張玉峰，李聲晉，盧 剛，周奇勛，周 勇

(1.西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安 710072;2.西安科技大學(xué)，陜西西安 710054)

0 引 言

變速集成發(fā)電機(jī)組(以下簡(jiǎn)稱(chēng)VSIG)相對(duì)于傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)，具有體積小、效率高、節(jié)能降噪、對(duì)柴油機(jī)速度范圍利用充分等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于移動(dòng)電源、后備電源、風(fēng)力發(fā)電、汽車(chē)電源等領(lǐng)域［1－3］。柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的適應(yīng)性系數(shù)低，受負(fù)荷影響大，需要配備油門(mén)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)整供油量以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸入與輸出具有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，不受電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的影響，并且不累計(jì)控制誤差，非常適合用作油門(mén)調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)［4］。

VSIG作為一個(gè)多變量、非線性、非穩(wěn)態(tài)的系統(tǒng)，在運(yùn)行階段調(diào)速范圍寬且負(fù)載性質(zhì)、大小等都具有不確定性，采用常規(guī)的PID控制率很難滿足控制要求。將模糊控制與傳統(tǒng)PID控制相結(jié)合的模糊PID控制具有較強(qiáng)的非線性逼近能力，適合于VSIG這類(lèi)非線性、時(shí)變及純滯后系統(tǒng)的控制，文獻(xiàn)［5－6］將模糊PID率應(yīng)用于柴油機(jī)調(diào)速，通過(guò)仿真或?qū)嶒?yàn)證明在誤差較大時(shí)能夠取得較好的調(diào)速性能，但小誤差時(shí)調(diào)速控制效果不好、穩(wěn)態(tài)控制精度低。

本文以?xún)上嗷旌鲜讲竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)作為油門(mén)調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，針對(duì)模糊自校正PID在穩(wěn)態(tài)調(diào)速時(shí)的不足，利用細(xì)分控制技術(shù)改善執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制精度，將模糊自校正PID與執(zhí)行電機(jī)細(xì)分控制技術(shù)相結(jié)合，提出一種新穎的變細(xì)分模糊PID調(diào)速控制策略。

1 調(diào)速控制器結(jié)構(gòu)

VSIG調(diào)速控制器結(jié)構(gòu)如圖1所示?？刂破饕罁?jù)轉(zhuǎn)速誤差驅(qū)動(dòng)執(zhí)行步進(jìn)電動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)油門(mén)開(kāi)度，以實(shí)現(xiàn)供油量的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。此外，調(diào)速控制器實(shí)時(shí)檢測(cè)各環(huán)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)VSIG系統(tǒng)的綜合監(jiān)控和控制功能。

圖1 調(diào)速控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 變細(xì)分模糊PID調(diào)速控制設(shè)計(jì)

2.1 VSIG調(diào)速控制率設(shè)計(jì)

目前柴油機(jī)的調(diào)速控制以PID控制率及其改進(jìn)算法為主。其中模糊自校正PID不依賴(lài)于被控對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型，有較強(qiáng)的動(dòng)態(tài)性能和魯棒性能，但模糊自校正邏輯控制器引入的控制參數(shù)貫穿整個(gè)過(guò)程，針對(duì)性差、參數(shù)選擇不易;在穩(wěn)態(tài)擾動(dòng)較大時(shí)，積分環(huán)節(jié)容易產(chǎn)生飽和現(xiàn)象，破壞系統(tǒng)穩(wěn)定性。為此，本文提出一種變細(xì)分模糊自校正PID調(diào)速控制策略，其控制原理框圖如圖2所示。

圖2 變細(xì)分PID參數(shù)模糊自校正控制器結(jié)構(gòu)

