【正文】 分作用應(yīng)減弱甚至全無，而在偏差小時則應(yīng)加強。積分系數(shù)大了會產(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題。 變速積分 PID 的基本思想是，設(shè)法改變積分項的累加速度，使其與偏差大小相對應(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 |e(k)|增大時， f 減小，反之增 大 。變速積分的 PID 積分項表達式為 ： 系數(shù) f 與偏差當前值 l e(k))的關(guān)系可以是線性的或非線 性的，可設(shè)為 ： 24 這種算法對 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。首先它具備自適應(yīng)能力，能夠自動識辨被控過程參數(shù)、自動整定控制參數(shù)，能夠適應(yīng)被控過程模型參數(shù)的變化 ： 其次它又具有常規(guī) DID 控制器結(jié)構(gòu)簡單、魯棒性強、可靠性高的優(yōu)點。這使得自適應(yīng) PID 控制成為過程控制中一種較為理想的控制方法。 模糊控制器的設(shè)計 根據(jù)柴油發(fā)電機組調(diào)速的特點和系統(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)信息作為知識存入計算機知識庫中，然后計算機根據(jù)控制系統(tǒng)的實際響應(yīng)情況，運用模糊推理，即可以實現(xiàn)對 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，可以滿足不同時刻的 e 和 ec 對 PID 參數(shù)自整定的要求。利用模糊 25 控制規(guī)則基于 DSP 的柴油發(fā)電機組的控制器的設(shè)計 在線對 PID 參數(shù)進行修改，便構(gòu)成了自適應(yīng)模糊 PID 控制器。 該系統(tǒng)中模糊控制器是對轉(zhuǎn)速信號進行采樣，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。其推理過程是由軟件實現(xiàn)的。 我們使用 NZATLAB 的模糊邏輯工具箱設(shè)計模糊控制器步驟如下，主要以Kp 為例說明下我們建立的過程。 首先是模糊集和隸屬函數(shù)的建立。我們設(shè)定 e, ec 和 u 的模糊集均為 {NB, NM,NS, Z, PS, PM, PB}，我們把被討論的對象的全體稱為 論域，控制系統(tǒng)中誤差e 和其變化 ec 的實際變化范圍，稱為誤差及其變化率語言變量的基本論域，分別記 為 [e e]及 [ec ec]輸出信號的基本論域定為 [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,?， n1, n} EC= {m， m+ 1.?， 0,?， m1, m} U= {1， 1+1,?， 0,?， 11, 1} 其中， n, m 及 1 的值與論域劃分的等級有關(guān)。等級分得多，一般說控制效果好，但等級分得過多，勢必增 加設(shè)計工作量，同時，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，我們設(shè)定為 9, E= {3， 2， 1, 0, 1, 2, 3}， EC= {3， 2， 1, 0, 1, 2, 3}， U= {4， 3， 2， 1, 0, 1, 2, 3, 4} 我們還需確定量化因子，實際的控制系統(tǒng)中誤差的變化一般不是論域中的元素， e 不等于 n, ec 也不等于 m，這時需要通過量化因子進行誤差變換，定義量化因子為 Ke=n/e 對與誤差變化也是一樣的，本問中 定義實際論域為 e 為轉(zhuǎn)速誤差，定 [120 120]，誤差變化 [60, 60]，量化因子分別為 1/40 和 1/20。我們確定了論域和模糊子集后通過 FIS 編輯器建立。隸屬函數(shù)我們確定為高斯型隸屬函數(shù)，通過隸屬函數(shù)編輯器建立各變量的隸屬函數(shù)。 