專利名稱：小功率柴油發(fā)電機(jī)恒速恒頻雙閉環(huán)控制系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種柴油發(fā)電機(jī)領(lǐng)域，特別是其控制系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是屬于速度控制系統(tǒng)，即速度閉環(huán)控制。隨著自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速性能的要求也越來(lái)越高。發(fā)動(dòng)機(jī)上最初使用的是離心式機(jī)械調(diào)速器。離心式機(jī)械調(diào)速器作為第一代調(diào)速器，調(diào)速精度較差，主要用于小型發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速。在70年代中期廣泛應(yīng)用的液壓機(jī)械調(diào)速器可以說(shuō)是第二代調(diào)速器，調(diào)節(jié)性能有所提高，曾被廣 泛應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)電站調(diào)速及船舶動(dòng)力裝置等。隨著發(fā)電機(jī)組容量的不斷增大及某些特殊用電對(duì)象對(duì)供電質(zhì)量要求的提高，又出現(xiàn)了以模擬電路為核心的全電子調(diào)速器，可將其歸納為第三代調(diào)速器。近年來(lái)，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的調(diào)速也從傳統(tǒng)的模擬技術(shù)轉(zhuǎn)向數(shù)字控制，出現(xiàn)了以微處理器為核心的第四代數(shù)字式電子調(diào)速器。如德國(guó)MTU公司的R082型，美國(guó)WOODWARD公司的PROACTI / II /I I/IV系列，日本NABCO公司的MG-80型數(shù)字電子調(diào)速器等。作為新一代電調(diào)，數(shù)字式電調(diào)具有算法靈活、精度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，自90年代中期以來(lái)，其在發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速領(lǐng)域己逐漸推廣。柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)因其具有復(fù)雜的非線性、時(shí)滯、時(shí)變不確定性等特性，難以對(duì)其建立精確的數(shù)學(xué)模型。PID控制作為一種實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程普遍采用的工程控制方法，具有計(jì)算量小、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、易于實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，因此，在調(diào)速領(lǐng)域被廣泛采用。目前，國(guó)內(nèi)外柴油發(fā)電機(jī)組用電子調(diào)速器均是基于PID控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，大多數(shù)仍采用模擬電路實(shí)現(xiàn)。最典型的兩家公司是美國(guó)伍德沃德公司和德國(guó)海因茲曼公司。這兩家公司產(chǎn)品均采用模擬電路實(shí)現(xiàn)PID運(yùn)算。其具體實(shí)現(xiàn)又有所區(qū)別伍德沃德公司的比例環(huán)節(jié)上采用了鎖相環(huán)技術(shù)，其輸入為頻率量。而海因茲曼公司則采用頻壓轉(zhuǎn)換技術(shù)將電磁傳感器的頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓，再進(jìn)行比較放大處理。對(duì)于數(shù)字電子調(diào)速器，國(guó)內(nèi)外只有美國(guó)新格斯達(dá)公司有商業(yè)化產(chǎn)品，其控制仍是采用普通PID運(yùn)算，各參數(shù)整定須用配套設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。為進(jìn)一步提高數(shù)字式電調(diào)的性能指標(biāo)，仍需在控制理論和控制算法等方面加強(qiáng)研究。電子式調(diào)速器的國(guó)外品牌主要有德國(guó)海因茲曼公司、瑞士 ABB公司、德國(guó)Bosch公司、美國(guó)AMBAC公司和美國(guó)新格斯達(dá)公司等；國(guó)內(nèi)品牌主要有蘭州電源車輛研究所和上海孚創(chuàng)動(dòng)力等。綜合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，目前，對(duì)于小功率柴油發(fā)電機(jī)組供電電壓頻率的控制均由柴油機(jī)調(diào)速器實(shí)現(xiàn)，用于控制小功率柴油發(fā)電機(jī)組供電頻率恒定的數(shù)字式雙閉環(huán)控制方法尚屬空白。鑒于此，本專利提出的小功率柴油發(fā)電機(jī)組雙閉環(huán)控制方法是柴油發(fā)電機(jī)組輸出電壓頻率保持恒定的核心，可替代現(xiàn)有小功率柴油發(fā)電機(jī)組各種形式的調(diào)速技術(shù)，以解決強(qiáng)內(nèi)、外擾動(dòng)所造成輸出電壓頻率波動(dòng)的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供小功率柴油發(fā)電機(jī)恒速恒頻雙閉環(huán)控制系統(tǒng)及方法，用以解決不同類型柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的精確控制和發(fā)電機(jī)組的頻率波動(dòng)問題。