變細(xì)分模糊自校正PID在各階段采用不同細(xì)分?jǐn)?shù)增強(qiáng)控制參數(shù)的針對(duì)性:在動(dòng)態(tài)調(diào)整過(guò)程中，采用較大細(xì)分?jǐn)?shù)以保證良好的動(dòng)態(tài)調(diào)速性能;進(jìn)入穩(wěn)態(tài)范圍后，采用較小的細(xì)分?jǐn)?shù)以減小步進(jìn)電動(dòng)機(jī)抖動(dòng)引起的穩(wěn)態(tài)誤差，提高積分環(huán)節(jié)，消除穩(wěn)態(tài)誤差的性能。

2.2 PID參數(shù)模糊自校正設(shè)計(jì)

數(shù)字增量式PID的數(shù)學(xué)形式如下:

式中:kp、ki、kd為校正后的參數(shù);kp0、ki0、kd0為初始化參數(shù);fp(e，eD)、fi(e，eD)、fd(e，eD)為采用參數(shù)模糊校正器得到的增益校正值;αkp、αki、αkd為調(diào)整系數(shù)，如圖3所示。

圖3 PID校正參數(shù)模糊推理輸出曲面

校正器包括一個(gè)常規(guī)PID調(diào)節(jié)器和模糊校正器。轉(zhuǎn)速偏差和偏差的變化率作為輸入，PID參數(shù)的校正值作為輸出，根據(jù)模糊控制規(guī)則做出推理，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的校正。

2.2.1 校正系統(tǒng)輸入輸出變量模糊化

設(shè)某時(shí)刻的轉(zhuǎn)速誤差和轉(zhuǎn)速誤差變化率分別為e(k)和 eD(k)，則有:

對(duì)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速誤差e和誤差變化率eD，以及校正參數(shù)fp、fi、fd進(jìn)行模糊化。對(duì)模糊校正調(diào)節(jié)器二維輸入e、eD和三維輸出fp、fi、fd劃分相同模糊子集如下:e、eD、fp、fi、fd={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。映射到模糊集上的論域:e、eD、fp、fi、fd=［－1，1］。

將柴油機(jī)的速度誤差范圍劃定為［－50，50］r/min;轉(zhuǎn)速誤差變化率的范圍劃定為［－10，10］(r/min)/s，超出范圍的作為邊界值處理;輸出參數(shù)fu(e，eD)的范圍劃定為［－100，100］;則對(duì)應(yīng)的量化因子分別為 0.02，0.1，0.01。

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2.2.2 建立參數(shù)自校正規(guī)則

根據(jù)kp、ki、kd對(duì)系統(tǒng)調(diào)速控制器輸出特性的影響［7－9］，結(jié)合本系統(tǒng)對(duì)控制參數(shù)的具體要求，建立Δkp、Δki、Δkd參數(shù)的校正模糊規(guī)則集，如表1所示。

表1 Δkp、Δki、Δkd參數(shù)調(diào)整模糊規(guī)則集模型

2.2.3 模糊推理規(guī)則建立及校正參數(shù)的解模糊

依據(jù)表1建立的校正參數(shù)推理規(guī)則，按照Min－Max推理方法，得到校正參數(shù)的輸出曲面，如圖3所示。

實(shí)際應(yīng)用中，必須用確定的值清晰化模糊推理結(jié)果。本文采用重心法進(jìn)行去模糊。

2.3 變細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制

以?xún)上嗷旌鲜讲竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)作為油門(mén)調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)時(shí)，若以步距角為單位進(jìn)行控制，則在低頻時(shí)會(huì)在穩(wěn)定平衡點(diǎn)產(chǎn)生衰減振蕩，從而影響油門(mén)調(diào)節(jié)控制精度，并帶來(lái)振動(dòng)及噪聲。通過(guò)細(xì)分控制使實(shí)際步距角減小，可大大提高控制精度，并減小或消除振蕩，降低噪聲，抑制轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。

不計(jì)鐵心飽和并忽略主磁導(dǎo)高次諧波時(shí)，兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的矩角特性為正弦曲線，如圖4所示。通以A、B兩相電流時(shí)，轉(zhuǎn)矩可表示:

式中:k為比例系數(shù);θe為轉(zhuǎn)子的電角度位置。

若兩相繞組分別通以如下電流:

式中:α為期望的轉(zhuǎn)子定位電角度，將式(5)代入式(4)，得:

由式(6)可以看出，兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的細(xì)分是通過(guò)控制兩相繞組中電流的大小，使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按照同步運(yùn)行方式旋轉(zhuǎn)。電機(jī)內(nèi)部的合成磁場(chǎng)為圓形空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，合成磁場(chǎng)的矢量大小決定了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩大小，相鄰兩個(gè)合成磁場(chǎng)矢量的夾角為細(xì)分之后的步距角。

圖4 兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的矩角特性

VSIG在調(diào)速的動(dòng)態(tài)階段和穩(wěn)態(tài)階段，對(duì)油門(mén)調(diào)節(jié)電機(jī)的控制要求和控制精度不盡相同，因此可采用變細(xì)分控制:在動(dòng)態(tài)調(diào)整階段對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用較粗的細(xì)分步數(shù)，可減小振蕩并保證動(dòng)態(tài)響應(yīng)性;在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行階段后，加大細(xì)分?jǐn)?shù)，可抑制穩(wěn)態(tài)運(yùn)行階段由于轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)引起的擾動(dòng)，提高穩(wěn)態(tài)調(diào)速精度。

3 試驗(yàn)及分析

為驗(yàn)證系統(tǒng)功能和性能，本文進(jìn)行了樣機(jī)實(shí)驗(yàn)。樣機(jī)為單缸、四沖程、風(fēng)冷、直噴式VSIG系統(tǒng)，標(biāo)定轉(zhuǎn)速nN=3000 r/min，標(biāo)定功率PN=3 kW。運(yùn)行速度范圍為2250～3000 r/min。油門(mén)調(diào)節(jié)電機(jī)采用42BYGH型兩相混合步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。為調(diào)試方便，編制了上位機(jī)，采用 RS422通訊接口，波特率57600 b/s。

系統(tǒng)調(diào)速性能試驗(yàn)通過(guò)對(duì)系統(tǒng)施加阻感負(fù)載進(jìn)行測(cè)試，速度曲線如圖5所示。圖5(a)、圖5(c)為固定4細(xì)分下采用模糊參數(shù)自校正PID的調(diào)速曲線;圖5(b)、圖5(d)為變細(xì)分模糊PID控制的調(diào)速曲線，動(dòng)態(tài)調(diào)整階段采用4細(xì)分，進(jìn)入設(shè)定誤差帶后采用32細(xì)分。圖5(a)、圖5(b)為施加150%阻感負(fù)載時(shí)的速度曲線;圖5(c)、圖5(d)為額定轉(zhuǎn)速下施加10%阻感負(fù)載時(shí)的速度曲線。

圖5 不同調(diào)速策略下施加擾動(dòng)的調(diào)速曲線

從圖中可以看出，固定細(xì)分下采用模糊參數(shù)自校正PID進(jìn)行調(diào)速控制時(shí)，速度響應(yīng)快，但調(diào)整過(guò)程過(guò)沖較大，在小擾動(dòng)及穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，速度波動(dòng)較大。采用變細(xì)分模糊PID進(jìn)行調(diào)速時(shí)，既保證了調(diào)速的動(dòng)態(tài)性能，又改善了小擾動(dòng)及穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)VSIG寬運(yùn)行范圍內(nèi)的調(diào)速監(jiān)控，研制了一套綜合調(diào)速監(jiān)控系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能完備。針對(duì)模糊PID在穩(wěn)態(tài)調(diào)速效果不足的問(wèn)題，將調(diào)速控制策略與執(zhí)行電機(jī)驅(qū)動(dòng)策略相結(jié)合，提出變細(xì)分模糊PID調(diào)速控制，以實(shí)現(xiàn)VSIG在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)良好的動(dòng)靜態(tài)調(diào)速性能。樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的調(diào)速控制系統(tǒng)及調(diào)速控制策略的有效性，能夠顯著改善模糊控制器在穩(wěn)態(tài)時(shí)的控制精度。

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