1、分类号U D C密级学位论文基王旦的苤迪筮电扭组的控剑墨遮让Design of Controller of Diesel Generating SetBasedonDSP指导教师姓名： 塞9国壬副熬援直昌太堂扭电工猩堂随申请学位级别： 王雯亟 专业名称：扭撼制造盈甚自动丝论文提交日期： 2QQ曼生曼旦论文答辩日期： 至QQ曼生旦目学位授予单位和日期： 直昌太堂至QQ曼生旦目答辩委员会主席：评阅人：2005年5月日基于DSP的柴油发电机组的控制器的设计摘要柴油发电机组的控制系统涉及机械、传感器技术、信息处理技术、计算机控制技术和控制理论等多个领域。数字化、智能化和网络化是柴油机自控技术发展的必然
2、趋势。本文首先对柴油发电机组电控化方面的发展和控制系统的现状进行了介绍。第二章对智能控制器的硬件进行总体设计。主要是转速控制模块、AD模块、显示模块。对于转速控制模块，我们主要用到DSP的事件管理功能来测量转速，并通过硬件电路来产生PWM信号，驱动执行器。A，D模块我们用DSP自带的AD模块，实现水温，油压的测量。显示模块我们采用串行的液晶模块通过RS232接口和DSP相连，实现测量数据的实时显示。在第三章中我们进行了系统的软件设计。主要是转速控制设计，我们在转速控制设计中采用了参数自调整的模糊控制PID算法。第四章我们针对不同PID算法在柴油机调速系统模型上进行了仿真研究，在MATLAB上进
3、行仿真，并进行了比较，这为柴油机转速控制算法的设计提供了依据。关键词： 柴油发电机组、DSP、模糊PID控制、MATLAB仿真南昌大学硕士学位论文ABS7眦CTThe control system of diesel generator involve many domains wNch includemechanism and sensor technique，information processing technique，computercontrol technique and control theowIntelligence，digitization and network isn
4、ecessary current of diesel engine contr01We introduce the deveIopment and control system actuality of the dieselgenerator set in the control at the first of the textIn the second chapter，we introduceholistic hardware design of the intelligent controller，which involve the revs controlmodule，AD module
5、 and LCD display moduleFor the revs control module，weacquire the rev8 by the EV management module of DSP and adopt the hardwarecircuit that produces PWM signal for revs control moduleAD module we use theAD module in the DSP and measure the temperature of water and pressure of theoilwe connect the LC
6、D display module with the DSP through the RS232 interfaceand achieve the real time display ofthe data that we measureIn the third chapter，it describes the holistic design of con仃ollerS softwareWeemphasis the revs control and adopt the fuzzy PID control arithmetic to adjust theparameterIn the fourth
7、chapter，it makes emulation study in allusion to different PIDcontrol arithmetic in the model of timing system and we compare them，it providesgist for revs control arithmetic design of diesel generator setWritten by：Xu MingDirected by：Vice ProLiu Guo pingKevwords：Diesel Generator Set，DSP，Fuzzy PID Co
