柴油机的模糊PID调速控制策略研究

摘 要： 研究了一种基于模糊PID算法的柴油机调速控制策略。提出了一种模糊控制改进算法，对电子调速器PID参数按调速系统过渡过程进行在线实时模糊自整定。Matlab/Simulink仿真结果表明，该系统超调量控制效果明显得到改善，动、静态控制效果要好于常规PID控制，具有控制灵活、响应速度快和适应性强等优点。

关键词： 调速控制； 模糊控制； PID； Simulink

中图分类号：TP272 文献标志码：A 文章编号：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

作为工业生产过程中的重要动力设备，柴油内燃机拥有起动迅速、运行安全、便于维护和使用寿命长等优点。随着云计算技术和4G移动技术的推广，国内数据中心和4G移动基站的建设方兴未艾，柴油发电机组为数据中心和移动基站的安全运行提供了可靠的备用电源保障。

由电网理论可知，电力系统的频率与电力系统中的同步发电机产生的正弦基波电压的频率相同。频率是整个电力系统统一的运行参数，一个电力系统只有一个频率。数据中心和4G移动基站对电力供应的频率要求严格，如频率降低不大于2%，稳态频率带不大于0.5%等[1]。发电机组的输出频率与发动机的转速之间关系密切，在运行时要求发动机的转速恒定，这个恒定的转速值就是调速系统的设定值。比如常见的采用四极同步电机的发电机组，输出频率为50Hz时，发动机转速为1500RPM。

柴油机的调速系统是一个复杂的控制系统，它具有时变性、非线性和不确定性。当柴油机用于发电用途时，要求其转速保持恒定，若仍采用常规PID控制算法，难以得到很好的调速效果。

模糊控制把控制对象作为“黑箱”，先把人对“黑箱”的操作经验用语言表述成“模糊规则”，让机器根据这些规则模仿人进行操作来实现自动控制[2]。将模糊控制与PID控制相结合的方法，可以集成模糊控制的灵活性强和PID控制的稳态特好等优点[3]，有利于提高发动机的转速控制效果。

1 调速原理及系统构成

1.1 调速原理

根据柴油机工作原理，压缩空气产生高热，在压缩行程接近结束时，喷油泵提高柴油的油压，通过喷油器将雾化的柴油喷入气缸后，在气缸内形成可燃混合气爆炸膨胀，在高压气体的推动下，活塞向下运动并带动曲轴旋转做功。故若要实现对发动机转速的自动调节，其实质就是控制发动机发出的能量，即喷油量控制。

随着技术的进步，内燃机采用电子调速器调速已成为内燃机调速控制的主流方向。柴油机的调速控制，可简化为根据发动机的运行情况和外界的负载变化，利用电子调速器调整喷油量的变化，来达到改变混合气的流量，进而使转速保持在设定值附近。

1.2 PID调速系统的组成

通常，柴油机的调速系统由电子调速器、执行机构和反馈单元组成。图1为柴油机基于位置式PID控制的调速系统组成框图。在这个系统中，电子调速器是一个基于单片机的微处理单元，执行机构则是喷油器，电子调速器控制执行机构的动作，反馈单元由转速传感器和位置传感器组成，转速传感器安装在发动机曲轴上，反馈当前转速数值，而位置传感器反馈执行机构的开度。图1中，r（t）为电子调速器的设定转速，b（t）为实际转速的采样值，e（t）为设定转速与实际转速之间的差值，u（t）为电子调速器的输出，y（t）为系统的转速输出，n（t）为负载变化引起等的系统扰动[4]。

这种调速系统可以对喷油器的位置进行精确控制，控制精度高，动态相应快。但是此调速系统在实际应用中，需要通过多次试验来标定不同转速下的喷油器的喷油量。

为了增加调速系统的精度，不妨将增量引入系统，即电子调速器输出的是一个控制增量，而不再是指示执行器精确位置的全量。图2为增量式PID调速控制系统框图，其中，Δu（t）即为电子调速器的输出增量。

