柴油發(fā)電機(jī)數(shù)字控制技術(shù)

1、渤海船舶職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文論文題目：柴油發(fā)電機(jī)數(shù)字控制技術(shù)作 者： 指導(dǎo)教師： 單 位： 專 業(yè)： 船舶電氣自動(dòng)化 班（年）級(jí)：06級(jí)論文提交日期：2008年 12月 10日摘 要 柴油發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)涉及機(jī)械、傳感器技術(shù)、信息處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和控制理論等多個(gè)領(lǐng)域。數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化是柴油機(jī)自控技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。 本文首先對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組電控化方面的發(fā)展和控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹。主要是轉(zhuǎn)速控制模塊、AM模塊、顯示模塊。對(duì)于轉(zhuǎn)速控制模塊，我們主要用到DSP的事件管理功能來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速，并通過(guò)硬件電路來(lái)產(chǎn)生PWM信號(hào)，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器。A/D模塊我們用DSP自帶的A/D模塊，實(shí)現(xiàn)水溫，油壓的測(cè)

2、量。顯示模塊我們采用串行的液晶模塊通過(guò)RS232接口和DSP相連，實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示。我們?cè)谵D(zhuǎn)速控制設(shè)計(jì)中采用了參數(shù)自調(diào)整的模糊控制PID算法。 關(guān)鍵詞：柴油發(fā)電機(jī)組、DSP、模糊PID控制目 錄第一章 緒論11.1柴油發(fā)電機(jī)組調(diào)速和信號(hào)監(jiān)測(cè)的發(fā)展現(xiàn)狀.11.2柴油發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)現(xiàn)狀.2電子調(diào)速器與指針儀表組成的監(jiān)控系統(tǒng).3可編程序控制器(PLC).3專用控制器.51.3課題研究的主要內(nèi)容.51.4課題研究的意義.5第二章控制系統(tǒng)的硬件介紹與設(shè)計(jì)62. 1控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì).62.2主控模塊.72.3轉(zhuǎn)速控制的實(shí)現(xiàn).8轉(zhuǎn)速的測(cè)量.8執(zhí)行器的控制.92.4 A/D模塊 102.5顯示模

3、塊12液晶模塊介紹.12 TMS320LF2407A和液晶模塊的連接.132. 6 DSP和外部RAM的連接132. 6. 1外部RAM芯片CY7C1021的介紹132. 6. 2 DSP和CY7C1021的接口 .142.7鍵盤(pán)處理模塊152.8報(bào)警和跳閘模塊15第三章控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì).153. 1 DSP2407的開(kāi)發(fā)環(huán)境和我們的應(yīng)用程序 .153.1.1主控程序 163.1.2初始化子程序 163.1.3 A/D轉(zhuǎn)換程序 .173.1.4濾波子程序 .173.1.5轉(zhuǎn)速控制模塊子程序. 17.1模糊控制的基本原理. 17 3.1.5.2模糊控制算法的實(shí)現(xiàn) .18第四章柴油發(fā)電機(jī)組的調(diào)速

4、系統(tǒng)模型和系統(tǒng)仿真.194.1柴油發(fā)電機(jī)組的調(diào)速系統(tǒng)模型.19 柴油機(jī)模型.194.1.2電磁執(zhí)行器模型.19轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié).19 PID環(huán)節(jié).194.2面向Simulink數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)框圖.20常規(guī)PID控制系統(tǒng)框圖的建立.20不完全微分PID控制系統(tǒng)框圖的建立. 22變速積分PID控制系統(tǒng)框圖的建立.23模糊控制系統(tǒng)仿真框圖的建立.244.2.4.1模糊控制器的設(shè)計(jì).244.3 PID參數(shù)的整定.284.3.1衰減曲線法.29穩(wěn)定邊界法.29動(dòng)態(tài)特性法.29第五章結(jié)論. 31致謝.32第一章 緒 論1.1柴油發(fā)電機(jī)組調(diào)速和信號(hào)監(jiān)測(cè)的發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)電機(jī)上最早出現(xiàn)的自動(dòng)調(diào)節(jié)器是1784年James

5、Watt發(fā)明的離心式機(jī)械式調(diào)速器。第一次工業(yè)革命后，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，有關(guān)調(diào)速器的發(fā)明也越來(lái)越多。至今，調(diào)速器己經(jīng)歷了四代產(chǎn)品。離心式機(jī)械調(diào)速器是第1代產(chǎn)品。它采用離心飛塊感受轉(zhuǎn)速的變化，依靠離心力與彈簧力的不平衡作用，通過(guò)機(jī)械機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)油量調(diào)節(jié)齒桿改變供油量來(lái)調(diào)速，20世紀(jì)40年代末50年代初出現(xiàn)了間接作用的機(jī)械液壓式調(diào)速器，可以視為第2代產(chǎn)品。這種調(diào)速器的飛塊產(chǎn)生的離心力僅用于移動(dòng)控制滑閥，因而可以做得很小。用滑閥控制壓力油的流動(dòng)路線，壓力油進(jìn)入動(dòng)力油缸使動(dòng)力活塞移動(dòng)產(chǎn)生很大的驅(qū)動(dòng)力，作用于發(fā)動(dòng)機(jī)燃油齒桿控制供油量，因而具有較大的工作能力。這種調(diào)速器在船用發(fā)動(dòng)機(jī)上得到了廣泛的應(yīng)用。無(wú)論是機(jī)械

6、式還是機(jī)械化液壓式電子調(diào)速器，由于其轉(zhuǎn)速偏差信號(hào)的測(cè)量與放大都是通過(guò)機(jī)械元件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這就不可避免地存在慣性滯后及摩擦阻力大等固有缺陷，因此用這種調(diào)速器就很難實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的調(diào)節(jié)規(guī)律和控制功能，無(wú)法滿足進(jìn)一步降低油耗、減少有害排放、提高調(diào)節(jié)精度和自動(dòng)化程度的要求。所以研究人員就把目光轉(zhuǎn)向了新興的電子技術(shù)。自50年代以來(lái)，人們嘗試用電子器件代替機(jī)械器件，用電信號(hào)代替機(jī)械信號(hào)來(lái)設(shè)計(jì)調(diào)速器并取得了突破，出現(xiàn)了初具雛形的電子調(diào)速器。60年代，美國(guó)W00 DWARD公司推出了2301/E G-3 P型電液調(diào)速器，它由轉(zhuǎn)速傳感器，電子控制器和電液執(zhí)行器組成，這就奠定了模擬電子調(diào)速器(第3代電子調(diào)速器)的基本結(jié)

