汽油發(fā)電機轉速的前饋反饋控制系統(tǒng)

1、汽油發(fā)電機轉速的前饋-反饋控制系統(tǒng)段其昌1，董 平2，程 偉3(1,2,3.重慶大學自動化學院，重慶，400044)摘要：汽油發(fā)電機的轉速穩(wěn)定性是影響電氣性能指標的一個重要因素，本文在分析其工作原理的基礎上提出了一種電流前饋、轉速負反饋式的系統(tǒng)結構，并且把反饋控制器設計為模糊控制、PID控制和保持模態(tài)相結合的多模態(tài)控制器。利用Matlab進行轉速控制效果的仿真，所得的轉速穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)切換性能都比采用單一PID控制時有明顯改善，證實了所提控制方法的有效性。關鍵詞：汽油發(fā)電機，電流前饋，多模態(tài)控制，模糊控制中圖分類號：TP273+.2 文獻識別碼： A 文章編號：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、引言對小型汽油發(fā)電機組來說，轉速穩(wěn)定性是影響其電氣性能指標的一個重要因素，但目前汽油機轉速感應與控制主要通過機械元件實現，存在慣性滯后嚴重及摩擦阻力大、調節(jié)粗糙等缺陷，轉速調節(jié)精度和自動化程度都較低。常規(guī)PID控制用在非線性、時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)性能會變差甚至不穩(wěn)定。模糊控制是解決復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。轉速反饋控制器采用結合模糊控制、數字式PID控制等多種模態(tài)的方法。在深入分析系統(tǒng)工作機理的基礎上，本文設計出一種電流前饋-轉速反饋式的調速

6、系統(tǒng)結構，通過模型的仿真證實這種方法對改善汽油發(fā)電機穩(wěn)態(tài)和動態(tài)綜合性能的有效性。2、汽油發(fā)電機的工作原理建模汽油發(fā)電機包括一對共軸安裝的汽油機和同步發(fā)電機。四沖程汽油機的一個工作循環(huán)由進氣、壓縮、燃燒膨脹、排氣四個沖程組成，其中燃燒膨脹沖程是產生轉矩的。汽油機與負載轉矩的平衡公式如下：(1)其中，是汽油機角速度，單位rad/s，t是時間，J是汽油機的轉動慣量，Teng是汽油機輸出轉矩，Tload是負載轉矩。下文將對四個沖程建立數學模型。 進氣沖程建模，表示了給定轉速和節(jié)氣門開度下汽缸中進氣量、進油量的數值。假定節(jié)氣門的開度角為，單位是度，那么進氣管（喉管）進入的氣體流速可以表示為兩個函數的乘積

7、12：(2)其中，mai為進入進氣導管的質量流速，單位是g/s，Pm是導管壓力，單位Bar，1Bar=105Pa。該乘積項中因子是關于節(jié)氣門開度角的經驗公式函數： (3)因子g(Pm)是關于導管壓力的函數：(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、外界大氣壓和導管壓力為輸入，以進入進氣導管的質量流速為輸出的方程式。根據氣體狀態(tài)方程，喉管處的壓力變化可以表示成進入和流出喉管的氣體質量流速的函數：(5)其中，R是與氣體狀態(tài)相關的常數，Vm是進氣導管的容積，mai為進入進氣導管的質量流速，mo是流出進氣導管的質量流速。在特定的汽油機轉速下，流出喉管的總質

8、量流速mo和導管壓力Pm、轉速之間存在著如下的經驗公式：(6)其中，為汽油機的角速度。 壓縮沖程相對于進氣沖程延遲一個角度，用純時間延遲來模擬。 膨脹做功沖程，產生的平均轉矩參照了參考文獻1中用回歸方程方法得出的實驗結論，表示成：(7)其中，Teng是汽油機產生的轉矩，mao是流出喉管的空氣質量流速，meo是流出喉管的燃料質量流速，A/F表示空燃比，為點火提前角，單位rad。以空燃比表示混合氣的組分不太方便，它與過量空氣系數的關系是3：(8)其中，L0是與汽油性質和空氣性質燃燒相關的一個常數，與混合氣的成分無關。從文獻3可知，L0=14.80。 排氣沖程，該沖程不產生轉矩。由建模過程可知，轉速

9、形成過程具有形如物理量平方項和變量相乘等非線性和時變性環(huán)節(jié)，增加了轉速控制的難度。同步發(fā)電機的轉速與其發(fā)出交流電頻率之間存在關系，其中p為極對數，n為轉速，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，其中是轉子磁通，對于已經制造好的電機來說，是個常數，稱為同步發(fā)電機的電動勢常數。電磁阻轉矩表示為，其中表示合成磁通量，表示電樞電流的交軸分量，是轉矩常數4。小型同步發(fā)電機可以忽略其電樞電阻和漏抗，這時端電壓、電樞電流、空載電動勢、氣隙合成電動勢、電樞反應電動勢之間滿足如下的矢量關系，故：(9)其中表示轉子空載感應電動勢，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，稱為內功率因數角，得到圖1所示的向量圖(以帶電阻電感性負載的情況為例)，其中。對公式(9)在d軸和q軸進行分解，就得到如下公式：q軸： (10)d軸： (11)圖1 同步發(fā)電機的向量圖Fig.1 Vector diagram for synchronous generator3、系統(tǒng)結構分析 控制任務分析控制系統(tǒng)的輸入量是設定的目標轉速，輸出量是飛輪轉速。節(jié)氣門執(zhí)行器選擇了電磁蝶閥，其開度與驅動信號之間存在線性函數關系，因此無需使用蝶閥和節(jié)氣門的位置反饋裝置。被控對象是發(fā)電機本身，從模型分析可知該控制系統(tǒng)屬于非線性、時變的恒值控制系統(tǒng)。干擾

