CN104734588A - 一种生物质气内燃发电机组转速控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物质气内燃发电机组转速控制方法，包括：实时监测内燃发动机输出的转速，当输出的转速发生变化时，与预设的转速值比较后，产生偏差值；将偏差值以及偏差值的变化率分别作为模糊控制环节的两个输入量，输出量经过清晰化后得到模糊控制环节的输出，将偏差值以及PID参数的微调量输入到PID控制器中对相应的参数进行调整；对生物质气内燃发电机组系统进行校正；控制节气门开度，调节生物质气进气量，最终实现调速的目的。本发明有益效果：有效地解决了模糊自适应PID控制系统中调节时间t_s和超调量M_P两个动态性能指标的矛盾，实时的改变控制器的参数，适应生物质气可燃气体波动大的特点。

Description

一种生物质气内燃发电机组转速控制方法

技术领域

本发明涉及内燃发电机组调速技术领域，尤其涉及一种生物质气内燃发电机组转速控制方法。

背景技术

随着社会经济的飞速发展，能源和环境问题越来越受到重视。我国是传统农业大国，有着丰富的生物质能源。将新型能源“生物质气”用于发电，是有效地解决环境和能源问题的重要手段之一。生物质气内燃发电机组是实现生物质气电高效转换的关键设备，其转速控制效果直接决定机组输出的电能质量。

事实上，与燃油和天然气相比，生物质气成分复杂，可燃性气体波动较大，遂使得机组转速更加不稳定。生物质气内燃机包括气体燃烧、膨胀、机械往复运动等众多复杂的变化过程，可燃气含量的变化、运行工况的变化、外界环境的影响、传感器装置和执行机构的扰动等都会使模型参数产生波动，导致模型的时滞性和不确定性，给生物质气内燃发电机组的转速精确控制带来巨大挑战。

目前，内燃发电机组的调速系统，基本采用的是传统的PID控制方式。该控制方式对于控制回路简单、系统快速性和精度要求不很高的情况，基本可以实现无差控制，即稳定性良好。但是，当被控对象本身的参数特性变动较大、控制要求高、系统具有较大时滞特性的情况下，传统PID自适应能力较差，而且在被控对象受到扰动发生变化时，参数不能随之调整，引起系统特性变弱，导致其运行严重不稳定。因此，在传统的PID控制器的作用下，生物质气内燃发电机组发出的电能质量存在调节时间长、超调量大等缺陷。

现代控制理论中的模糊控制虽然不依赖被控对象的精确数学模型，能够克服非线性因素的影响，对调节对象的参数变化具有较强的鲁棒性，但是模糊规则的总结和模糊隶属函数的调节主要依靠经验，有较大的主观性，导致单一的模糊控制存在一定的稳定误差，稳态精度低。

很多学者研究了各种改进的PID控制策略。模糊自适应PID就是其中的一种，它是基于传统PID发展而得的，通过模糊控制的输出量对传统PID的三个参数进行在线微调。它的控制策略是模拟人脑的思维方式控制复杂系统。模糊自适应PID的控制规则一般是根据专家经验生成。这种控制策略可以跟踪发电机组的运行状态，实现在线调参。虽然模糊自适应PID的控制效果优于传统PID，但是模糊自适应PID也存在着传统PID的一部分缺点，如在PID的比例系数调节过程中，系统的动态性能指标调节时间t_s和超调量M_P矛盾。超调量小，则调节时间长；调节时间短，则超调量大，甚至引起系统的不稳定。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提出了一种生物质气内燃发电机组转速控制方法，该方法结合校正环节的设计来减小调节时间t_s和超调量M_P之间的矛盾。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种生物质气内燃发电机组转速控制方法，包括以下步骤：

(1)实时监测内燃发动机输出的转速，当输出的转速发生变化时，与预设的转速值比较后，产生偏差值；

(2)将所述偏差值以及偏差值的变化率分别作为模糊控制环节的两个输入量，所述两个输入量经过模糊化以后，根据由专家经验得到的控制规则表，自动匹配相应的输出量，所述输出量经过清晰化后得到模糊控制环节的输出，作为PID参数的微调量；