7、構(gòu)模式。其后又有許多國(guó)際大公司研制出了各種不同型號(hào)的電子調(diào)速器，它們的共同點(diǎn)是均由磁電式轉(zhuǎn)速傳感器，以模擬式PID或P I調(diào)節(jié)器為核心的轉(zhuǎn)速控制器、執(zhí)行器以及其它一些功能附件組成，其主要差別是控制器為適應(yīng)不同場(chǎng)合而設(shè)置了不同的控制功能，以及所用的執(zhí)行器有所不同。60年代至80年代初是模擬式電子調(diào)速器發(fā)展的鼎盛時(shí)期，并在越來(lái)越多的場(chǎng)合取代了傳統(tǒng)的機(jī)械或機(jī)械化液壓式調(diào)速器。由于模擬式電子調(diào)速器各項(xiàng)功能均由硬件電路組成，要實(shí)基于DSP的柴油發(fā)電機(jī)組控制器的設(shè)計(jì)國(guó)內(nèi)柴油發(fā)電機(jī)組的生產(chǎn)廠家很多，但總體水平不高，在諸如可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)性、適應(yīng)性、人機(jī)工程指標(biāo)和最新技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用等方面與國(guó)外相比均存在

8、一定程度的差距。近些年來(lái)隨著國(guó)家改革開(kāi)放政策的貫徹，不少國(guó)內(nèi)廠家紛紛引進(jìn)國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)或與國(guó)外合資辦廠。例如，目前在國(guó)內(nèi)以引進(jìn)康明斯技術(shù)生產(chǎn)的康明斯在國(guó)內(nèi)應(yīng)用最為廣泛、引進(jìn)最為成功，在國(guó)內(nèi)已形成了4BT, 6BT，6CT, MII、NT855, KT19, KT38生產(chǎn)或供貨能力，具有強(qiáng)大的技術(shù)支持和堅(jiān)實(shí)的維護(hù)保障能力，廣泛應(yīng)用于運(yùn)載車和各種動(dòng)力等。 基于DSP的柴油發(fā)電機(jī)組的控制器的設(shè)計(jì)滿全球的發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)供應(yīng)公司GAC向全球提供嶄新和特有的發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速控制產(chǎn)品，GAC公司的品質(zhì)保證部門(mén)保持一個(gè)完善的質(zhì)量體系，并必須執(zhí)行由IS09001認(rèn)證的生產(chǎn)過(guò)程，從1996年起GAC公司依照EMC標(biāo)準(zhǔn)，

9、使多種調(diào)速器及自動(dòng)均衡器得到了CE標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)可，為康明斯、道依茨、卡特彼勒、帕金斯、富豪等等世界知名發(fā)動(dòng)機(jī)提供產(chǎn)品和服務(wù)過(guò)；成都儀表廠與世界著名的車用調(diào)速器的生產(chǎn)廠家德國(guó)海茵茨蔓公司合資生產(chǎn)的E系列的電子調(diào)速器都具有國(guó)際八十年代水平，E型系列的電子調(diào)速器在國(guó)內(nèi)分別與北京內(nèi)燃機(jī)發(fā)電設(shè)備廠的6135, 12V135發(fā)動(dòng)機(jī)；與上海柴油機(jī)廠的6135型柴油機(jī)；與貴州柴油機(jī)廠的6135A/8V135發(fā)動(dòng)機(jī)；濟(jì)南柴油機(jī)廠12V190發(fā)動(dòng)機(jī)；與北京二七機(jī)車廠的12240柴油機(jī)；與天津動(dòng)力機(jī)廠的6130柴油機(jī)配套使用，其調(diào)速性能可達(dá)到國(guó)軍標(biāo)二類甚至是一類電站的指標(biāo)。上海船舶研究所的PD一型調(diào)速器和711所生產(chǎn)的

10、ESA1000A型調(diào)速器己廣為柴油機(jī)使用，性能和可靠性都不錯(cuò)，穩(wěn)態(tài)調(diào)頻率指標(biāo)可達(dá)1%以內(nèi)甚至更好，瞬態(tài)指標(biāo)也有大幅度的提高。 70年代以來(lái)，微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)使現(xiàn)代科學(xué)研究得到了質(zhì)的飛躍，繼而出現(xiàn)的DSP技術(shù)是現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域的一次新的技術(shù)革命。正是電子技術(shù)及微處理機(jī)的突飛猛進(jìn)的發(fā)展，為柴油機(jī)電子控制系統(tǒng)提供了有力的技術(shù)保證。隨著微處理器技術(shù)和現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的調(diào)速也從傳統(tǒng)的模擬技術(shù)轉(zhuǎn)向數(shù)字控制。數(shù)字式控制器具有算法靈活、精度高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，自九十年代中期以來(lái)在發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域逐漸推廣。 同時(shí)我們需要監(jiān)測(cè)柴油發(fā)電機(jī)組的一些狀態(tài)參數(shù)，如水溫，油壓并對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行保護(hù)，在油壓過(guò)低和水溫過(guò)高

11、時(shí)機(jī)組自動(dòng)停機(jī)并進(jìn)行報(bào)警。狀態(tài)參數(shù)的檢測(cè)是通過(guò)專用的傳感器，如壓力傳感器，溫度傳感器。1-4,16,171.2柴油發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)電子調(diào)速器與指針儀表組成的監(jiān)控系統(tǒng) 此系統(tǒng)通過(guò)電子調(diào)速器和指針儀表來(lái)完成柴油發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速控制及參數(shù)監(jiān)測(cè)。它主要由三部分組成。 1轉(zhuǎn)速控制部分 電子調(diào)速器主要為模擬電路，它將采集到的轉(zhuǎn)速信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后，與設(shè)定的轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，根據(jù)比較的結(jié)果相應(yīng)的送出控制信號(hào)給執(zhí)行器。通過(guò)執(zhí)行器拉動(dòng)柴油機(jī)的油門(mén)，使柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化。 2柴油發(fā)電機(jī)組參數(shù)檢測(cè) 柴油發(fā)電機(jī)組的參數(shù)(如油壓、水溫、轉(zhuǎn)速等)的檢測(cè)主要是通過(guò)指針儀表來(lái)完成。各參數(shù)傳感器將所獲得的信號(hào)送入相應(yīng)的指針儀表，指針儀

12、表根據(jù)獲得的信號(hào)指示出相應(yīng)的讀數(shù)。 3柴油發(fā)電機(jī)組的參數(shù)報(bào)警 柴油發(fā)電機(jī)組各參數(shù)傳感器將獲得的信號(hào)送入報(bào)警電路中，當(dāng)某一參數(shù)信號(hào)超過(guò)其報(bào)警上限時(shí)，報(bào)警電路送出報(bào)警信號(hào)。對(duì)于這種監(jiān)控系統(tǒng)，柴油發(fā)電機(jī)組的啟動(dòng)方式主要采用的是手動(dòng)，通過(guò)啟動(dòng)基于DSP的柴油發(fā)電機(jī)組的控制器的設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)來(lái)啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組。由于這種監(jiān)控系統(tǒng)未具備自啟動(dòng)方式，因此它主要用于自動(dòng)化程度要求不高的備用電源?？删幊绦蚩刂破?PLC)隨著社會(huì)的發(fā)展，一些部門(mén)對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)化程度要求越來(lái)越高，比如醫(yī)院、通訊部門(mén)、大型樓宇等。這些部門(mén)要求柴油發(fā)電機(jī)組在市電出現(xiàn)異常情況后十幾秒內(nèi)送出電，當(dāng)市電恢復(fù)正常后，柴油發(fā)電機(jī)組能自動(dòng)停機(jī)。為滿

