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柴油發(fā)電機組數字調速系統(tǒng)的設計與分析

時間:2023-02-21 00:18:25 自動化論文 我要投稿
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柴油發(fā)電機組數字調速系統(tǒng)的設計與分析

 。1.西安交通大學,陜西 西安 710040;2.總后建工所,陜西 西安 710032)
  
  柴油發(fā)電機組數字調速系統(tǒng)研制過程中發(fā)現,采用普通PID運算,振蕩及超調時有發(fā)生,為了改善調速系統(tǒng)性能,采用了變速積分PID及模糊PID.變速積分PID用來調節(jié)積分系數,模糊PID用來調節(jié)比例系數。
  
  1 變速積分PID原理
  
  1.1 PID控制原理[1,2]
  
  常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。
  
  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(guī)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。
  
  在PID控制中,比例項用于糾正偏差,積分項用于消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差,微分項用于減小系統(tǒng)的超調量,增加系統(tǒng)穩(wěn)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。
  
  1.2 數字PID控制算法選擇
  
  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(tǒng)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。微處理器控制是一種采樣控制,它只能根據采樣時刻的偏差值計算控制量,因此,必須對PID模型進行離散化處理。
  
  用矩形方法數值積分代替式(3)中的積分項,對式(3)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:
  
  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(tǒng)中,PID控制規(guī)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(huán)節(jié),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(tǒng)產生振蕩,嚴重影響發(fā)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(jié)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。
  
  式中,A、B為積分區(qū)間。
  
  變速積分PID算法為:
  
  式中,U1(k)為第k次采樣時刻PID運算的積分部分輸出值。
  
  采用變速積分PID控制,系統(tǒng)具有以下特點:用比例消除大偏差,用積分消除小偏差,可完全消除積分飽和現象;各參數容易整定,易實現系統(tǒng)穩(wěn)定,而且對A、B兩參數不要求十分精確;超調量大大減小,改善了調節(jié)品質,適應性較強。
  
  2 柴油發(fā)電機組數字調速系統(tǒng)中PID控制參數整定[3,4]
  
  數字PID控制參數整定的任務主要是確定數字PID的參數KP、T1、TD和T.
  
  對于簡單控制系統(tǒng),可采用理論計算方法確定這些參數。但由于柴油機調速系統(tǒng)的工況較為復雜,其數學模型并非十分精確,在此,采用工程整定常用的擴充臨界比例帶法,結合經驗法再對參數進行調整,得到最終的PID參數。
  
 。1)采樣周期T的選擇
  
  在數字控制系統(tǒng)中,采樣周期T是一個比較重要的因素,采樣周期的選取,應與PID參數的整定綜合考慮。
  
  首先,采樣周期T的選取應滿足以下要求:遠小于對象擾動周期;比對象時間常數小得多;盡量縮短采樣周期,以改善調節(jié)品質。
  
  該系統(tǒng)中,PID調節(jié)控制過程是在定時中斷狀態(tài)下完成的,因此,采樣周期T的大小必須保證中斷服務程序的正常運行。在不影響中斷程序運行的情況下,可取采樣周期T=0.1τ(τ為柴油機的純滯后時間)。當中斷程序運行時間Tz大于0.1τ時,則取T=Tz,
  
 。2)臨界振蕩周期Ts的確定
  
  初始確定數字PID參數時,在用上述方法確定采樣周期T的條件下,從調速系統(tǒng)的PID調節(jié)回路中,去掉數字控制器的微分控制作用和積分控制作用,只采用比例調節(jié)環(huán)節(jié)來確定系統(tǒng)的振蕩周期Ts和臨界比例系數Ks.由單片機系統(tǒng)自動控制比例系數KP,并逐漸增大Kp,直到系統(tǒng)出現持續(xù)的等幅振蕩,然后由單片機系統(tǒng)自動記錄并顯示調速系統(tǒng)發(fā)生等幅振蕩時的臨界比例度δ和相應的臨界振蕩周期Ts.
  
  控制度就是以模擬調節(jié)器為基礎,定量衡量數字控制系統(tǒng)與模擬調節(jié)器對同一對象的控制效果?刂菩Ч褪遣捎媚骋环e分準則,根據系統(tǒng)在規(guī)定的輸入下的輸出響應,使用該準則取最小值時的最
  
  如前所述,采樣周期T的長短會影響系統(tǒng)的控制品質,同樣是最佳整定,數字控制系統(tǒng)的品質要低于模擬系統(tǒng)的控制品質。即控制度總是大于1的,且控制度越大,相應的數字控制系統(tǒng)品質越差。
  
  為獲得與模擬控制器相當的品質,控制度選為1.05.不同控制度時,擴充臨界比例帶法PID參數計算公式
  
 。4)KP、K1、KD、T的求取
  
  根據實驗所得Ks和Ts及選定的控制度,按表1計算出數字PID參數Kp、T1、TD和T.
  
  (5)控制效果的調節(jié)
  
  按求得的參數值在調速控制系統(tǒng)中運行,并觀察控制效果。如控制效果達不到控制要求,可基于以下原則,根據經驗法對參數做適當調整。
  
  ①增大比例系數Kp,將加快系統(tǒng)的響應速度,但過大會使系統(tǒng)產生較大超調,甚至產生振蕩。
  
 、谠龃蠓e分時間T1,有利于減小超調,減少振蕩,使系統(tǒng)更加穩(wěn)定,但會增加系統(tǒng)過渡過程時間。
  
 、墼龃笪⒎謺r間常數TD有利于加快系統(tǒng)的響應,使超調減小,穩(wěn)定性增加,但系統(tǒng)對擾動的抑制能力減弱,對擾動有較敏感的響應。
  
  基于上述原則,調整PID參數時,應先比例、后積分、再微分進行調整。
  
  參考文獻:
  
  [1] 陶永華,尹怡欣,葛蘆生。新型PID控制及其應用[M].機械工業(yè)出版社,1998.
  
  [2] 王福瑞。單片微機測控系統(tǒng)設計大全[M].北京航空航天大學出版社,1998.
  
  [3] 王勝洪。CU673C電子調速器性能、原理、使用及調整[J].移動電源與車輛,1995.
  
  [4] 趙志強,韓秀坤,程昌圻。一種新的數字調速器的設計及實驗[J].北京理工大學學報,1998.

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