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柴油發(fā)電機(jī)組數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)研制過程中發(fā)現(xiàn)，采用普通pid運(yùn)算，振蕩及超調(diào)時(shí)有發(fā)生，為了改善調(diào)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(diào)節(jié)積分系數(shù)，模糊pid用來調(diào)節(jié)比例系數(shù)。

1變速積分pid原理

1．1pid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(jù)給定值r（t）與實(shí)際輸出構(gòu)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(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控制。其控制規(guī)律為：

式中，kp為比例系數(shù)，t1為積分時(shí)間常數(shù)，td為微分時(shí)間常數(shù)。

在pid控制中，比例項(xiàng)用于糾正偏差，積分項(xiàng)用于消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，微分項(xiàng)用于減小系統(tǒng)的超調(diào)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(gè)系數(shù)。如何選用這3個(gè)系數(shù)是pid控制的核心。

1．2數(shù)字pid控制算法選擇

設(shè)計(jì)和調(diào)整數(shù)字pid控制器的任務(wù)就是根據(jù)被控對象和系統(tǒng)要求，選擇合適的pid模型，將其進(jìn)行離散化處理，編出計(jì)算機(jī)程序由微處理器實(shí)現(xiàn)，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(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量，因此，必須對pid模型進(jìn)行離散化處理。

用矩形方法數(shù)值積分代替式（3）中的積分項(xiàng)，對式（3）中的導(dǎo)數(shù)項(xiàng)用后向差分逼近，經(jīng)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(shí)刻輸出值

e（k）——第k次采樣時(shí)輸入的偏差值

e（k－1）——第（k－1）次采樣時(shí)刻輸入的偏差值

k1——積分系數(shù)，k1＝kpt／t1

kd——微分?jǐn)?shù)系，kd＝kptd／t1

在數(shù)字控制系統(tǒng)中，pid控制規(guī)律是用程序來實(shí)現(xiàn)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(jī)調(diào)速過程中，突加突減負(fù)載時(shí)，會引起轉(zhuǎn)速的較大波動，導(dǎo)致短時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)較大偏差，通過pid積分運(yùn)算積累，超調(diào)量過大，系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩，嚴(yán)重影響發(fā)電機(jī)組輸出電能的品質(zhì)。為避免pid控制中積分項(xiàng)引起的超調(diào)，提高其調(diào)節(jié)品質(zhì)，擬采用積分分離法對基本pid控制進(jìn)行改進(jìn)，簡稱變速積分pid。變速積分pid的基本思路是設(shè)法改變積分項(xiàng)的累加速度，使其與偏差大小相對應(yīng)，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(shí)刻pid運(yùn)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(diǎn)：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(xiàn)象；各參數(shù)容易整定，易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定，而且對a、b兩參數(shù)不要求十分精確；超調(diào)量大大減小，改善了調(diào)節(jié)品質(zhì)，適應(yīng)性較強(qiáng)。

2柴油發(fā)電機(jī)組數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)中pid控制參數(shù)整定［3，4］

數(shù)字pid控制參數(shù)整定的任務(wù)主要是確定數(shù)字pid的參數(shù)kp、t1、td和t。

對于簡單控制系統(tǒng)，可采用理論計(jì)算方法確定這些參數(shù)。但由于柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的工況較為復(fù)雜，其數(shù)學(xué)模型并非十分精確，在此，采用工程整定常用的擴(kuò)充臨界比例帶法，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)法再對參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，得到最終的pid參數(shù)。

（1）采樣周期t的選擇

在數(shù)字控制系統(tǒng)中，采樣周期t是一個(gè)比較重要的因素，采樣周期的選取，應(yīng)與pid參數(shù)的整定綜合考慮。

首先，采樣周期t的選取應(yīng)滿足以下要求：遠(yuǎn)小于對象擾動周期；比對象時(shí)間常數(shù)小得多；盡量縮短采樣周期，以改善調(diào)節(jié)品質(zhì)。

該系統(tǒng)中，pid調(diào)節(jié)控制過程是在定時(shí)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(wù)程序的正常運(yùn)行。在不影響中斷程序運(yùn)行的情況下，可取采樣周期t＝0．1τ（τ為柴油機(jī)的純滯后時(shí)間）。當(dāng)中斷程序運(yùn)行時(shí)間tz大于0．1τ時(shí)，則取t＝tz，

（2）臨界振蕩周期ts的確定

初始確定數(shù)字pid參數(shù)時(shí)，在用上述方法確定采樣周期t的條件下，從調(diào)速系統(tǒng)的pid調(diào)節(jié)回路中，去掉數(shù)字控制器的微分控制作用和積分控制作用，只采用比例調(diào)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(shù)ks。由單片機(jī)系統(tǒng)自動控制比例系數(shù)kp，并逐漸增大kp，直到系統(tǒng)出現(xiàn)持續(xù)的等幅振蕩，然后由單片機(jī)系統(tǒng)自動記錄并顯示調(diào)速系統(tǒng)發(fā)生等幅振蕩時(shí)的臨界比例度δ和相應(yīng)的臨界振蕩周期ts。

控制度就是以模擬調(diào)節(jié)器為基礎(chǔ)，定量衡量數(shù)字控制系統(tǒng)與模擬調(diào)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(zhǔn)則，根據(jù)系統(tǒng)在規(guī)定的輸入下的輸出響應(yīng)，使用該準(zhǔn)則取最小值時(shí)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(zhì)，同樣是最佳整定，數(shù)字控制系統(tǒng)的品質(zhì)要低于模擬系統(tǒng)的控制品質(zhì)。即控制度總是大于1的，且控制度越大，相應(yīng)的數(shù)字控制系統(tǒng)品質(zhì)越差。

為獲得與模擬控制器相當(dāng)?shù)钠焚|(zhì)，控制度選為1．05。不同控制度時(shí)，擴(kuò)充臨界比例帶法pid參數(shù)計(jì)算公式

（4）kp、k1、kd、t的求取

根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得ks和ts及選定的控制度，按表1計(jì)算出數(shù)字pid參數(shù)kp、t1、td和t。

（5）控制效果的調(diào)節(jié)

按求得的參數(shù)值在調(diào)速控制系統(tǒng)中運(yùn)行，并觀察控制效果。如控制效果達(dá)不到控制要求，可基于以下原則，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法對參數(shù)做適當(dāng)調(diào)整。

①增大比例系數(shù)kp，將加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，但過大會使系統(tǒng)產(chǎn)生較大超調(diào)，甚至產(chǎn)生振蕩。

②增大積分時(shí)間t1，有利于減小超調(diào)，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(shí)間。

③增大微分時(shí)間常數(shù)td有利于加快系統(tǒng)的響應(yīng)，使超調(diào)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(yīng)。

基于上述原則，調(diào)整pid參數(shù)時(shí)，應(yīng)先比例、后積分、再微分進(jìn)行調(diào)整。

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