13、足這種要求，柴油發(fā)電機(jī)組需具備自啟動(dòng)、停機(jī)裝置。傳統(tǒng)的自啟動(dòng)、停機(jī)裝置采用的是若干中間繼電器、時(shí)間繼電器組成邏輯電路，有的還包括復(fù)雜的定時(shí)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)和速度繼電器等，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障率高，現(xiàn)已被逐步淘汰?，F(xiàn)己逐步發(fā)展以可編程序控制器(PLC)為主的柴油發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)。 它主要由以下三部分組成： 1外圍處理電路 對(duì)于輸入信號(hào)，經(jīng)過(guò)外圍處理電路的處理后，變成可編程序控制器(PLC)能接收的信號(hào)。對(duì)于輸出信號(hào)，經(jīng)過(guò)隔離、驅(qū)動(dòng)放大電路變成外圍設(shè)備能接收的信號(hào)。 2可編程序控制器(PLC) 可編程序控制器(PLC)是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，它通過(guò)監(jiān)視市電電壓來(lái)完成柴油發(fā)電機(jī)組的自啟動(dòng)、自停機(jī)。通過(guò)對(duì)

14、柴油發(fā)電機(jī)組參數(shù)的處理，通過(guò)采集到的轉(zhuǎn)速與設(shè)定的轉(zhuǎn)速比較，來(lái)決定是升速還是降速。 3顯示器為實(shí)時(shí)顯示柴油發(fā)電機(jī)組參數(shù)，采用LCD顯示器能監(jiān)視整個(gè)機(jī)組的運(yùn)行狀況?？删幊绦蚩刂破?PLC)將需顯示的信號(hào)通過(guò)RS485接口傳給LCD顯示器。 可編程序控制器(PLC)控制系統(tǒng)的主要功能如下： 1能自動(dòng)維持機(jī)組的準(zhǔn)啟動(dòng)狀態(tài)。 2能實(shí)現(xiàn)機(jī)組的急啟、自啟。 3市電故障后的機(jī)組自啟動(dòng)。 4三次啟動(dòng)。 5能夠自動(dòng)調(diào)整頻率、電壓，但需電壓調(diào)節(jié)器。 6市電恢復(fù)后的市電機(jī)電轉(zhuǎn)換。 7能實(shí)時(shí)顯示機(jī)組的工作狀態(tài)及參數(shù)。如：?jiǎn)?dòng)、怠速運(yùn)行、市電恢復(fù)確認(rèn)、 停機(jī)等狀態(tài)各類報(bào)警信號(hào)：過(guò)速、油壓低、水溫高、過(guò)壓、欠壓、過(guò)頻、欠頻

15、、過(guò)流、短路、啟動(dòng)故障。 8手動(dòng)、自動(dòng)切換。專用控制器 專業(yè)控制器是以微處理器為核心，將發(fā)電機(jī)電壓、柴油機(jī)轉(zhuǎn)速及水溫、油溫、油壓、過(guò)流、短路等信號(hào)，通過(guò)取樣變換輸入微機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組的自啟動(dòng)、自投入及各種故障保護(hù)報(bào)警功能?？刂破髦饕扇糠纸M成：(1)電機(jī)控制部分，主要包括電壓調(diào)節(jié)裝置、過(guò)載、短路保護(hù)單元和電壓調(diào)節(jié)器等。(2)柴油機(jī)控制部分，主要由啟動(dòng)、停機(jī)操作、電子調(diào)節(jié)器及液晶顯示模塊等部分組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。(3)微機(jī)控制部分，該部分是柴油發(fā)電機(jī)組自動(dòng)控制的核心，主要由主機(jī)控制單元、信號(hào)檢測(cè)單元、功率驅(qū)動(dòng)單元、參數(shù)顯示單元和電源單元等組成。其框圖如圖所示 專業(yè)控

16、制器控制系統(tǒng)主要功能如下： 1具有自動(dòng)、手動(dòng)、實(shí)驗(yàn)三種運(yùn)行模式。 2可以對(duì)發(fā)電機(jī)及市網(wǎng)的相(線)電壓、電流、頻率、轉(zhuǎn)速、功率、溫度、 壓力等情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，無(wú)需外接儀表。對(duì)過(guò)速、油壓低、水溫高、過(guò)壓、欠壓、過(guò)頻、欠頻、過(guò)流、短路、啟動(dòng)等故障能實(shí)時(shí)報(bào)警。 3可通過(guò)對(duì)機(jī)組輸出電壓及頻率與設(shè)定值的比較進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，無(wú)需外加 電壓頻率控制器。 4能自動(dòng)維持機(jī)組的準(zhǔn)啟動(dòng)狀態(tài)。 5能實(shí)現(xiàn)機(jī)組的急啟、自啟動(dòng)。6能實(shí)現(xiàn)機(jī)組與市電的自動(dòng)切換7具有可編程的故障輸入口，可對(duì)故障類型、報(bào)警及相關(guān)參數(shù)自由編程。1.3課題的研究主要內(nèi)容 本文主要以DSP2407處理器為核心，建立了對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制和狀態(tài)參數(shù)

17、的進(jìn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)模塊軟硬件模塊的具體實(shí)現(xiàn)。相對(duì)傳統(tǒng)的模擬調(diào)速系統(tǒng)，數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)具有更高的控制精度，更小的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，更快的反應(yīng)時(shí)間和更高的穩(wěn)定性。具體研究?jī)?nèi)容如下： 1、以DSP芯片為核心建立柴油發(fā)電機(jī)組的硬件系統(tǒng)。 2、變速積分、不完全微分和模糊自適應(yīng)PID控制在調(diào)速系統(tǒng)中的研究。 3、對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行調(diào)速特性和模型分析。1.4課題研究的意義1我國(guó)現(xiàn)階段柴油發(fā)電機(jī)組的數(shù)字控制器方面技術(shù)還比較落后，功能也很單一，品種少，我們研究的控制器具有數(shù)字調(diào)速功能，這對(duì)發(fā)展柴油發(fā)電機(jī)組的電控化具有指導(dǎo)作用。2隨著DSP技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，而柴油發(fā)電機(jī)組作為重要的應(yīng)急電源，利用DSP強(qiáng)大的數(shù)據(jù)

18、處理能力和先進(jìn)的電力電子技術(shù)進(jìn)行柴油發(fā)電機(jī)組的實(shí)時(shí)監(jiān)控是有現(xiàn)實(shí)意義的，為柴油發(fā)電機(jī)組的全面自動(dòng)化打好基礎(chǔ)。第二章控制系統(tǒng)的硬件介紹和設(shè)計(jì)2.1控制系統(tǒng)的的總體方案設(shè)計(jì) 以微處理器為核心的控制系統(tǒng)是柴油發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，我們采用以DSP為核心的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組的參數(shù)檢測(cè)，同時(shí)對(duì)發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速進(jìn)行閉環(huán)控制，特點(diǎn)是所有控制通過(guò)控制程序來(lái)完成，總的來(lái)說(shuō)轉(zhuǎn)速控制分為三部分，轉(zhuǎn)速的輸入，控制調(diào)節(jié)，和執(zhí)行器的輸出，我們通過(guò)測(cè)得的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)整輸出，算法上采用數(shù)字PID控制，這是比較成熟的算法。我們要實(shí)現(xiàn)的是控制器要有以下功能： 1對(duì)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)閉環(huán)的PID控制。 2對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組的狀態(tài)參數(shù)的檢