8、ntrol，MATLABEmlnatorIJ独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得壹墨圭鲎或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：彳系曰日签字目期：如口多年6月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完!kTf浑南昌土学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌土学可以将学位
9、论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文a(保密的学位论文在解密后适用本授权书)糊文作一：彳系口日翩虢瓣签签字字日日期期：)卿卿S年年66月月，?A+Bf值在o，1区间变化，当偏差Ie(女)I大于所给分离区间A+B后，f=o：不再对当前值e(k)进行继续累加；当偏差k(t)l小于B时，加入当前值，与一般?ID积分项相同，积分动作达到最高速；而当偏差Ie(七)I在B与A+B之间时，则累加进入的是部分当前值，其值在ofP()J之间随lP(_j)I的大小而变化，因此其积分速度一I 在tP(f矿和kie(i)T之间。变速积分PID算法为“啡(t)
10、=+I+Ie(f)+厂M【k啪e(七)】卜P(_让j)(丁+-e陋(k尼-)【)【()4(_499)L=0 J这种算法对A，B两参数的要求不精确，参数整定较容易。下面是变速度积分PID控制系统仿真框图，如图45所示。南昌大学硕士学位论文图45变速度积分PID控制系统仿真框图424模糊控制系统仿真框图的建立最后是我们采用的模糊PID控制系统框图，我们本文采用的自适应模糊PID控制，它将自适应控制的思想和常规PID控制器结合，吸收了自适应控制和常规PID控制的优点。首先它具备自适应能力，能够自动识辨被控过程参数、自动整定控制参数，能够适应被控过程模型参数的变化：其次它又具有常规PID控制器结构简单
11、、鲁棒性强、可靠性高的优点。这使得自适应PID控制成为过程控制中一种较为理想的控制方法。4241模糊控制器的设计根据柴油发电机组调速的特点和系统软硬件资源，我们采用模糊自适应PID控制，此控制是应用数学的基本理论和方法，把规则的条件、操作用模糊集表示，并把这些模糊控制规则及有关信息作为知识存入计算机知识库中，然后计算机根据控制系统的实际响应情况，运用模糊推理，即可以实现对PID参数的最佳调整，这就是模糊自适应PID控制。自适应模糊控带IPID控制器以误差e和误差变化ec作为输入，可以满足不同时刻的e和ec对PID参数自整定的要求。利用模糊控制规则基于DSP的柴油发电机组的控制器的设计在线对PI
12、D参数进行修改，便构成了自适应模糊PID控制器。该系统中模糊控制器是对转速信号进行采样，以转速偏差E和偏差变化率Ec作为模糊控制器的输入变量，Ki、Kp、Kd作为输出的两输入三输出得二维模糊控制器。其推理过程是由软件实现的。我们使用EATLAB的模糊逻辑工具箱设计模糊控制器步骤如下，主要以Kp为例说明下我们建立的过程。首先是模糊集和隶属函数的建立。我们设定e，ec和u的模糊集均为NB，NM，Ns，z，Ps，pM，PB)，我们把被讨论的对象的全体称为论域，控制系统中误差e和其变化ec的实际变化范围，称为误差及其变化率语言变量的基本论域，分别记为一e e及卜ec ec，输出信号的基本论域定为x，x
13、】，通常定义误差，误差变化率和控制量模糊子集的论域定义为：E=卜n，一n+l，0，nl，nEC=卜ill，一m+l，0，m-1，mJU=卜l，一1+1，0，卜l，l其中，rl，m及1的值与论域划分的等级有关。等级分得多，。一般说控制效果好，但等级分得过多，势必增加设计工作量，同时，控制表也变得复杂。为了确保各模糊子集能较好地覆盖论域，避免出现失控现象，通常n，m等于6或7，l大于7，我们设定为9，E=一3，一2，一1，0，l，2，3)，EC=一3，一2，一1，O，1，2，3，u=一4，一3，一2，一l，O，1，2，3，4我们还需确定量化因子，实际的控制系统中误差的变化一般不是论域中的元素，e不
14、等于n，ec也不等于m，这时需要通过量化因子进行误差变换，定义量化因子为屯=三对与误差变化也是一样的，本问中定义实际论域为e为转速误差，e定为一120 120，误差变化-60，60，量化因子分别为140和120。我们确定了论域和模糊子集后通过FIS编辑器建立。隶属函数我们确定为高斯型隶属函数通过隶属函数编辑器建立各变量的隶属函数。然后就是模糊规则的确定，下面是Kp的模糊规则表，如表41所示南昌大学硕士学位论文4-1 Kp的模糊规则表|ec：aKp| NB NM NS ZO PS PM PB NNB PB PB PM PM NS Z0 Z0NM PB PB PM PS NS ZO NSNS PM