1.3 模糊PID调速系统的组成

模糊控制能够较好地模拟人的思维方式，它不依赖于精确模型，鲁棒性强。将模糊控制引入PID控制，即形成模糊PID控制器。将模糊PID控制器应用于柴油机的调速系统后，可得到如图3中的模糊PID控制器是一个两输入三输出的系统，e和ec为控制器输入，KP、Ki和Kd为控制器的输出[5]。其中，e为转速偏差，ec为转速偏差变化。

2 调速控制策略

对KP、Ki和Kd三个参数的整定能力是影响柴油机调速控制效果的关键因素。采用模糊PID调速控制策略，找出e和ec与PID控制器三个参数之间的模糊关系，利用模糊控制规则对常规PID控制器的KP、Ki和Kd进行在线自适应整定[2]。

2.1 模糊PID控制器的设计

根据图3设计模糊PID控制器，设定e的语言变量为E，ec的语言变量为EC，论域均为{-3，3}，相应的模糊集为：{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}。设KP的语言变量为KP，Ki的语言变量为KI，Kd的语言变量为KD，论域均为{0，3}，相应的模糊集为{Z，PS，PM，PB}。输入/输出变量除PB为S型隶属度函数，NB为Z型隶属度函数，其他均为三角型隶属度函数。

2.2 模糊规则

根据经验总结，模糊PID控制器的输入/输出之间有以下模糊关系。

⑴ 当|e（t）|较大时，取较大的KP可加快系统的响应速度，取Ki=0可避免出现较大的超调，取较小的Kd可避免系统在开始时可能引起的超范围控制作用。

⑵ 当|e（t）|处于中等时，取较小的KP可减小系统的超调，可适当增加Ki，取合理的Kd可提高系统的响应速度。

⑶ 当|e（t）|较小时，取较大的KP和Kd以使系统有良好的稳态性能，取合理的Kd可避免系统出现振荡。

基于以上定性关系，可得到系统的模糊规则，见表1。

2.3 Simulink仿真及结果

本文采用Matlab软件Simulink工具箱对柴油机调速系统控制进行仿真。图4是系统Simulink仿真结构图。

图5为柴油机启动过程分别基于常规PID和基于系统模糊PID控制仿真结果。柴油机在启动马达的带动下启动，通过控制喷油器调节喷入气缸内的柴油量，经过短暂的加速过程，柴油机运转至怠速600r/min，并稳定在期望转速r=600r/min。输入信号为转速的设定值，在本文中为600。仿真时，输入信号采用阶跃信号模拟。

通过对仿真结果进行分析可以发现，采用常规PID控制的最高转速可达630r/min，启动至怠速状态稳定所需的时间约4s，超调率超过4%。在采用模糊PID控制后，最高转速在619r/min，启动至怠速状态稳定所需的时间为2.2s，超调率控制在3%以下，整个起动过程中的起动时间和超调率都满足柴油机调速系统的指标要求。对比发现，模糊PID控制策略超调量控制效果明显改善，动静态控制效果要好于常规PID控制。

3 结束语

本文提出了一种基于模糊PID控制策略的柴油机调速策略。通过对比仿真结果可以发现，模糊PID控制策略除保留常规PID控制稳定性好、可靠性高的优点外，还提高了系统的自适应能力，时变性和鲁棒性较好，该策略在柴油发电机组的调速系统中有较好的应用前景。

参考文献：

[1] YD/T 502-2007.通信用柴油发电机组[S]，2007.7.20.

[2] 石辛民，郝整清.模糊控制及其MATLAB仿真[M].清华大学出版社，

北京交通大学出版社，2008.

[3] 董金善，袁仕豪，顾伯勤等.高压超临界萃取装置的模糊PID控制方法[J].

控制工程，2011.2：228-231

[4] 何新军.汽油发电机调速系统模糊自适应PID控制[D].重庆大学，

2008.

[5] 张燕红.模糊自适应PID参数自整定控制器的研究[J].工业控制计算

机，2012.8：58-59

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