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的系統(tǒng)方案是小功率柴油發(fā)電機(jī)組恒速恒頻雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)由作為內(nèi)環(huán)的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)和作為外環(huán)的發(fā)電機(jī)組頻率閉環(huán)構(gòu)成，所述發(fā)電機(jī)組頻率閉環(huán)的誤差輸入經(jīng)過(guò)PID控制器調(diào)節(jié)后作為柴油機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)的輸入，所述柴油機(jī)的動(dòng)力輸出通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)組；所述發(fā)電機(jī)組頻率閉環(huán)的誤差輸入為設(shè)定頻率與發(fā)電機(jī)組頻率測(cè)量值的差值。所述柴油機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)的輸入與柴油機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量值的差值通過(guò)一個(gè)自適應(yīng)轉(zhuǎn)速控制器調(diào)節(jié)后輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制連接噴油泵，通過(guò)控制噴油泵的供油量調(diào)控柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速。所述柴油機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量值通過(guò)安裝在柴油機(jī)輸出軸上的轉(zhuǎn)速傳感器獲得。
所述發(fā)電機(jī)組頻率測(cè)量值通過(guò)設(shè)置在發(fā)電機(jī)輸出端的電壓傳感器及相應(yīng)數(shù)字信號(hào)處理電路獲得。本發(fā)明的方法方案是對(duì)柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)行柴油機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制和發(fā)電機(jī)組頻率閉環(huán)控制，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)為內(nèi)環(huán)，發(fā)電機(jī)組頻率閉環(huán)為外環(huán)；并使發(fā)電機(jī)組頻率閉環(huán)的誤差輸入經(jīng)過(guò)PID控制器調(diào)節(jié)后作為柴油機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)的輸入，所述發(fā)電機(jī)組頻率閉環(huán)的誤差輸入為設(shè)定頻率與發(fā)電機(jī)組頻率測(cè)量值的差值。在柴油機(jī)在啟動(dòng)和停機(jī)過(guò)程時(shí)，采用轉(zhuǎn)速環(huán)對(duì)柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)行控制，在正常工作和負(fù)載突變過(guò)程時(shí)，采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)與頻率閉環(huán)對(duì)柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)行控制。柴油發(fā)電機(jī)組工作工程分為啟動(dòng)、正常工作、負(fù)載突變和停機(jī)四個(gè)工作模式。啟動(dòng)和停機(jī)工作模式采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行控制，在正常工作和負(fù)載突變工作模式下采用轉(zhuǎn)速與頻率閉環(huán)對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行控制。根據(jù)柴油機(jī)啟動(dòng)和停機(jī)信號(hào)，直接使用轉(zhuǎn)速環(huán)進(jìn)行控制；設(shè)定一個(gè)穩(wěn)態(tài)波動(dòng)率，表征柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)率，當(dāng)超調(diào)率超過(guò)穩(wěn)態(tài)波動(dòng)率時(shí)，為負(fù)載突變工作模式，其他情況為正常工作模式。這些模式的判斷均由控制器軟件實(shí)現(xiàn)。對(duì)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速與發(fā)電機(jī)組輸出電壓頻率既可實(shí)施聯(lián)合控制，又可分別實(shí)施獨(dú)立控制，以實(shí)現(xiàn)柴油發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速或頻率穩(wěn)定。采用本發(fā)明的控制系統(tǒng)，有效解決了因柴油機(jī)與發(fā)電機(jī)之間動(dòng)力傳輸方式(如剛性聯(lián)結(jié)、柔性聯(lián)結(jié))和變負(fù)載情況下造成的發(fā)電機(jī)組輸出電壓頻率波動(dòng)問題。


圖I是本發(fā)明的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。系統(tǒng)實(shí)施例