然后就是模糊規(guī)則的確定，下面是助的模糊規(guī)則表，如表 41 所示 26 41 Kp 的模糊規(guī)則表 27 再在 Simulink 中建立系統(tǒng)仿真模型，把模糊控制器模塊和我們設(shè)計的 FIS結(jié)構(gòu)連接起來，就可以對它進行防真研究了，系統(tǒng)仿真框圖的建立關(guān)鍵是對 PID三個參數(shù) Kp, Ki, Kd 的整定，這必須考慮到不同時刻三個參數(shù)的相互作用和它們之間的關(guān)系。下面我們從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等各方面來考慮 Kp, Ki, Kd 的作用，建立模糊規(guī)則表。 1 比例系數(shù) Kp 的作用是加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。 Kp越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，但容易產(chǎn)生超調(diào)，可能會導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。 Kp 取值過小，會降低調(diào)節(jié)精度，使響應(yīng)速度變慢，延長調(diào)節(jié)時間，使系統(tǒng)動態(tài)和靜態(tài)特征變壞。 2 積分作用系數(shù) Ki 的作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。 Ki 越大，系統(tǒng)的靜態(tài)誤差消除 越快，但 Ki 過大，在響應(yīng)過程的初期會產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，從而引起響應(yīng)過程的較大超調(diào)。但 Ki 過小會使系統(tǒng)的靜態(tài)誤差難以消除，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。 28 3 微分的作用系數(shù) Kd 的作用是改善系統(tǒng)的動態(tài)特征，其主要作用是在響應(yīng)過程中抑制偏差向任何方向的變化，對偏差變化進行提前預(yù)報。但 Kd 過大，會使響應(yīng)過程提前制動，延長了調(diào)節(jié)時間，而且會降低系統(tǒng)的抗干擾性能。下面是我們進行模糊控制 PID 控制的系統(tǒng)仿真框圖，如圖 47 所示。 [35,38,39] 4. 3 PID 參數(shù)的整定 雖然 PID 控制器調(diào)節(jié)簡單直接，但要迅速設(shè)計出 一個控制性能優(yōu)良的 PID控制器也并非易事。 PID 的三個控制參數(shù)中，比例系數(shù)價增大，會使系統(tǒng)動作靈敏 ； 在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，增大 Kp 值，有利于減少穩(wěn)態(tài)誤差 .提高控制精度 ； 但隨著 Kp 的增大，系統(tǒng)啊應(yīng)過程中的振蕩次數(shù)會增多，調(diào)節(jié)時間增長 ； 當 Kp 值太大時，系統(tǒng)將趨于不穩(wěn)定 ； 若 Kp 值太小，會降低系統(tǒng)響應(yīng)速度。積分時間常數(shù) T,太小時，系統(tǒng)將不穩(wěn)定，振蕩次數(shù)較多 ； 但 T； 太大時，積分作用對系統(tǒng) J勝能的影響減小，不利于消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，難以獲得較高的控制精度。微基于 DSP 的柴油發(fā)電機組的控制器的設(shè)計分控制作用可以改善系統(tǒng)的動 態(tài)性能，提高控制精度 ； 但微分時間常數(shù) TD 偏大或偏小時，都會使超調(diào)量增大，調(diào)節(jié)時間加長。由此可見， PID 控制參數(shù)設(shè)置是 PID 控制器設(shè)計成功與否的關(guān)鍵，即設(shè)計 PID 控制器的關(guān)鍵在于控制參數(shù)的整定。數(shù)字 PID 控制參數(shù)的整定是，首先按模擬 PID 控制參數(shù)整定的方式來選擇，然后再適當調(diào)整，考慮采樣周期對整定參數(shù)的影響。 29 下面介紹幾種常用的 PID 參數(shù)的整定方法 ： 衰減曲線法 首先選用純比例控制，給定值 R 做階躍擾動，從較大的比例帶 δ 開始，逐步減小 δ ，直到被控量出現(xiàn)如圖 48 所示的 4： l 衰減過程為止。