发电机组数字调速系统的设计与分析

金竹

摘 要：柴油发电机组数字调速系统研制过程中发现，采用普通PID运算，振荡及超调时有发生，为了改善调速系统性能，采用了变速积分PID及模糊PID。变速积分PID用来调节积分系数，模糊PID用来调节比例系数。笔者就柴油发电机组数字调速系统的设计进行了分析，旨在进一步优化柴油发电机组的工作效率和质量。

关键词：柴油发电机组；数字调速系统；速度控制；

调速器是柴油发电机组转速调控系统一个极其重要的核心部件，在柴油机运行过程中，调速器可以对其转速、功率等一些重要的参数起到有效的控制和调节，从而实现柴油机电机组的正常运行。目前国内在柴油发电机组调速器的商业应用中，还主要以模拟式调速器为主，数字式调速器相比模拟式调速器，其控制质量有了很大的提高，对改善柴油机的排放性和经济性有较大的提升空间，但其成本稍高，目前还未得到大规模的应用。柴油发电机组数字调速系统，实质是实现对速度的闭环控制，在控制闭环的过程中，各个数字模型的频率都有相应的变化，从而对系统的稳定性产生一定的影响和改变。[1]

1 PID控制的设计方法

PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r（t）与实际输出构成控制偏差：将此偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。其控制规律为：式中，Kp为比例系数，T1为积分时间常数，TD为微分时间常数。常规PID控制系统原理框图如图1所示。

图1 PID控制系统原理框图

在PID控制中，比例项用于纠正偏差，积分项用于消除系统的稳态误差，微分项用于减小系统的超调量，增加系统稳定性。PID控制器的性能就决定于Kp、T1和TD这3个系数。如何选用这3个系数是PID控制的核心。

对于柴油发电机组来说，PID控制是一个具有惯性的系统。这是由于机组存在机械、热力学、电磁等一些过程的特性，而且带有一定的滞后性，经常会出现功率不平衡的状态，转速不能实现突然改变。而转速反馈控制器不能立刻产生偏差信号，具有一定的延时性。当发电机组速度变化较为明顯，控制器则会出现较大的控制量。在柴油发电机组转速控制过程中，就会看到单一的转速反馈控制系统对负载的干扰不明显，带有一定的滞后性，不能减少系统动态偏差，延长了系统的动态变化和调整的时间。因此，将前馈控制器加入到柴油发电机调速控制系统中，可以很好地改变功率不平衡等问题，保证柴油机稳定运行。

2 数字调速器设计分析

数字调速器是一个按“偏差”调节原理组成的负反馈调节系统，主要由测速环节（含整形放大模块）、给定环节、控制运算环节（由于采用数字微处理器，其算法可多样化，如PID。运算、模糊Fuzzy。运算等）、保护模块、显示模块、驱动模块等组成。

我国大多数国内外柴油发电机组，均采用电子调速器是模拟电路。美国伍德沃德公司和德国海因兹曼公司是采用模拟电路实现了PID运算的比较具有代表性的两家公司。尽管都是PID控制，但是他们是有所差别的，伍德沃德公司的比例环节上采用了锁相环技术，其输入为频率量[2]。而海因兹曼公司则采用频压转换技术将电磁传感器的频率信号转换为电压，再进行比较放大。目前，国内外的生产的数字电子调速器只有美国新格斯达公司，其控制采用的是普通PID运算，各参数整定须用配套设备进行相应调整。

3数字调速控制算法选择

PID控制系统运行过程中，可以用比例来减少差异，用积分来减小偏差，将积分饱和现象进行消除，整定各个参数，保证系统的稳定运行，极大地减少了控制系统的调节质量，让柴油发电机组具有更强的适应性。

变速积分PID算法为：U（k）=KpE（k）+K1∑j=0kE（j）+KD[E（k）-E（k-1）] （1）

式中，U（k）为第k次采样时刻PID运算的积分部分输出值。用矩形方法数值积分代替式（1）中的积分项，对式（1）中的导数项用后向差分逼近，经推理可得到基本PID控制的位置式算法，上式中k——采样序号，k=0，1，2，……

U（k）――第k次采样时刻输出值

E（k）――第k次采样时输入的偏差值

E（k-1）――第（k-1）次采样时刻输入的偏差值

K1――积分系数，K1=KpT/T1

KD――微分数系，KD=KpTD/T1

在数字控制系统中，PID控制规律是用程序来实现的，因而具有更大的灵活性。由于基本PID控制中引入了积分环节，其目的主要是为了消除静差，提高精度。但在柴油机调速过程中，突加突减负载时，会引起转速的较大波动，导致短时间内转速出现较大偏差，通过PID积分运算积累，超调量过大，系统产生振荡，严重影响发电机组输出电能的品质。为避免PID控制中积分项引起的超调，提高其调节品质，拟采用积分分离法对基本PID控制进行改进，简称变速积分PID。变速积分PID的基本思路是设法改变积分项的累加速度，使其与偏差大小相对应，偏差越大，积分越慢；反之，则越快。设计和调整数字PID控制器的任务就是根据被控对象和系统要求，选择合适的PID模型，将其进行离散化处理，编出计算机程序由微处理器实现，最后确定Kp、T1、TD、和T，T为采样周期。

4柴油发电机组数字调速系统设计优点分析

柴油机稳定运行的基本条件是输出力矩与外界负载力矩相互平衡，而其输出力矩主要是通过改变循环供油量来加以调整的。调速系统主要由转速检测单元、控制单元和执行机构组成。数字化调速控制系统通过集成高性能的CPU，在专业控制算法和控制策略的协助下，能够实现精确的智能化控制。

基于上述原因，数字调速系统成为当前柴油发电机组控制系统的首要选择，具有反应快、精度高和较强的适应力，能够满足不同特性电机的参数程序，实现更为高端的智能控制算法。目前，随着一些高性能的工业级处理器的应用，如DSP、高速单片机等产品的快速发展，数字调速系统日趋完善，具体有多种功能。

一是能够实现自主控制，这需要在主控制器中嵌入高性能的T/O数据接口。二是对于控制系统的具体技术参数要求较高，给当前的数字处理器的工作能力提出了更高的要求，要求选择能够实现高速信号处理的DSP。三是多通道通信接口和人性化控制界面，扩展存储器的容量增设通信接口的数量，可以大幅度地提高数模转化的速度和精度，采用集成化的后台运行程序可以简化控制操作，实现简练的控制界面。

5结语

笔者就柴油发电机组数字调速系统的设计与分析进行了阐述，目的在于更好地指导人们在实践中进行准确的速度控制，有效地提高抗干扰能力，避免日常的一些控制理论操作中出现的一些问题，极大地提高柴油发电机组输出电的质量和效率，这对于优化柴油发电机性能有着积极的现实意义。

参考文献：

[1] 黄辰烨. 船舶柴油发电机调速控制系统研究[J]. 中国机械， 2015（1）：164-166.

[2] 谢云山， 陈俊， 金巧兰，等. 柴油发电机组电子调速控制器失效分析方法[J]. 自动化与仪器仪表， 2017（12）：212-213.