19、測(cè)和顯示。 3通過(guò)鍵盤(pán)對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。 4對(duì)油壓低、水溫高進(jìn)行報(bào)警和跳閘保護(hù)。 下面是控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖所示：2.2主控模塊我們主控模塊采用TMS320LF2407A的DSP, TMS320LF2407A是美國(guó)TI公司推出的新型高性能16位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器，它專門(mén)為數(shù)字控制設(shè)計(jì)，集DSP的高速信號(hào)處理能力及適用控制的優(yōu)化外圍電路于一體，在數(shù)字控制系統(tǒng)中得以廣泛的應(yīng)用。具體有以下特點(diǎn)： .采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，使得供電電壓降為3. 3V，減少了控制器的功耗；30MIPS的執(zhí)行速度使得指令周期縮短到33ns，從而提高了控制器的實(shí)時(shí)控制能力。 .片內(nèi)有高達(dá)32K字的FLASH程序存儲(chǔ)

20、器，高達(dá)1. 5K字的數(shù)據(jù)/程序RAM，544字雙口RAM (DARAM)和2K字的單口RAM (SARAM)。 .兩個(gè)事件管理模塊EVA和EVB，每個(gè)包括：兩個(gè)16位通用定時(shí)器；比較單元、捕獲單元以及正交編碼脈沖電路。 .可擴(kuò)展的外部存儲(chǔ)器總共192K字空間：64K字程序存儲(chǔ)器空間；64K字?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間；64K字工/0空間。 .看門(mén)狗定時(shí)模塊(WDT)。 .10位的A/ /D轉(zhuǎn)換器最小轉(zhuǎn)換時(shí)間為500ns，可選擇由兩個(gè)事件管理器來(lái)觸發(fā)兩個(gè)8通道輸入A/D轉(zhuǎn)化器或一個(gè)16通道輸入的A/D轉(zhuǎn)換器。 .控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN) 2. 0B模塊。 .串行通訊接口(SCI)模塊，支持CPU與其他使用

21、標(biāo)準(zhǔn)格式的異步外設(shè)之間的數(shù)字通信。 .16位的串行外設(shè)(SP工)模塊，它是一個(gè)帶4個(gè)引腳的高速、同步串行1/0口，它允許長(zhǎng)度可編程的串行位流(1-16位)以可編程的位傳輸速度移入或移出器件。 .基于鎖相環(huán)的時(shí)鐘發(fā)生器。 .高達(dá)40 個(gè)可單獨(dú)編程或復(fù)用的通用輸入/輸出引腳(GPI0)。 .5個(gè)外部中斷(兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)保護(hù)、復(fù)位和兩個(gè)可屏蔽中斷)。 .電源管理包括3種低功耗模式，能獨(dú)立的將外設(shè)器件轉(zhuǎn)入低功耗模式。 TMS320LF2407A是我們整個(gè)系統(tǒng)的核心，它從捕獲口獲得柴油發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速信號(hào)，在一個(gè)采樣周期中，根據(jù)通用定時(shí)器的數(shù)值來(lái)計(jì)算柴油發(fā)電機(jī)組的基于DSP的柴油發(fā)電機(jī)組的控制器的設(shè)計(jì)實(shí)際轉(zhuǎn)

22、速，DSP把實(shí)際轉(zhuǎn)速和設(shè)定轉(zhuǎn)數(shù)比較，通過(guò)模糊自適應(yīng)的參數(shù)調(diào)整，然后進(jìn)行PID運(yùn)算，給出控制電壓，控制執(zhí)行器動(dòng)作，改變噴油量，從而控制柴油發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速。同時(shí)通過(guò)TMS320LF2407A的A/D模塊，獲得柴油發(fā)電機(jī)組的狀態(tài)參數(shù)(水溫，油壓)，通過(guò)TMS320LF2407A的處理，通過(guò)SCI模塊送顯示模塊，從而完成對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)測(cè)。11, 12, 142.3轉(zhuǎn)速控制的實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)的速度控制對(duì)輸出電的品質(zhì)有極大的影響，因此必須進(jìn)行準(zhǔn)確的速度控制。柴油發(fā)電機(jī)組調(diào)速的基本原理是通過(guò)速度信號(hào)傳感器檢測(cè)出轉(zhuǎn)速的變化，通過(guò)電子調(diào)速器的控制，有執(zhí)行器帶動(dòng)油門(mén)拉桿，調(diào)節(jié)供油量大小，從而實(shí)現(xiàn)

23、轉(zhuǎn)速的控制。該調(diào)速系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)速檢測(cè)單元、電子調(diào)速器單元及執(zhí)行機(jī)構(gòu)等部分組成。檢測(cè)部分主要是由轉(zhuǎn)速電磁傳感器及飛輪齒圈組成的，電磁傳感器從飛輪齒圈測(cè)得發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，并將其變換成與轉(zhuǎn)速成正比的脈沖信號(hào)輸入給電子調(diào)速器，電子調(diào)速器將轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速進(jìn)行對(duì)比，并進(jìn)行相應(yīng)的控制運(yùn)算，再由功率輸出環(huán)節(jié)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)改變供油量大小，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖所示：轉(zhuǎn)速的測(cè)量對(duì)于轉(zhuǎn)速的測(cè)量我們首先通過(guò)轉(zhuǎn)速傳感器獲得轉(zhuǎn)速信號(hào)，然后通過(guò)整型和光電隔離進(jìn)入TMS320LF2407A的捕獲輸入口。這是應(yīng)用了DSP的事件管理模塊的捕獲單元來(lái)實(shí)現(xiàn)的，捕獲單元在DSP的捕獲引腳上出現(xiàn)跳變時(shí)被觸發(fā)，這是通過(guò)通用定時(shí)器作為時(shí)基

24、來(lái)進(jìn)行的。執(zhí)行器的控制電磁執(zhí)行器所需的控制信號(hào)為PWM信號(hào)，產(chǎn)生PWM信號(hào)有兩種方式。一種是通過(guò)軟件的方式產(chǎn)生，另一種是通過(guò)硬件方式產(chǎn)生。在這里我們通過(guò)硬件方式產(chǎn)生。DSP通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生轉(zhuǎn)速控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)PWM功率放大電路產(chǎn)生能驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器的PWM信號(hào)。我們先介紹DSP和DA轉(zhuǎn)換芯片的連接18， 40 2407應(yīng)用板上提供了一個(gè)四通道12一位，雙緩沖的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器DAC7625,四個(gè)DAC通道和DAC轉(zhuǎn)換啟動(dòng)寄存器映射在LF2407的工，%0空間。下圖是它的功能框圖： 它的工作時(shí)序如下圖所示：DAC7625通過(guò)芯片TLC2272引到輸出端口上，TLC2272是雙運(yùn)放，結(jié)構(gòu)如圖所示。27