15、 PM PM PS ZO NS NSZO PM PM PS ZO PS NM NMPS PS PS ZO NS PS NM NMPM PS Z0 NS NM PM NM NBPB ZO ZO NM NM PM NB NB通过模糊规则编辑器确定模糊规则，同理可得Ki，Kd得查询表，最后得到的查询表如表42，43，44所示：表42 Kp的查询表惑-3 2 -1 O 1 2 3。一3 4 3 3 3 2 0 O一2 3 3 3 2 2 0 21 3 3 3 2 O 一2 -2O 3 3 2 O -2 3 -31 2 2 O 一2 -2 3 32 2 O 一2 3 3 3 -33 O O -3 -3
16、3 3 3表43 Ki的查询表惑一3 2 1 O 1 2 33 4 3 -3 3 1 2 0基于DSP的柴油发电机组的控制器的设计-2 -3 -3 -3 -1 一1 0 01 3 -3 1 1 0 1 lO -2 -2 一l O l 2 31 2 -1 O 1 1 3 32 O 0 1 1 3 3 33 O O 1 3 3 3 4表44 Kd的查询表心一3 2 1 O l 2 3-3 1 -1 -3 -3 3 O O一2 1 1 -3 3 3 1 O-1 0 一l -3 -3 一l l OO O 一1 1 1 -1 ：-1 01 O O O 0 O 0 O2 2 O 1 1 1 l 33 3
17、2 2 3 1 l 3再在Simulink中建立系统仿真模型，把模糊控制器模块和我们设计的FIS结构连接起来，就可以对它迸行防真研究了，系统仿真框图的建立关键是对PID三个参数Kp，Ki，Kd的整定，这必须考虑到不同时刻三个参数的相互作用和它们之间的关系。下面我们从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等各方面来考虑Kp，Ki，Kd的作用，建立模糊规则表。1比例系数Kp的作用是加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。Kp越大，系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但容易产生超调，可能会导致系统不稳定。Kp取值过小，会降低调节精度，使响应速度变慢，延长调节时间，使系统动态和静态特征变坏。2积
18、分作用系数Ki的作用是消除系统的稳态误差。Ki越大，系统的静态41南昌大学硕士学位论文误差消除越快，但Ki过大，在响应过程的初期会产生积分饱和现象，从而引起响应过程的较大超调。但Ki过小会使系统的静态误差难以消除，影响系统的调节精度。3微分的作用系数Kd的作用是改善系统的动态特征，其主要作用是在响应过程中抑制偏差向任何方向的变化，对偏差变化进行提前预报。但Kd过大，会使响应过程提前制动，延长了调节时间，而且会降低系统的抗干扰性能。下面是我们进行模糊控匍PID控制的系统仿真框图，如图47所示。51”3图4-7模糊控制PID控制系统仿真框图43 PID参数的整定虽然PID控制器调节简单直接，但要迅
19、速设计出一个控制性能优良的PID控制器也并非易事。PID的三个控制参数中，比例系数肠增大，会使系统动作灵敏；在系统稳定的情况下，增大肠值，有利于减少稳态误差，提高控制精度；但随着j0的增大，系统响应过程中的振荡次数会增多，调节时间增长；当晦值太大时，系统将趋于不稳定；若，-(尸值太小，会降低系统响应速度。积分时间常数乃太小时，系统将不稳定，振荡次数较多；但乃太大时，积分作用对系统性能的影响减小，不利于消除系统的稳态误差，难以获得较高的控制精度。微基于DSP的柴油发电机组的控制器的设计分控制作用可以改善系统的动态性能，提高控制精度；但微分时间常数偏大或偏小时，都会使超调量增大，调节时间加长。由此
20、可见，PID控制参数设置是PID控制器设计成功与否的关键，即设计PID控制器的关键在于控制参数的整定。数字PID控制参数的整定是，首先按模拟PID控制参数整定的方式来选择，然后再适当调整，考虑采样周期对整定参数的影响。下面介绍几种常用的PID参数的整定方法：431衰减曲线法首先选用纯比例控制，给定值R做阶跃扰动，从较大的比例带万开始，逐步减小占，直到被控量出现如图48所示的4：1衰减过程为止。记下此时的比例带瓯，两相邻波峰之间的时间瓦。然后，按表45经验公式计算比例带占，积分时间Z和微分时间乃。432稳定边界法这种方法需要做稳定边界实验。实验步骤是，首先选用纯比例控制，给定值R作阶跃扰动，从较大的比例带开始，逐步减小J，直到被控量Y出现如图4-9所示的临界振荡为止，记下此时的临界振荡周期L和临界比例带瓯。然后按下表4-6的经验公式计算比例带占，积分时间Z和微分时间乃。表45 衰减曲线法整定PID参数控制规律占l 乃P 10戌PI 12玩05正PID 08戌03t 01瓦南昌大学硕士学位论文ROYOfl+ f八f “P归“1入
