fā)電機(jī)所帶電器負(fù)載值，其中是負(fù)載的額定工作電壓。本文的仿真過程使用的負(fù)載變化規(guī)律如下，單位為Watt： (14)上述負(fù)載條件下，在Matlab中對(duì)該控制系統(tǒng)的仿真結(jié)果如圖7。(a) PID控制(a) PID control (b) 前饋-反饋控制(b) feedforward-feedback contr

18、ol 圖7 負(fù)載變化時(shí)的轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果Fig.7 Speed simulation result at the transition of load圖7的仿真結(jié)果表明，實(shí)施前饋-反饋控制算法以后，在不同負(fù)載等級(jí)下都能實(shí)現(xiàn)小于1%的靜態(tài)轉(zhuǎn)速波動(dòng)率，并且負(fù)載切換過程中轉(zhuǎn)速的過調(diào)量小于8%，過渡過程時(shí)間小于3s。而使用機(jī)械式調(diào)速和常規(guī)PID控制的情況下，負(fù)載切換過程中轉(zhuǎn)速過調(diào)量可達(dá)20%以上，過渡過程時(shí)間一般超過7s，并且機(jī)械調(diào)速的靜態(tài)轉(zhuǎn)速還經(jīng)常出現(xiàn)大于5%波動(dòng)幅度的情況。5、結(jié)論本文首先對(duì)小型汽油發(fā)電機(jī)建立數(shù)學(xué)模型，并分析了轉(zhuǎn)速控制的特點(diǎn)，由此設(shè)計(jì)出了一種電流前饋-轉(zhuǎn)速反饋式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，反饋控制器采用

19、模糊控制、PID和保持模態(tài)相結(jié)合并實(shí)時(shí)切換的多模態(tài)控制。在Matlab平臺(tái)下仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速控制方法能有效改善汽油同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的靜態(tài)穩(wěn)定性和過渡過程的快速性與平穩(wěn)性，并對(duì)實(shí)際的調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供有力的理論依據(jù)。參考文獻(xiàn)：1 郭軍華,張敏,等.小型汽油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真研究J.計(jì)算機(jī)仿真, 2004,22(3): 74-772 Crossley, P R, Cook, J A. A nonlinear engine model for drive-train system developmentC. International Conference on Control '91, Edinburgh, UK, 1991: 921- 9253 劉永長.內(nèi)燃機(jī)原理M. 武漢:華中科技大學(xué)出版社，2000: 74-77,157-1634 王桂英,賈蘭英.電機(jī)與拖動(dòng)M.沈陽