發電機組數字調速系統的設計與分析

金竹

摘 要：柴油發電機組數字調速系統研制過程中發現，采用普通PID運算，振蕩及超調時有發生，為了改善調速系統性能，采用了變速積分PID及模糊PID。變速積分PID用來調節積分系數，模糊PID用來調節比例系數。筆者就柴油發電機組數字調速系統的設計進行了分析，旨在進一步優化柴油發電機組的工作效率和質量。

關鍵詞：柴油發電機組；數字調速系統；速度控制；

調速器是柴油發電機組轉速調控系統一個極其重要的核心部件，在柴油機運行過程中，調速器可以對其轉速、功率等一些重要的參數起到有效的控制和調節，從而實現柴油機電機組的正常運行。目前國內在柴油發電機組調速器的商業應用中，還主要以模擬式調速器為主，數字式調速器相比模擬式調速器，其控制質量有了很大的提高，對改善柴油機的排放性和經濟性有較大的提升空間，但其成本稍高，目前還未得到大規模的應用。柴油發電機組數字調速系統，實質是實現對速度的閉環控制，在控制閉環的過程中，各個數字模型的頻率都有相應的變化，從而對系統的穩定性產生一定的影響和改變。[1]

1 PID控制的設計方法

PID控制器是一種線性控制器，它根據給定值r（t）與實際輸出構成控制偏差：將此偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制。其控制規律為：式中，Kp為比例系數，T1為積分時間常數，TD為微分時間常數。常規PID控制系統原理框圖如圖1所示。

圖1 PID控制系統原理框圖

在PID控制中，比例項用于糾正偏差，積分項用于消除系統的穩態誤差，微分項用于減小系統的超調量，增加系統穩定性。PID控制器的性能就決定于Kp、T1和TD這3個系數。如何選用這3個系數是PID控制的核心。

對于柴油發電機組來說，PID控制是一個具有慣性的系統。這是由于機組存在機械、熱力學、電磁等一些過程的特性，而且帶有一定的滯后性，經常會出現功率不平衡的狀態，轉速不能實現突然改變。而轉速反饋控制器不能立刻產生偏差信號，具有一定的延時性。當發電機組速度變化較為明顯，控制器則會出現較大的控制量。在柴油發電機組轉速控制過程中，就會看到單一的轉速反饋控制系統對負載的干擾不明顯，帶有一定的滯后性，不能減少系統動態偏差，延長了系統的動態變化和調整的時間。因此，將前饋控制器加入到柴油發電機調速控制系統中，可以很好地改變功率不平衡等問題，保證柴油機穩定運行。

2 數字調速器設計分析

數字調速器是一個按“偏差”調節原理組成的負反饋調節系統，主要由測速環節（含整形放大模塊）、給定環節、控制運算環節（由于采用數字微處理器，其算法可多樣化，如PID。運算、模糊Fuzzy。運算等）、保護模塊、顯示模塊、驅動模塊等組成。

我國大多數國內外柴油發電機組，均采用電子調速器是模擬電路。美國伍德沃德公司和德國海因茲曼公司是采用模擬電路實現了PID運算的比較具有代表性的兩家公司。盡管都是PID控制，但是他們是有所差別的，伍德沃德公司的比例環節上采用了鎖相環技術，其輸入為頻率量[2]。而海因茲曼公司則采用頻壓轉換技術將電磁傳感器的頻率信號轉換為電壓，再進行比較放大。目前，國內外的生產的數字電子調速器只有美國新格斯達公司，其控制采用的是普通PID運算，各參數整定須用配套設備進行相應調整。

3數字調速控制算法選擇

PID控制系統運行過程中，可以用比例來減少差異，用積分來減小偏差，將積分飽和現象進行消除，整定各個參數，保證系統的穩定運行，極大地減少了控制系統的調節質量，讓柴油發電機組具有更強的適應性。

變速積分PID算法為：U（k）=KpE（k）+K1∑j=0kE（j）+KD[E（k）-E（k-1）] （1）

式中，U（k）為第k次采樣時刻PID運算的積分部分輸出值。用矩形方法數值積分代替式（1）中的積分項，對式（1）中的導數項用后向差分逼近，經推理可得到基本PID控制的位置式算法，上式中k——采樣序號，k=0，1，2，……

U（k）――第k次采樣時刻輸出值

E（k）――第k次采樣時輸入的偏差值

E（k-1）――第（k-1）次采樣時刻輸入的偏差值

K1――積分系數，K1=KpT/T1

KD――微分數系，KD=KpTD/T1

在數字控制系統中，PID控制規律是用程序來實現的，因而具有更大的靈活性。由于基本PID控制中引入了積分環節，其目的主要是為了消除靜差，提高精度。但在柴油機調速過程中，突加突減負載時，會引起轉速的較大波動，導致短時間內轉速出現較大偏差，通過PID積分運算積累，超調量過大，系統產生振蕩，嚴重影響發電機組輸出電能的品質。為避免PID控制中積分項引起的超調，提高其調節品質，擬采用積分分離法對基本PID控制進行改進，簡稱變速積分PID。變速積分PID的基本思路是設法改變積分項的累加速度，使其與偏差大小相對應，偏差越大，積分越慢；反之，則越快。設計和調整數字PID控制器的任務就是根據被控對象和系統要求，選擇合適的PID模型，將其進行離散化處理，編出計算機程序由微處理器實現，最后確定Kp、T1、TD、和T，T為采樣周期。

4柴油發電機組數字調速系統設計優點分析

柴油機穩定運行的基本條件是輸出力矩與外界負載力矩相互平衡，而其輸出力矩主要是通過改變循環供油量來加以調整的。調速系統主要由轉速檢測單元、控制單元和執行機構組成。數字化調速控制系統通過集成高性能的CPU，在專業控制算法和控制策略的協助下，能夠實現精確的智能化控制。

基于上述原因，數字調速系統成為當前柴油發電機組控制系統的首要選擇，具有反應快、精度高和較強的適應力，能夠滿足不同特性電機的參數程序，實現更為高端的智能控制算法。目前，隨著一些高性能的工業級處理器的應用，如DSP、高速單片機等產品的快速發展，數字調速系統日趨完善，具體有多種功能。

一是能夠實現自主控制，這需要在主控制器中嵌入高性能的T/O數據接口。二是對于控制系統的具體技術參數要求較高，給當前的數字處理器的工作能力提出了更高的要求，要求選擇能夠實現高速信號處理的DSP。三是多通道通信接口和人性化控制界面，擴展存儲器的容量增設通信接口的數量，可以大幅度地提高數模轉化的速度和精度，采用集成化的后臺運行程序可以簡化控制操作，實現簡練的控制界面。

5結語

筆者就柴油發電機組數字調速系統的設計與分析進行了闡述，目的在于更好地指導人們在實踐中進行準確的速度控制，有效地提高抗干擾能力，避免日常的一些控制理論操作中出現的一些問題，極大地提高柴油發電機組輸出電的質量和效率，這對于優化柴油發電機性能有著積極的現實意義。

參考文獻：

[1] 黃辰燁. 船舶柴油發電機調速控制系統研究[J]. 中國機械， 2015（1）：164-166.

[2] 謝云山， 陳俊， 金巧蘭，等. 柴油發電機組電子調速控制器失效分析方法[J]. 自動化與儀器儀表， 2017（12）：212-213.