(3)将所述偏差值以及PID参数的微调量输入到PID控制器中对相应的参数进行调整；

(4)PID控制器最终的输出值作为校正环节的输入，对生物质气内燃发电机组系统进行校正；

(5)校正环节的输出信号驱动步进电机，控制节气门开度，调节生物质气进气量，最终实现调速的目的。

所述步骤(2)的具体方法为：

1)测试生物质气内燃发电机组在传统PID控制作用下的转速偏差的实际变化范围是[-e_n1,e_n1]，转速偏差变化率的实际变化范围是[-e_n2,e_n2]；

2)确定偏差e的论域为[-e_m1,e_m1]，转速偏差变化率的论域为：[-e_m2,e_m2]；可得生物质气内燃发电机组转速偏差的比例因子EK的计算方式：

${\mathrm{EK}}_1=\frac{e_{m1}}{e_{n1}};$

同理可得生物质气发电机组转速偏差变化率的比例因子的计算方式：

3)确定转速偏差、偏差变化率以及输出量的模糊集，以各自的论域为横轴，隶属度为纵轴，建立三角形隶属度函数；

4)根据由专家经验建立的模糊控制规则表，自动匹配相应的输出量；

5)所述输出量经过重心法清晰化后得到模糊控制环节的输出，作为PID参数的微调量。

所述模糊控制环节的输出为PID控制器K_P、K_I、K_D的变化量ΔK_P、ΔK_I、ΔK_D；PID控制器的实际参数值是：

$\left\{\begin{array}{c}{K}_P=K_P^0+{\mathrm{\ΔK}}_P\\ K_I=K_I^0+{\mathrm{\ΔK}}_I\\ K_D=K_D^0+{\mathrm{\ΔK}}_D\end{array}\right.$

其中，K_P、K_I、K_D分别为PID控制器的比例系数、积分时间常数、微分时间常数；分别为设定的PID控制器比例系数、积分时间常数、微分时间常数的初值。

所述步骤(5)的具体方法为：

(a)建立生物质气内燃发电机组原系统的传递函数G₀(s)，G₀(s)＝G_c1(s)×G_c2(s)×G_c3(s)...×G_cn(s)，并根据传递函数做出伯德图；

(b)计算生物质气内燃发电机组原系统的开环截止频率ω_co和相位裕度γ_co；

(c)计算最大的相位超前角并根据所述相位超前角计算低频衰减率α；

(d)根据计算的低频衰减率α确定新的开环截止频率ω_c；

(e)根据低频衰减率α和开环截止频率ω_c确定校正环节的两转折频率ω₁和ω₂以及补偿增益K_c；

(f)根据上述计算的参数得出校正环节的开环传递函数以及校正后的系统开环频率特性；

(g)依据校正后的系统开环传递函数，绘出相应的伯德图，并判定校正后的系统是否满足设计要求；若不满足，则修正最大相位超前角重新进行计算。

所述步骤(c)中最大的相位超前角的计算方法为：

低频衰减率α的计算方法为：

其中，γ_c为期望的相位裕度，γ_co为生物质气内燃发电机组原系统的相位裕度。

所述步骤(d)中开环截止频率ω_c的计算方法为：

$L_0\left({\mathrm{\ω}}_c\right)=-\frac{1}{2}\·201g\frac{1}{\mathrm{\α}};$

其中，α为低频衰减率，L₀(ω)为原系统初始的幅频特性。

所述两转折频率ω₁和ω₂以及补偿增益K_c的计算方法为：

${\mathrm{\ω}}_1=\sqrt{\mathrm{\α}}\·{\mathrm{\ω}}_c$

${\mathrm{\ω}}_2=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\α}}}\·{\mathrm{\ω}}_c$

$K_c=\frac{1}{\mathrm{\α}};$

所述校正环节的传递函数为：

$G_c\left(s\right)=K_c\·\mathrm{\α}\frac{1+1/{\mathrm{\ω}}_{1}S}{1+1/{\mathrm{\ω}}_{2}S};$

其中，K_c为补偿增益，α为低频衰减率，ω₁和ω₂分别为两转折频率；S表示的是复数频域。

所述校正后的开环频率特性为：

G(s)＝G_c(s)·G₀(s)

