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伊藤汽油發(fā)電機的數字控制系統(tǒng)和調速器研制
伊藤汽油發(fā)電機是對外輸出電能的設備，由汽油機帶動發(fā)電機工作。發(fā)電機一般情況下為同步交流發(fā)電機，輸出頻率與汽油機的轉速有關。因此，要保證發(fā)電機的供電品質，必須采用調速器來調節(jié)汽油機的轉速。現在小型汽油機的調速大多采用機械調速，由于機械調速器自身有慣性滯后和摩擦阻力大的缺陷，調速時不可避免存在過度時間長、穩(wěn)定性和可靠性能差等缺點。隨著經濟和社會的快速發(fā)展，內燃機的應用也越來越廣泛，能源問題和環(huán)境問題日益嚴重，對內燃機的控制精度和排放的要求進一步提高。數字電子調速器是較為*的調速系統(tǒng)，能極大地提高了汽油發(fā)電機的調速性能，彌補了機械調速固有的缺陷，并可以用*的控制方法，進一步提高調速器的性能。目前市場上類似的數字電子調速器大都應用于柴油機，不能直接應用于汽油機。
因此，開發(fā)一種可靠性高、通用性強和價格合理的小型汽油發(fā)電機電子調速器勢在必行，且具有廣闊的市場前景。本文分析了汽油機的工況特性和數學模型，重點研究了數字式電子調速器的設計，然后進行了仿真和配機實驗，并進一步分析了數字電子調速器的節(jié)能特性。在對汽油機工況特性的分析中，得到汽油機工作過程存在不確定性、時變性和非線性的特點，要想建立的汽油機數學模型比較困難，針對此系統(tǒng)本文設計了基于模糊滑?？刂破鞯钠蜋C調速系統(tǒng)?；Ｗ兘Y構控制具有快速響應、魯棒性強、無需系統(tǒng)在線辨識、物理實現簡單等優(yōu)點，不足之處是存在抖振現象。針對此問題，本文將模糊控制引入到滑模控制中來，利用模糊控制規(guī)則，柔化控制信號，使滑?？刂浦械亩墩竦玫较魅?。由于系統(tǒng)的主要擾動來自負載突變，因此本文設計了基于負載擾動的前饋補償控制系統(tǒng)。zui后在MATLAB中對所設計控制器進行了仿真分析。
根據所設計的控制器，本文給出了其硬件設計和軟件設計方法及過程，硬件設計包括：控制器模塊、轉速測量模塊、執(zhí)行器驅動模塊、數碼顯示模塊、電源模塊、電流測量模塊等。軟件設計主要包括控制策略計算模塊、怠速模塊、啟動模塊、停機模塊、負載電流測量模塊、轉速測量模塊、顯示模塊等。將所設計的數字電子調速器安裝在重慶縉龍公司的2.0GF汽油發(fā)電機上進行了配機實驗，結果表明，數字電子調速器較原來的機械調速器具有更好的穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)調速性能，并具有很好的節(jié)能效果。調速器設計簡單，可靠性高，具有很高的實用價值。
隨著國民經濟的飛速發(fā)展和人民生活水平的提高,內燃發(fā)電機組正得到日益廣泛的應用。在10kW以下的發(fā)電機組中,小巧、輕便的汽油發(fā)電機組占有大部分的市場。目前,國內外采用機械式調速器控制發(fā)電機組轉速,在負載變化時存在轉速調大等缺陷,影響發(fā)電機輸出電源頻率的穩(wěn)定,限制了發(fā)電機性能的進一步提高。近年來,為適應發(fā)電機組“輕型化”和“小型化”的要求,采用高速汽油機、永磁中頻發(fā)電機和逆變技術成為小型便攜式汽油發(fā)電機組的發(fā)展方向。 本文以小型高速汽油發(fā)電機組為被控對象,對電子調速系統(tǒng)和電源逆變系統(tǒng)進行研究。
做了如下工作: 通過對汽油發(fā)電機組主要組成部分的結構、原理分析,得到了發(fā)電機組系統(tǒng)的數學模型,為控制系統(tǒng)的開發(fā)提供了理論依據。 為了滿足控制系統(tǒng)對速度和器件資源的要求,選擇CYGNAL公司C8051F040作為控制系統(tǒng)的主控芯片,進行數字控制系統(tǒng)的硬件設計,并設計了RS-232接口,實現與上位機的串口通信,實時傳遞實驗數據。 根據發(fā)電機組產品對輸出電壓、頻率以及諧波的要求,設計了基于IPM模塊的逆變電路,以及相應的保護電路。 對針對8051系列單片機的多任務實時操作系統(tǒng)RTX-51進行了分析;討論了實時響應速度要求較高的系統(tǒng)軟件在實時操作系統(tǒng)平臺上設計時應該注意的問題;并以RTX-51為平臺,設計了汽油發(fā)電機組的控制軟件。
還探討了適應于小型汽油發(fā)電機組控制系統(tǒng)的控制算法。在對控制系統(tǒng)模型的分析基礎上,對常用的PID控制算法以及目前受到廣泛關注的單神經元理論進行了分析,設計了單神經元自適應PID控制器。在MATLAB中的仿真比較表明,在小型高速發(fā)電機控制系統(tǒng)中,單神經元自適應PID控制器在保證足夠快的響應速度的前提下,具有比一般PID控制器更好的調抑止效果。
目前,國內外采用的機械調速器控制發(fā)電機轉速,在負載變化時存在轉速調大等缺陷,影響發(fā)電機頻率的穩(wěn)定,限制了發(fā)電機性能的進一步提高。本課題研制電子調速器來控制汽油發(fā)電機轉速,以降低轉速調,提升發(fā)電機性能。整個研制工作包括實驗裝置的設計、制作、安裝:調速器的硬件開發(fā)和軟件設計以及調速器在KGE1000Ti汽油發(fā)電機上應用的試驗研究。 本調速器的控制策略為FUZZY-PID控制。PID控制器工作穩(wěn)定,在工業(yè)過程控制中應用廣泛,因此在發(fā)電機負載變化不大時采用PID控制;由于PID控制在過渡過程時間與調量之間存在矛盾,因此在發(fā)電機負載發(fā)生較大變化時采用模糊控制。在程序中的實現是根據發(fā)電機輸出電壓的實際脈沖數與額定脈沖數的差值△N與設定值A的大小關系選擇算法,當|△N|<A時,采用PID算法,當|△N|>A時,采用模糊算法。
將本調速器應用于KGE1000Ti型汽油發(fā)電機組,進行了PID三個參數的整定、閥值A的確定以及模糊控制規(guī)則的制定。 對比試驗表明,課題研制的電子調速器對KGE1000Ti汽油發(fā)電機轉速具有較好的控制效果。試驗所測各項頻率性能均優(yōu)于本田公司生產的機械調速式HONDA EX-7發(fā)電機,該機所用發(fā)動機與KGE1000Ti發(fā)電機所用的發(fā)動機類型相同,其中在突加載時的瞬態(tài)頻率偏差上表現得尤為明顯:HONDA EX-7:≤-9.038%,使用本課題研制的電子調速器的KGE1000Ti汽油發(fā)電機:≤-3.6%。 試驗結果與國家標準相比,使用本課題研制的電子調速器的KGE1000Ti汽油發(fā)電機的頻率指標中穩(wěn)態(tài)頻率帶β優(yōu)于JB/T10304-2001中對工頻汽油發(fā)電機組規(guī)定的G2等級,瞬態(tài)頻率偏差、頻率恢復時間、相對頻率容差帶均優(yōu)于G3等級。
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