25、-30電磁執(zhí)行器我們選用美國(guó)GAC公司的ADC120，它的特性如下：1具有1.0磅扭力2 25°旋轉(zhuǎn)角3、反應(yīng)速度快于32毫秒，可用于達(dá)到150匹馬力的低摩擦燃油泵，適用于螺旋式、小型直列油泵、小型化油器。4電壓范圍可為12V或24V。接收的信號(hào)為Pu'M信號(hào)。 它通過(guò)連桿與柴油機(jī)的油門(mén)相連。ADC120電磁執(zhí)行器為愷裝式直流比例電磁鐵，其加油方向與繞組內(nèi)控制電流成比例，減油方向的復(fù)位力由油門(mén)復(fù)位彈簧產(chǎn)生，當(dāng)二力相等時(shí)，輸出軸位于相應(yīng)平衡位置；若增大控制電流，則輸出軸向加油方向運(yùn)動(dòng)，反之則向減油方向運(yùn)動(dòng)。2. 4 A/D模塊 TMS320LF2407A提供16路、10位ADC

26、模塊。每個(gè)ADC通道的最大轉(zhuǎn)換時(shí)間是500nS. ADC模塊的高低參考電平分別為+3. 3V和0V。我們主要采樣的水溫，油壓信號(hào)，通過(guò)傳感器和變換電路變成電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波，在通過(guò)運(yùn)放把電壓由0-5V的電壓轉(zhuǎn)變?yōu)镈SP的AD通道可以接受的0-3.3V電壓，再經(jīng)過(guò)DSP處理數(shù)字顯示出來(lái)。我們先介紹它的傳感器和處理電路。我們主要對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組的水溫和油壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)和顯示，當(dāng)其超過(guò)一定值時(shí)進(jìn)行報(bào)警。由于對(duì)精度要求不高我們采用簡(jiǎn)單的分壓電路來(lái)獲得電壓信號(hào)。我們采用的是上海超導(dǎo)傳感器廠的溫度和壓力傳感器，通過(guò)傳感器和變換電路將柴油發(fā)電機(jī)組的溫度和壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，然后在A/D模塊的作用下將獲得的電壓

27、信號(hào)轉(zhuǎn)變成DSP需要的數(shù)字信號(hào)，通過(guò)DSP處理，將發(fā)電機(jī)組的水溫和油壓顯示出來(lái)。對(duì)于水溫測(cè)量，我們采用熱電阻傳感器，它是利用轉(zhuǎn)換元件電磁參量隨溫度變化的特征，對(duì)溫度和與溫度有關(guān)的參量進(jìn)行檢測(cè)的裝置。熱電阻測(cè)溫法是利用金屬的電阻隨溫度變化這一特征來(lái)測(cè)量的。它方便可靠，所以我們對(duì)水溫的測(cè)量用熱電阻傳感器，對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組的油壓我們采用常用的壓阻傳感器。它體積小、靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好等特點(diǎn)而廣泛用于壓力、液位等物理量的測(cè)量，它是以半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)為原理進(jìn)行測(cè)量的，就是指半導(dǎo)體材料在某方向受力時(shí)，它的電阻率發(fā)生顯著變化。這就是我們通常所說(shuō)的壓阻效應(yīng)。對(duì)于壓阻式傳感器，我們需要注意的是它受到溫度影響后

28、產(chǎn)生的零點(diǎn)溫度漂移和靈敏度溫度漂移。廠商對(duì)傳感器進(jìn)行了標(biāo)定，對(duì)溫度傳感器表定了不同溫度對(duì)應(yīng)的的電阻值。對(duì)于壓力傳感器標(biāo)定了不同壓力對(duì)應(yīng)不同的的阻值。如表2-1, 2-2所示： 從運(yùn)放出來(lái)的信號(hào)就進(jìn)入DSP的模擬輸入通道，采用級(jí)連工作方式來(lái)進(jìn)行AD采樣，ADC模塊能夠序列轉(zhuǎn)換并進(jìn)行自動(dòng)排序?？赏ㄟ^(guò)模擬輸入通道的多路選擇器來(lái)選擇要轉(zhuǎn)換的通道。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，轉(zhuǎn)換后的數(shù)值結(jié)果保存在該通道相應(yīng)的結(jié)果寄存器中?？梢杂枚鄠€(gè)觸發(fā)源啟動(dòng)A/ D轉(zhuǎn)換，在給定的排序方式下，4個(gè)排序控制器(CHSELSEQn)決定了模擬通道轉(zhuǎn)換的順序。而且可以對(duì)同一個(gè)通道進(jìn)行“過(guò)采樣”，這樣得到的采樣結(jié)果是比傳統(tǒng)的采樣結(jié)果分辨率高。下

29、圖是DSP2407的ADC在級(jí)連工作方式下自動(dòng)排序的結(jié)構(gòu)框圖。基于DSP的柴油發(fā)電機(jī)組的控制器的設(shè)計(jì)表2-1水溫傳感器溫度和阻值的關(guān)系溫度(0C)406080100120150電阻值（）440246133774725表2-2油壓傳感器壓強(qiáng)和阻值的關(guān)系油壓(MPa)00.20.40.60.81.0電阻值（）1049881191491782.5顯示模塊液晶模塊介紹 為掌握柴油發(fā)電機(jī)組的工作狀況和方便現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試人員。我們需對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組的各種狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行顯示。常用的顯示方式有下列幾種： 1采用機(jī)械儀表的方式。 2采用LED顯示。 3采用LCD顯示。 4采用CRT顯示器如果采用機(jī)械儀表顯示，讀數(shù)有一定的

30、誤差。采用LED顯示雖然解決了讀數(shù)問(wèn)題，但不是很直觀。采用CRT顯示雖然解決了以上問(wèn)題，但現(xiàn)場(chǎng)的電磁場(chǎng)較強(qiáng)，CRT受到電磁場(chǎng)的影響較大。因此我們顯示模塊采用LCD顯示。 液晶終端SP-4DSC的性能指標(biāo)如下： 1顯示點(diǎn)陣：320 X 240象素 2顯示顏色：?jiǎn)紊?3工作電壓：DC5V 4最大功耗：5V X 950mA S作溫度：-20 °-60 ° 6相對(duì)濕度： 60%液晶的串行接口介紹： 液晶終端內(nèi)置微處理器，它能與控制板或者計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊。它的串行接口引腳功能如下表2-3所示需要顯示的狀態(tài)參數(shù)通過(guò)DSP送給液晶終端。具體的控制命令可以通過(guò)液晶的使用說(shuō)明書(shū)獲得，這在我們編