如圖I所示，小功率柴油發(fā)電機(jī)恒速恒頻雙閉環(huán)控制系統(tǒng)由柴油機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)(以下簡(jiǎn)稱轉(zhuǎn)速閉環(huán))和發(fā)電機(jī)組(輸出電壓)頻率閉環(huán)(以下簡(jiǎn)稱頻率閉環(huán))兩個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成，轉(zhuǎn)速閉環(huán)為內(nèi)環(huán)，頻率閉環(huán)為外環(huán)。轉(zhuǎn)速閉環(huán)的輸入與柴油機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量值的誤差通過(guò)一個(gè)自適應(yīng)轉(zhuǎn)速控制器調(diào)節(jié)后輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制連接噴油泵，通過(guò)控制噴油泵的供油量調(diào)控柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速閉環(huán)的輸出通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)連接發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)組的發(fā)電電壓頻率為頻率閉環(huán)的輸出量。頻率閉環(huán)的誤差輸入經(jīng)過(guò)PID控制器調(diào)節(jié)后作為轉(zhuǎn)速閉環(huán)的輸入，頻率閉環(huán)的誤差輸入為設(shè)定頻率與發(fā)電機(jī)組頻率測(cè)量值的差值。柴油機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量值通過(guò)安裝在柴油機(jī)飛輪殼上的轉(zhuǎn)速傳感器獲得。轉(zhuǎn)速閉環(huán)是將柴油機(jī)穩(wěn)定控制在設(shè)定工作轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，通過(guò)安裝在飛輪殼上的轉(zhuǎn)速電磁傳感器檢測(cè)出轉(zhuǎn)速信號(hào)，根據(jù)測(cè)量轉(zhuǎn)速與設(shè)定工作轉(zhuǎn)速的偏差，由自適應(yīng)轉(zhuǎn)速控制器控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)改變油門拉桿位置，調(diào)節(jié)供油量大小，縮小轉(zhuǎn)速偏差，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的自動(dòng)調(diào)節(jié)。發(fā)電機(jī)組頻率測(cè)量值通過(guò)設(shè)置在發(fā)電機(jī)輸出端的電壓互感器測(cè)量輸出電壓信號(hào)，然后通過(guò)相應(yīng)數(shù)字信號(hào)處理電路對(duì)該電壓信號(hào)進(jìn)行處理得到該電壓信號(hào)的頻率。根據(jù)測(cè)量頻率與設(shè)定工作頻率的偏差，經(jīng)過(guò)PID控制器調(diào)節(jié)后作為轉(zhuǎn)速閉環(huán)的輸入量。方法實(shí)施例
本發(fā)明的方法的特點(diǎn)是在柴油機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)發(fā)電機(jī)的發(fā)電電壓頻率閉環(huán)控制，并將頻率閉環(huán)作為外環(huán)，使發(fā)電機(jī)組頻率閉環(huán)的誤差輸入經(jīng)過(guò)PID控制器調(diào)節(jié) 后作為柴油機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)的輸入，所述發(fā)電機(jī)組頻率閉環(huán)的誤差輸入為設(shè)定頻率與發(fā)電機(jī)組頻率測(cè)量值的誤差。 柴油發(fā)電機(jī)組由啟動(dòng)、正常工作、負(fù)載突變和停機(jī)四個(gè)工作過(guò)程組成，啟動(dòng)和停機(jī)過(guò)程采用只采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，在正常工作和負(fù)載突變過(guò)程采用雙閉環(huán)控制。根據(jù)柴油機(jī)啟動(dòng)和停機(jī)信號(hào)，直接使用轉(zhuǎn)速環(huán)進(jìn)行控制；設(shè)定一個(gè)穩(wěn)態(tài)波動(dòng)率，表征柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)率，當(dāng)超調(diào)率超過(guò)穩(wěn)態(tài)波動(dòng)率時(shí)，為負(fù)載突變工作模式，其他情況為正常工作模式。系統(tǒng)控制器接受柴油機(jī)啟動(dòng)和停機(jī)信號(hào)，并檢測(cè)判斷波動(dòng)率等信息，所以上述模式的判斷均由系統(tǒng)控制器軟件實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.