11、主要來自于發(fā)電機所帶負載的變化。當發(fā)電機負載發(fā)生切換時，首先定子電樞電流I變化，然后引起輸出電壓、電磁阻轉矩和轉速的變化，因此定子輸出電流I可以直接反映所加負載的擾動。測量定子輸出電流，獲得了負載變化趨勢，就可以實施電流前饋控制，對干擾進行提前補償作用。綜上所述，本文中汽油發(fā)電機轉速控制采用前饋加反饋式控制系統(tǒng)，結構如圖2。圖2 轉速控制系統(tǒng)的結構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)前饋和動態(tài)前饋兩種5。負載額定電流IN(n)與穩(wěn)定運行時節(jié)氣門開度和蝶閥驅動信號之間具有一一對應關系。通過

12、施加靜態(tài)前饋作用，用比例環(huán)節(jié)來快速抑制因所加負載變化而引起的轉速波動，表示為：(12)這個函數從多次的轉速穩(wěn)態(tài)實驗獲得，把各個負載等級下的穩(wěn)定節(jié)氣門開度值列表存儲，微控制器程序根據所測的負載電流查找對應的節(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不變系統(tǒng)的控制問題。當調整好參數的PID控制器應用于非線性、時變系統(tǒng)和復雜系統(tǒng)時，隨工況不同系統(tǒng)性能會變差甚至不穩(wěn)定6。這就需要應用最新的控制技術來解決，常用的有自適應控制、最優(yōu)控制、模糊控制、神經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，把對復雜系統(tǒng)的控制規(guī)則化知識化而且運算迅速，只是穩(wěn)定

13、控制精度比PID差。如果把模糊控制和數字式PID控制結合起來，就既具有模糊控制算法編制靈活和適應性強的優(yōu)點，又具有PID控制精度高的特點78。多模態(tài)切換反饋控制器的結構如圖3所示，其中模糊控制模態(tài)的詳細結構如圖4所示。圖3 多模態(tài)控制的切換機制示意圖Fig.3 Illustration for the mode switch mechanism of multimode control圖4 模糊控制器的結構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、模糊化、模糊決策、反模糊化和輸出定標五個部分組成的。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，分別為“負大”、“負中”、“負小”、“零”、“正小”、“正中”、“正大”等七個詞匯，用符號表示為NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB。根據模糊關系，輸入量為E和EC，輸出量為。根據工程經驗和試驗總結，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)問題在機器啟動和負載切換階段，由于轉速偏差和偏差變化都很大，需要采用模糊控制，利用其對模型參數適應性強的特點，來對付系統(tǒng)中的非線性；當偏差較小而且趨于0時，使用保持控制；其它條件下，使用PID控制進行一定的精細調節(jié)78。綜上所述，用產生式規(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不可以設置得太小，避免在誤差和誤差變化已經較小的情況下運行模糊控制；保持控制的進入閥值M3也不可以設置得太大，否則會導致調節(jié)過程反復波動和控制不靈敏。仿真中得到的一個理想組合為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、數字式PID等子系統(tǒng)使用控制工具箱中的現成模塊，而汽油機模塊、同步發(fā)電機模塊、模糊控制運算、模態(tài)選擇函數等需要自定義算法實現。反饋控制器的Matlab結構如圖6所示。圖5 轉速控制系統(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啟動仿真過程需要賦予初始轉速N、初始節(jié)氣門開度以及設定負載變化規(guī)律，發(fā)電機所帶電器負載值，其中是負載的額定工作電壓。本文的仿真過程使用的負載變化規(guī)律如下，單位為Watt： (14)上述負載條件下，在Matlab中對該控制系統(tǒng)的仿真結果如圖7。(a) PID控制(a) PID control (b) 前饋-反饋控制(b) feedforward-feedback contr

18、ol 圖7 負載變化時的轉速仿真結果Fig.7 Speed simulation result at the transition of load圖7的仿真結果表明，實施前饋-反饋控制算法以后，在不同負載等級下都能實現小于1%的靜態(tài)轉速波動率，并且負載切換過程中轉速的過調量小于8%，過渡過程時間小于3s。而使用機械式調速和常規(guī)PID控制的情況下，負載切換過程中轉速過調量可達20%以上，過渡過程時間一般超過7s，并且機械調速的靜態(tài)轉速還經常出現大于5%波動幅度的情況。5、結論本文首先對小型汽油發(fā)電機建立數學模型，并分析了轉速控制的特點，由此設計出了一種電流前饋-轉速反饋式系統(tǒng)結構，反饋控制器采用

19、模糊控制、PID和保持模態(tài)相結合并實時切換的多模態(tài)控制。在Matlab平臺下仿真結果表明，所設計的轉速控制方法能有效改善汽油同步發(fā)電機轉速調節(jié)的靜態(tài)穩(wěn)定性和過渡過程的快速性與平穩(wěn)性，并對實際的調速系統(tǒng)設計提供有力的理論依據。參考文獻：1 郭軍華,張敏,等.小型汽油機調速系統(tǒng)建模與仿真研究J.計算機仿真, 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.內燃機原理M. 武漢:華中科技大學出版社，2000: 74-77,157-1634 王桂英,賈蘭英.電機與拖動M.沈陽