31、寫(xiě)液晶模塊程序時(shí)要用到，硬件上先通過(guò)MAX232芯片，再和液晶的數(shù)據(jù)接收口和地線相連，具體的連接。 TMS320LF2407A和液晶模塊的連接 我們采用TMS320LF2407的SCI模塊和液晶模塊通訊，DSP上的SCITXD和SC工RXD通過(guò)M,AX232與液晶模塊通訊，由于液晶模塊只用于顯示，我們只用DSP的發(fā)送口和液晶的接收口就可以了，DSP上采用的是TTL電平，液晶上采用RS232C的EIA標(biāo)準(zhǔn)電平，這就需要電平轉(zhuǎn)換，于是我們采用符合RS232標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)芯片MAX232，實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，也就是說(shuō)將5V電平表示為“1 ", OV電平表示為“0”的邏輯轉(zhuǎn)換為-3到-15V表示為“1

32、”，+3到+15V表示為“0”的邏輯，其中MAX232主要有以下特點(diǎn)： .5V電源供電 .傳輸速度大于120Kbit/S .雙接收和雙發(fā)送 .功耗低，集成度高。 2. 6 DSP和外部RAM的連接DSP需要擴(kuò)展外部RAM，這里我們選用CYPRESS公司的CY7C1021芯片。外部RAM芯片CY7C1021的介紹CY7C1021芯片的特點(diǎn)：13. 3V下運(yùn)行 2低功耗一576Mw (Max) 3當(dāng)沒(méi)有被選擇是自動(dòng)斷電源 4高位和低位的獨(dú)立控制 功能描述： CY7C102lV是高效的CMOS靜態(tài)RAM，當(dāng)它未被選擇是它自動(dòng)降低功耗，當(dāng)對(duì)它進(jìn)行寫(xiě)操作是，首先對(duì)它的片選端和寫(xiě)使能端輸入低電壓，低字節(jié)使

33、能端有效時(shí)，數(shù)據(jù)從I/O引腳(0-7)進(jìn)入地址線A0-A15指定的地址。高字節(jié)使能端有效是數(shù)據(jù)從I/O引腳(8-115)進(jìn)入地址線A0-A15指定的地址。對(duì)它進(jìn)行讀操作是通過(guò)對(duì)它的片選端和讀使能端輸入低電壓，同時(shí)使得寫(xiě)使能端為高，如果低字節(jié)使能端為有效為低時(shí)，數(shù)據(jù)會(huì)從A0-A15指定的地址讀到I/O引腳(0-7)上，如果高字節(jié)使能端為有效高時(shí)，數(shù)據(jù)會(huì)從A0-A15指定的地址讀到I/O引腳(8-15)上。當(dāng)片選端為高電平時(shí)，輸入輸出引腳處于高阻抗。引腳結(jié)構(gòu)圖如圖所示。2. 6. 2 DSP和CY7C1021的接口 DSP通過(guò)16根數(shù)據(jù)線和16根地址線與CY7C1021連接，同時(shí)使用了DSP的數(shù)據(jù)

34、空間選通引腳DS，讀使能引腳RD和寫(xiě)使能引腳WE，連接接口。2.7鍵盤(pán)處理模塊我們使用鍵盤(pán)來(lái)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試PID控制中的三個(gè)參數(shù)Kp, hi, Kd。完善調(diào)速功能。具體我們使用DSP的數(shù)字輸入輸出模塊進(jìn)行鍵盤(pán)的設(shè)計(jì)。我們?cè)O(shè)置I0PD0,I0PF2I0PF6作為六個(gè)按鍵的輸入口，把它們?cè)O(shè)置為一般I/O口，并且為輸入方式，通過(guò)鍵盤(pán)掃描進(jìn)行PID參數(shù)的調(diào)節(jié)。 2.8報(bào)警和跳閘模塊當(dāng)柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組的狀態(tài)參數(shù)(轉(zhuǎn)速、缸溫、油溫等)超過(guò)一定的極限時(shí)，DSP應(yīng)當(dāng)發(fā)出報(bào)警和跳閘信號(hào)，通過(guò)報(bào)警和跳閘電路產(chǎn)生報(bào)警和跳閘。報(bào)警和跳閘模塊的功能在于保護(hù)柴油發(fā)電機(jī)組，同時(shí)確保輸出電的品質(zhì)。通過(guò)DSP的數(shù)字I/O端口來(lái)輸出報(bào)警

35、和跳閘信號(hào)。第三章 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 數(shù)字控制系統(tǒng)與模擬控制系統(tǒng)相比其優(yōu)越性在于，系統(tǒng)的主要功能是由軟件實(shí)現(xiàn)的，與硬件的關(guān)系不大。這樣在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，硬件可以是采用模塊化結(jié)構(gòu)，然后根據(jù)需要在硬件設(shè)計(jì)的最小系統(tǒng)上添加功能模塊。而其功能的實(shí)現(xiàn)可以通過(guò)軟件來(lái)靈活掌握，因此軟件設(shè)計(jì)在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中占有非常重要的地位，在相同的硬件基礎(chǔ)上可以實(shí)現(xiàn)多種功能。并且開(kāi)發(fā)人員不需要為了增加某些功能而重新設(shè)計(jì)電路，節(jié)約了大量的時(shí)間，并且系統(tǒng)具有較強(qiáng)的連續(xù)開(kāi)發(fā)能力。3. 1 DSP2407的開(kāi)發(fā)環(huán)境和應(yīng)用程序 在設(shè)計(jì)TI公司的2000系列的控制系統(tǒng)時(shí)，使用C語(yǔ)言或C語(yǔ)言與匯編語(yǔ)言混合編程開(kāi)發(fā)DSP應(yīng)用程序可以達(dá)到

36、事半功倍的效果。C語(yǔ)言在滿足控制應(yīng)用程序運(yùn)行速度的基礎(chǔ)上可以更好地維護(hù)程序和移植程序，是開(kāi)發(fā)控制系統(tǒng)的必然趨勢(shì)。 采用CCS (Code Composer Studio)作為我們開(kāi)發(fā)DSP芯片的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，它采用Windows風(fēng)格界面，集編輯、編譯、鏈接、軟件仿真、硬件調(diào)試及實(shí)時(shí)跟蹤等功能為一體，極大的方便了DSP程序的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。我們采用的是V2.0版本。它的功能如圖3-1所示：9,10,43,44主控程序 主控程序是DSP程序的框架部分，是控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成，它包括如下流程圖所示，包括系統(tǒng)的初始化，各部分子功能的激活和初始化鍵盤(pán)處理和個(gè)部分相互調(diào)用的軟件接口。如上圖所示我們得到系統(tǒng)的主程

37、序框圖出來(lái)后，我們就要具體的編寫(xiě)各個(gè)子模塊了，下面分別介紹一些主要的模塊。15,25,26初始化子程序 我們的初試化程序主要是對(duì)DSP系統(tǒng)參數(shù)的初始化，事件管理模塊的初始化和串行通訊的初始化。其程序框圖如圖所示。3. 1. 3 A/D轉(zhuǎn)換程序 我們采用DSP目帶的具有16路輸入的A/D轉(zhuǎn)換模塊作為對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組的狀態(tài)參數(shù)(水溫，油壓)進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)設(shè)定轉(zhuǎn)換通道和順序，通過(guò)調(diào)濾波子程序，得到柴油發(fā)電機(jī)組的狀態(tài)參數(shù)，同時(shí)調(diào)用報(bào)警判斷子程序來(lái)決定是否柴油發(fā)電機(jī)組的狀態(tài)參數(shù)超過(guò)了設(shè)定范圍。程序框圖如圖所示。濾波子程序 這個(gè)子程序主要是為了對(duì)A/D測(cè)量值進(jìn)行處理的，消除誤差干擾的影響，我們采用簡(jiǎn)單的平均