記下此時的比例帶 δ v 兩相鄰波峰之間的時間 Tv。然后，按表 45 經(jīng)驗公式計算比例帶 δ ， 積分時間 Ti和微分時間 Td。 穩(wěn)定邊界法 這種方法需要做穩(wěn)定邊界實驗。實驗步驟是，首先選用純比例控制，給定值 R作階躍擾動，從較大的比例帶開始，逐步減小 δ ，直到被控量 Y 出現(xiàn)如圖 49所示的臨界振蕩為止，記下此時的臨界振蕩周期 Tu 和臨界比例帶 δ u。然后按下表 46 的經(jīng)驗公式計算比例帶 δ ，積分時間 Ti和微分時間 Td。 表 45 衰減曲線法整定 PID 參數(shù) 動態(tài)特性法 以上方法直接在閉環(huán)系統(tǒng)上進行參數(shù)整定。而動態(tài) 特性法卻是在系統(tǒng)處于開環(huán)情況下進行參數(shù)整定。首先做被控對象的階躍響應(yīng)曲線如圖 24 所示，從該曲線上求得被控對象的純延遲時間 τ ，時間常數(shù) Tp 和放大系數(shù) K。然后按表 23經(jīng)驗公式計算比例帶 δ ，積分時間 Tp 和微分時間 Td。 針對采樣控制的特點，按表計算時，要用等效純延遲時間 τ c 代替參數(shù)整定公式中的純延遲時間 τ 。所謂等效延遲時間 τ c 就是被控對象的純延遲時間 τ 加采樣周期 Tc 的一半， τ c=τ +Tc/2 這樣得到的 PID 控制參數(shù)更接近數(shù)字控制系統(tǒng)。 30 31 第五章 結(jié) 論 本文通過對柴油發(fā)電 機組的研究，設(shè)計了基于柴油發(fā)電機組的控制器，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制和狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)測，完成了硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，同時進行了系統(tǒng)的仿真研究，通過對系統(tǒng)的研究開發(fā)，得出以下結(jié)論 ： 1 柴油發(fā)電機組的數(shù)字調(diào)速器比傳統(tǒng)的模擬調(diào)速器可靠性更高，適應(yīng)性強，動態(tài)響應(yīng)快，控制精度也更高，同時抗干擾能力也更強。同時主要是通過軟件實現(xiàn)調(diào)速功能，升級也更方便。 2 本文采用 TMS320LF2407A 為核心設(shè)計了柴油發(fā)電機組的硬件系統(tǒng)，通過CCs 開發(fā)環(huán)境，用 C 語言開發(fā) DSP 應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)了柴油發(fā)動機組的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制和各部分功能模塊的 實現(xiàn)，由于各部分都是通過軟件實現(xiàn)的，所以有很強的適應(yīng)性。 3 完成了柴油發(fā)動機組的狀態(tài)參數(shù)的實時的檢測和顯示。這是通過 DSP 的A/D 模塊對柴油發(fā)動機組的水溫和油壓進行實時檢測，水溫水壓通過傳感器經(jīng)過運放和濾波電路進入 DSP 的 A/D 模塊的，通過 DSP 處理后再通過 DSP 的 SC 工模塊實現(xiàn)液晶顯示。 4 由于柴油發(fā)電機組具有非線性和時變性，并且其數(shù)學模型不是十分精確，常規(guī) PID 不能對其進行很好的控制，本文采用模糊自適應(yīng) PID 控制，系統(tǒng)的響應(yīng)速度更快，超調(diào)量更小，調(diào)速精度更高，并且環(huán)境適應(yīng)性更強，大大地提 高了系統(tǒng)的整體性能。 32 致 謝 本論文是在導(dǎo)師 副教授的悉心指導(dǎo)下完成的。 導(dǎo)師 的知識、嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、對學術(shù)執(zhí)著的追求精神給我留下了非常深刻的印象，學習上對我嚴格要求，生活上給予我無微不至的關(guān)懷，讓我學到了許多有用的知識和為人處世的道理，在論文完成之際，向?qū)煴硎局孕牡母兄x和誠摯的敬意。 最后感謝我的 家人 和我的 同事 以及我所有的親人，是他們給了我精神上 的鼓勵和經(jīng)濟上的支持，讓我順利的完成學業(yè)。 l,