小功率柴油發(fā)電機(jī)組恒速恒頻雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，其特征在于，該控制系統(tǒng)由作為內(nèi)環(huán)的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)和作為外環(huán)的發(fā)電機(jī)組頻率閉環(huán)構(gòu)成，所述發(fā)電機(jī)組頻率閉環(huán)的誤差輸入經(jīng)過(guò)PID控制器調(diào)節(jié)后作為柴油機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)的輸入，所述柴油機(jī)的動(dòng)カ輸出通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)組；所述發(fā)電機(jī)組頻率閉環(huán)的誤差輸入為設(shè)定頻率與發(fā)電機(jī)組頻率測(cè)量值的差值。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的小功率柴油發(fā)電機(jī)組恒速恒頻雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述柴油機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)的輸入與柴油機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量值的差值通過(guò)ー個(gè)自適應(yīng)轉(zhuǎn)速控制器調(diào)節(jié)后輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制連接噴油泵，通過(guò)控制噴油泵的供油量調(diào)控柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的小功率柴油發(fā)電機(jī)組恒速恒頻雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述柴油機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量值通過(guò)安裝在柴油機(jī)輸出軸上的轉(zhuǎn)速傳感器獲得。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2或3所述的小功率柴油發(fā)電機(jī)組恒速恒頻雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)電機(jī)組頻率測(cè)量值通過(guò)設(shè)置在發(fā)電機(jī)輸出端的電壓傳感器及相應(yīng)數(shù)字信號(hào)處理電路獲得。
5.小功率柴油發(fā)電機(jī)組恒速恒頻雙閉環(huán)控制方法，其特征在于，對(duì)柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)行柴油機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制和發(fā)電機(jī)組頻率閉環(huán)控制，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)為內(nèi)環(huán)，發(fā)電機(jī)組頻率閉環(huán)為外環(huán)；并使發(fā)電機(jī)組頻率閉環(huán)的誤差輸入經(jīng)過(guò)PID控制器調(diào)節(jié)后作為柴油機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)的輸入，所述發(fā)電機(jī)組頻率閉環(huán)的誤差輸入為設(shè)定頻率與發(fā)電機(jī)組頻率測(cè)量值的差值。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的小功率柴油發(fā)電機(jī)組恒速恒頻雙閉環(huán)控制方法，其特征在于，在柴油機(jī)在啟動(dòng)和停機(jī)過(guò)程時(shí)，采用轉(zhuǎn)速環(huán)對(duì)柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)行控制，在正常工作和負(fù)載突變過(guò)程吋，采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)與頻率閉環(huán)對(duì)柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)行控制。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種小功率柴油發(fā)電機(jī)恒速恒頻雙閉環(huán)控制系統(tǒng)及方法，該控制系統(tǒng)由作為內(nèi)環(huán)的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)和作為外環(huán)的發(fā)電機(jī)組頻率閉環(huán)構(gòu)成，所述發(fā)電機(jī)組頻率閉環(huán)的誤差輸入經(jīng)過(guò)PID控制器調(diào)節(jié)后作為柴油機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)的輸入，所述柴油機(jī)的動(dòng)力輸出通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)組；所述發(fā)電機(jī)組頻率閉環(huán)的誤差輸入為設(shè)定頻率與發(fā)電機(jī)組頻率測(cè)量值的差值。本發(fā)明能夠解決不同類型柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的精確控制和發(fā)電機(jī)組的頻率波動(dòng)問題。
文檔編號(hào)F02D29/06GK102691583SQ20111038703
公開日2012年9月26日 申請(qǐng)日期2011年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月29日
發(fā)明者付主木, 梁坤峰, 王程遠(yuǎn), 高春艷, 高愛云 申請(qǐng)人:河南科技大學(xué)