38、值濾波法。其程序框圖如圖所示。轉(zhuǎn)速控制模塊子程序 .1模糊控制的基本原理 模糊控制是以模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)智能控制，模糊控制器的控制規(guī)律由計(jì)算機(jī)的程序?qū)崿F(xiàn)。實(shí)現(xiàn)一步模糊控制算法的過(guò)程如下：計(jì)算機(jī)中斷采樣獲取被控量的精確值，然后將此量與給定值比較得到誤差信號(hào)E，一般選誤差信號(hào)E作為模糊控制器的一個(gè)輸入量。把誤差信號(hào)E的精確量進(jìn)行模糊化變成模糊量。誤差E的模糊量可以用相應(yīng)的模糊語(yǔ)言表示，得到誤差E的模糊語(yǔ)言集合的一個(gè)子集e (e是一個(gè)模糊矢量)，再由e和模糊控制規(guī)則R(模糊算子)根據(jù)推理的合成規(guī)則進(jìn)行模糊決策，得到模糊控制量u： u=e。R.2模糊控制算法的實(shí)現(xiàn) 人

39、們應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)的基本理論和方法，把規(guī)則條件、操作用模糊集表示，并把這些模糊規(guī)則及相關(guān)信息作為知識(shí)存入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)根據(jù)控制的實(shí)際響應(yīng)情況，運(yùn)用模糊推理，可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的最佳調(diào)整，這就是模糊自適應(yīng)控制。 我們采用自適應(yīng)模糊控制，通過(guò)轉(zhuǎn)速控制模塊實(shí)現(xiàn)我們的算法，實(shí)現(xiàn)參數(shù)自調(diào)整。自適應(yīng)模糊PID控制器以誤差e和誤差變化ec為輸入，可以滿足不同時(shí)刻的e和ec對(duì)PID參數(shù)自整定的要求。利用模糊控制規(guī)則在線對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行修改，便構(gòu)成的自適應(yīng)模糊PID控制器，其結(jié)構(gòu)圖如3-4所示。 PID參數(shù)模糊自整定是找出PID三個(gè)參數(shù)與e和ec的模糊關(guān)系，在運(yùn)行中通過(guò)不斷檢測(cè)e和ec，根據(jù)模糊控制原理來(lái)對(duì)三個(gè)參

40、數(shù)進(jìn)行在線修改，以滿足不同e和ec時(shí)對(duì)控制參數(shù)的不同要求，而使被控對(duì)象有良好的動(dòng)靜態(tài)性能。具體來(lái)說(shuō)就是我們先離線建立PID控制三個(gè)參數(shù)的查詢表，存儲(chǔ)到DSP中，編制一個(gè)查詢子程序，在實(shí)際控制時(shí)，我們?cè)谝粋€(gè)控制周期中，將獲得的實(shí)際誤差轉(zhuǎn)速和它的變化分別乘以它們的量化因子，取得相應(yīng)論域元素所需要的值后，通過(guò)查找表中相應(yīng)的行和列，可立刻得到控制變化量kp, ki, kd，得到實(shí)際的控制量變化值，然后進(jìn)行常規(guī)的PID控制，實(shí)現(xiàn)我們轉(zhuǎn)速的控制。它的程序流程框圖如圖所示。第四章 柴油發(fā)電機(jī)組的調(diào)速系統(tǒng)模型 通過(guò)TMS320LF2407對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行速度控制我們需要建立柴油發(fā)電機(jī)組的調(diào)速系統(tǒng)模型，建立系

41、統(tǒng)模型后我們可以對(duì)它用MATLAB的SIMULINK對(duì)它進(jìn)行仿真研究，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。研究不同參數(shù)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程品質(zhì)的影響，為進(jìn)一般改進(jìn)和設(shè)計(jì)算法提供依據(jù)。4.1柴油發(fā)電機(jī)組的調(diào)速系統(tǒng)模型柴油機(jī)模型 柴油機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，影響因素眾多，而且存在大量的非線性因素，因此用數(shù)學(xué)方法對(duì)其特性加以準(zhǔn)確描述具有很大困難，在建模分析中需要做很多假設(shè)和簡(jiǎn)化處理.柴油機(jī)的輸入量是執(zhí)行器的輸出軸位移，輸出量是柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速，國(guó)內(nèi)外有關(guān)研究人員在柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真分析計(jì)算方面做了不少的工作，采用的柴油機(jī)模型一般是一階慣性環(huán)節(jié)，加延遲環(huán)節(jié)-rS，實(shí)驗(yàn)證明

42、能達(dá)到一定的精度。 電磁執(zhí)行器模型電磁執(zhí)行器實(shí)質(zhì)上是螺線管型直流線性比例電磁鐵.采用階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)建立了電磁執(zhí)行器的無(wú)量綱化模型，執(zhí)行器是將調(diào)速器的輸出電壓轉(zhuǎn)換為與輸入信號(hào)成比例的輸出軸位移。定義執(zhí)行器的時(shí)間常數(shù)位T，增益位K，它的傳遞函數(shù)為：轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié) 數(shù)字式電子調(diào)速器的轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)主要是轉(zhuǎn)速傳感器和轉(zhuǎn)換電路，將轉(zhuǎn)速傳感器獲得的頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為方波脈沖信號(hào)，它的輸入是柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速，輸出量是與轉(zhuǎn)速度正比例的電壓信號(hào)，定義它的增益為K，傳遞函數(shù)可看作比例環(huán)節(jié)： G(S)=K4. 1. 4 PID環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)采用PID控制.輸入量是轉(zhuǎn)速偏差信號(hào)，輸出量是控制執(zhí)行器的控制電流。在計(jì)算機(jī)控制中使用數(shù)字P

43、ID控制，離散PID表達(dá)式為：4.2面向Simulink數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)框圖建立了柴油發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)的各模型后，我們用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，下面分別進(jìn)行介紹，首先介紹下常規(guī)PID控制，變速積分，不完全微分PID控制然后得出它們的系統(tǒng)仿真框圖。常規(guī)PID控制系統(tǒng)框圖的建立模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖所示。PID控制器是一種線性控制器。它根據(jù)給定值r(t)和實(shí)際輸出值c(t)構(gòu)成控制偏差：e(t)=r(t)-c(t) 將偏差的比例(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)

44、象進(jìn)行控制，故稱PID控制器。其控制規(guī)律為： 式中，u(t)為調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)；e(t)為調(diào)節(jié)器的偏差信號(hào)，等于測(cè)量值與給定值之差；KF為調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；TI為調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間；TD為調(diào)節(jié)器的微分時(shí)間。 PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：1)比例環(huán)節(jié)：即時(shí)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)e (t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差； 2)積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)Ti， Ti越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)；3)微分環(huán)節(jié)：反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)，并能在偏差信號(hào)值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期的修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)

