柴油機的模糊PID調速控制策略研究

洪霖

摘 要： 研究了一種基于模糊PID算法的柴油機調速控制策略。提出了一種模糊控制改進算法，對電子調速器PID參數按調速系統過渡過程進行在線實時模糊自整定。Matlab/Simulink仿真結果表明，該系統超調量控制效果明顯得到改善，動、靜態控制效果要好于常規PID控制，具有控制靈活、響應速度快和適應性強等優點。

關鍵詞： 調速控制； 模糊控制； PID； Simulink

中圖分類號：TP272 文獻標志碼：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

作為工業生產過程中的重要動力設備，柴油內燃機擁有起動迅速、運行安全、便于維護和使用壽命長等優點。隨著云計算技術和4G移動技術的推廣，國內數據中心和4G移動基站的建設方興未艾，柴油發電機組為數據中心和移動基站的安全運行提供了可靠的備用電源保障。

由電網理論可知，電力系統的頻率與電力系統中的同步發電機產生的正弦基波電壓的頻率相同。頻率是整個電力系統統一的運行參數，一個電力系統只有一個頻率。數據中心和4G移動基站對電力供應的頻率要求嚴格，如頻率降低不大于2%，穩態頻率帶不大于0.5%等[1]。發電機組的輸出頻率與發動機的轉速之間關系密切，在運行時要求發動機的轉速恒定，這個恒定的轉速值就是調速系統的設定值。比如常見的采用四極同步電機的發電機組，輸出頻率為50Hz時，發動機轉速為1500RPM。

柴油機的調速系統是一個復雜的控制系統，它具有時變性、非線性和不確定性。當柴油機用于發電用途時，要求其轉速保持恒定，若仍采用常規PID控制算法，難以得到很好的調速效果。

模糊控制把控制對象作為“黑箱”，先把人對“黑箱”的操作經驗用語言表述成“模糊規則”，讓機器根據這些規則模仿人進行操作來實現自動控制[2]。將模糊控制與PID控制相結合的方法，可以集成模糊控制的靈活性強和PID控制的穩態特好等優點[3]，有利于提高發動機的轉速控制效果。

1 調速原理及系統構成

1.1 調速原理

根據柴油機工作原理，壓縮空氣產生高熱，在壓縮行程接近結束時，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做功。故若要實現對發動機轉速的自動調節，其實質就是控制發動機發出的能量，即噴油量控制。

隨著技術的進步，內燃機采用電子調速器調速已成為內燃機調速控制的主流方向。柴油機的調速控制，可簡化為根據發動機的運行情況和外界的負載變化，利用電子調速器調整噴油量的變化，來達到改變混合氣的流量，進而使轉速保持在設定值附近。

1.2 PID調速系統的組成

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

這種調速系統可以對噴油器的位置進行精確控制，控制精度高，動態相應快。但是此調速系統在實際應用中，需要通過多次試驗來標定不同轉速下的噴油器的噴油量。

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

1.3 模糊PID調速系統的組成

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控制器應用于柴油機的調速系統后，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，e和ec為控制器輸入，KP、Ki和Kd為控制器的輸出[5]。其中，e為轉速偏差，ec為轉速偏差變化。

2 調速控制策略

對KP、Ki和Kd三個參數的整定能力是影響柴油機調速控制效果的關鍵因素。采用模糊PID調速控制策略，找出e和ec與PID控制器三個參數之間的模糊關系，利用模糊控制規則對常規PID控制器的KP、Ki和Kd進行在線自適應整定[2]。

2.1 模糊PID控制器的設計

根據圖3設計模糊PID控制器，設定e的語言變量為E，ec的語言變量為EC，論域均為{-3，3}，相應的模糊集為：{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}。設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，NB為Z型隸屬度函數，其他均為三角型隸屬度函數。

2.2 模糊規則

根據經驗總結，模糊PID控制器的輸入/輸出之間有以下模糊關系。

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

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

⑶ 當|e（t）|較小時，取較大的KP和Kd以使系統有良好的穩態性能，取合理的Kd可避免系統出現振蕩。

基于以上定性關系，可得到系統的模糊規則，見表1。

2.3 Simulink仿真及結果

本文采用Matlab軟件Simulink工具箱對柴油機調速系統控制進行仿真。圖4是系統Simulink仿真結構圖。

圖5為柴油機啟動過程分別基于常規PID和基于系統模糊PID控制仿真結果。柴油機在啟動馬達的帶動下啟動，通過控制噴油器調節噴入氣缸內的柴油量，經過短暫的加速過程，柴油機運轉至怠速600r/min，并穩定在期望轉速r=600r/min。輸入信號為轉速的設定值，在本文中為600。仿真時，輸入信號采用階躍信號模擬。

通過對仿真結果進行分析可以發現，采用常規PID控制的最高轉速可達630r/min，啟動至怠速狀態穩定所需的時間約4s，超調率超過4%。在采用模糊PID控制后，最高轉速在619r/min，啟動至怠速狀態穩定所需的時間為2.2s，超調率控制在3%以下，整個起動過程中的起動時間和超調率都滿足柴油機調速系統的指標要求。對比發現，模糊PID控制策略超調量控制效果明顯改善，動靜態控制效果要好于常規PID控制。

3 結束語

本文提出了一種基于模糊PID控制策略的柴油機調速策略。通過對比仿真結果可以發現，模糊PID控制策略除保留常規PID控制穩定性好、可靠性高的優點外，還提高了系統的自適應能力，時變性和魯棒性較好，該策略在柴油發電機組的調速系統中有較好的應用前景。

參考文獻：

[1] YD/T 502-2007.通信用柴油發電機組[S]，2007.7.20.

[2] 石辛民，郝整清.模糊控制及其MATLAB仿真[M].清華大學出版社，

北京交通大學出版社，2008.

[3] 董金善，袁仕豪，顧伯勤等.高壓超臨界萃取裝置的模糊PID控制方法[J].

控制工程，2011.2：228-231

[4] 何新軍.汽油發電機調速系統模糊自適應PID控制[D].重慶大學，

2008.

[5] 張燕紅.模糊自適應PID參數自整定控制器的研究[J].工業控制計算

機，2012.8：58-59