45、作速度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間。5-6計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量。需要采用離散化方法，在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，采用數(shù)字PID控制。1.位置式PID控制算法：我們對(duì)式(4-2)進(jìn)行離散化處理，按模擬PID控制算法，以一系列的采樣點(diǎn)kT代表連續(xù)的時(shí)間t，以矩形法數(shù)值積分近相似代替積分，以一階后向差分近似代替微分，即：2.增量式PID控制算法：當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的是控制量的增量時(shí)采用增量式PID控制?？刂扑惴ㄈ缦拢菏奖硎镜趉次輸出的增量u (k)，即在第k-1次的基礎(chǔ)上增加(或減少的)量，所以上式叫做增量式PID控制算式。下面是它的系統(tǒng)仿真框圖，如圖所示：不完全微分PID控制系統(tǒng)的

46、建立 在PID控制中，微分信號(hào)的引入可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，但也容易引起高頻干擾，在誤差突變時(shí)尤其顯出微分項(xiàng)的不足。在控制算法中加入低通濾波器，則可使系統(tǒng)性能得到改善。微分環(huán)節(jié)反映了偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)，能在偏差信號(hào)值變得過(guò)大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，縮短調(diào)節(jié)時(shí)間，改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。但是微分環(huán)節(jié)對(duì)于干擾特別敏感，微分項(xiàng)僅在偏差突變后的第一個(gè)周期起激勵(lì)作用，對(duì)于時(shí)間常數(shù)較大的系統(tǒng)，其調(diào)節(jié)作用很小，不能達(dá)到超前控制誤差的目的，并且微分項(xiàng)的幅值KD一般較大，易造成微分項(xiàng)的過(guò)大過(guò)快變化，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全。系統(tǒng)對(duì)微分項(xiàng)的要求是微分項(xiàng)輸出在偏差突變后的第一個(gè)周

47、期不能過(guò)大，并隨時(shí)間的推移逐步衰減而不是在下一個(gè)周期就不起作用。為此，本文將微分項(xiàng)分為兩部分，一部分是對(duì)當(dāng)前偏差的部分微分，另一部分是前一次微分輸出的衰減余量。因?yàn)檫@種微分項(xiàng)計(jì)算只是對(duì)當(dāng)前偏差進(jìn)行部分微分，所以這種方法又叫不完全微分。不完全微分的微分項(xiàng)計(jì)算公式為：其中a為微分衰減率，(0< a<1)；式中的前部分為對(duì)本次偏差的不完全微分，后部分為前一次微分輸出的衰減余量。顯然上式能滿足系統(tǒng)對(duì)微分項(xiàng)的要求。所以不完全微分能有效克服完全微分的不足，具有較理想的控制特性。變速積分PID控制系統(tǒng)的建立 在普通的PID控制算法中，由于積分系數(shù)是常數(shù)，所以在整個(gè)控制過(guò)程中，積分增量不變。而系統(tǒng)

48、對(duì)積分項(xiàng)的要求是，系統(tǒng)偏差大時(shí)積分作用應(yīng)減弱甚至全無(wú)，而在偏差小時(shí)則應(yīng)加強(qiáng)。積分系數(shù)大了會(huì)產(chǎn)生超調(diào)，甚至積分飽和，取小了又難以消除靜差。因此，如何根據(jù)系統(tǒng)偏差大小改變積分的速度，對(duì)于提高系統(tǒng)品質(zhì)是很重要的。變速積分可以較好的解決這一問(wèn)題。 變速積分PID的基本思想是，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，反之越快。 為此設(shè)置系數(shù)f(e(k)，它是e (k)的函數(shù)。當(dāng)|e(k)|增大時(shí)，f減小，反之增大。變速積分的PID積分項(xiàng)表達(dá)式為：系數(shù)f與偏差當(dāng)前值l e(k)的關(guān)系可以是線性的或非線性的，可設(shè)為：這種算法對(duì)A, B兩參數(shù)的要求不精確，參數(shù)整定較容易。模糊控制系

49、統(tǒng)仿真框圖的建立 最后是我們采用的模糊PID控制系統(tǒng)框圖，我們本文采用的自適應(yīng)模糊PID控制，它將目適應(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)DID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。.1模糊控制器的設(shè)計(jì) 根據(jù)柴油發(fā)電機(jī)組調(diào)速的特點(diǎn)和系統(tǒng)軟硬件資源，我們采用模糊自適應(yīng)PID控制，此控制是應(yīng)用數(shù)學(xué)的基本理論和方法，把規(guī)則的條件、操作用模糊集表示，并把這些模糊控制規(guī)則及有關(guān)信息作為知識(shí)

50、存入計(jì)算機(jī)知識(shí)庫(kù)中，然后計(jì)算機(jī)根據(jù)控制系統(tǒng)的實(shí)際響應(yīng)情況，運(yùn)用模糊推理，即可以實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)的最佳調(diào)整，這就是模糊自適應(yīng)PID控制。自適應(yīng)模糊控制PID控制器以誤差e和誤差變化ec作為輸入，可以滿足不同時(shí)刻的e和ec對(duì)PID參數(shù)自整定的要求。利用模糊控制規(guī)則基于DSP的柴油發(fā)電機(jī)組的控制器的設(shè)計(jì)在線對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行修改，便構(gòu)成了自適應(yīng)模糊PID控制器。 該系統(tǒng)中模糊控制器是對(duì)轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行采樣，以轉(zhuǎn)速偏差E和偏差變化率EC作為模糊控制器的輸入變量，Ki, Kp, Kd作為輸出的兩輸入三輸出得二維模糊控制器。其推理過(guò)程是由軟件實(shí)現(xiàn)的。 我們使用NZATLAB的模糊邏輯工具箱設(shè)計(jì)模糊控制器步驟如下

51、，主要以Kp為例說(shuō)明下我們建立的過(guò)程。 首先是模糊集和隸屬函數(shù)的建立。我們?cè)O(shè)定e, ec和u的模糊集均為NB, NM,NS, Z, PS, PM, PB，我們把被討論的對(duì)象的全體稱為論域，控制系統(tǒng)中誤差e和其變化ec的實(shí)際變化范圍，稱為誤差及其變化率語(yǔ)言變量的基本論域，分別記為-e e及-ec ec·輸出信號(hào)的基本論域定為-X, X，通常定義誤差，誤差變化率和控制量模糊子集的論域定義為： E=-n，-n+l,，0,，n-1, n EC= -m，-m+ 1.，0,，m-1, m U= -1，-1+1,，0,，1-1, 1 其中，n, m及1的值與論域劃分的等級(jí)有關(guān)。等級(jí)分得多，一般說(shuō)控制效果好，但等級(jí)分得過(guò)多，勢(shì)必增加設(shè)計(jì)工作量，同時(shí)，控制表也變得復(fù)雜。為了確保各模糊子集能較好地覆蓋論域，避免出現(xiàn)失控現(xiàn)象，通常n, m等于6或7, 1大于7，我們?cè)O(shè)定為9, E= -3，-2，-1, 0, 1, 2, 3，EC=