其中，G_c(s)为校正环节的传递函数，G₀(s)为生物质气内燃发电机组原系统的传递函数。

本发明的有益效果是：

本发明在提高系统响应速度的同时减小了超调，有效地解决了模糊自适应PID控制系统中调节时间t_s和超调量M_P两个动态性能指标的矛盾，并且可以实现在生物质气内燃发电机组运行的过程中，实时的改变控制器的参数，适应生物质气可燃气体波动大的特点。

附图说明

图1是本发明生物质气内燃发电机组转速控制流程图；

图2是生物质气内燃发电机组转速控制系统结构框图；

图3是本发明实施例生物质气内燃发电机组转速控制系统结构示意图；

图4是本发明实施例转速偏差e的隶属函数曲线；

图5是本发明实施例转速偏差变化率的隶属函数曲线；

图6是本发明实施例输出量u的隶属函数曲线；

图7是本发明实施例系统开环传函的伯德图；

图8是本发明实施例加入校正环节以后的系统开环传函的伯德图；

图9是本发明实施例加入校正环节和未加入校正环节的系统仿真结果对比图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：

本发明生物质气发电机组转速控制系统的运行过程如图1所示。

转速传感器实时监测内燃发动机输出的转速，当输出的转速发生变化时，在与预设的转速值比较后，会产生偏差值，偏差值进入PID控制和模糊控制中，同时，偏差值的微分(即为偏差值的变化率)作为模糊控制的另一个输入。因该模糊控制的输入量有两个，所以称之为二维模糊控制器。进入模糊控制的两个量经过模糊化以后，根据由专家经验而得的控制规则表，自动匹配相应的输出量，该输出量经过清晰化后即为模糊控制实际的输出—PID参数的微调量。模糊控制输出三个参数作用在PID对应各参数后，与设计的校正环节一并构成控制系统，输出驱动步进电机，控制节气门开度，调节生物质气进气量，最终实现调速的目的。

采用如下方法设计模糊自适应控制器。

控制器包括模糊自适应PID和校正环节。图2是生物质气内燃发电机组转速控制系统的结构框图，虚线部分是模糊自适应PID控制器的原理结构。

图中e为转速偏差，为转速偏差变化率，二者作为模糊控制器的输入变量。输出量是PID控制器K_P、K_I、K_D的变化量ΔK_P、ΔK_I、ΔK_D。模糊PID的实际参数值是：

$\left\{\begin{array}{c}{K}_P=K_P^0+{\mathrm{\ΔK}}_P\\ K_I=K_I^0+{\mathrm{\ΔK}}_I\\ K_D=K_D^0+{\mathrm{\ΔK}}_D\end{array}\right.$

其中，分别为PID控制器的参数初值。

模糊自适应PID的实现步骤:

(1)测试生物质气内燃发电机组在传统PID控制作用下的转速偏差的实际变化范围是[-e_n1,e_n1]，转速偏差变化率的实际变化范围是[-e_n2,e_n2]。

(2)偏差e的论域为[-e_m1,e_m1]，转速偏差变化率的论域为：[-e_m2,e_m2]；可得生物质气内燃发电机组转速偏差的比例因子EK的计算方式：

$\mathrm{EK}=\frac{e_{m1}}{e_{n1}};$

同理，可得生物质气发电机组转速偏差变化率的比例因子的计算方式。

(3)定转速偏差、偏差变化率以及输出量的模糊集，以各自的论域为横轴，隶属度为纵轴，建立三角形隶属度函数；这是由于相比于其他隶属度函数，三角形隶属函数的分辨率和控制灵敏度高的优点，更适合控制生物质气内燃发电机组。

(4)建立模糊控制规则。

(5)将模糊推理得到的模糊控制量采用重心法变换为用于实际控制的精确量。

采用如下步骤设计校正环节。

校正环节是根据生物质气内燃发电机组的系统特性计算而得，实现对被控对象系统特性的校正，使其动态性能得到改善。系统的特性由伯德图体现，改变伯德图的开环截止频率与相位裕度，使校正后的系统伯德图尽可能达到理想的状态。

(1)做原系统的伯德图L₀(ω)。根据所建立的被控对象传递函数，做出伯德图。

原系统的开环传递函数为：

G₀(s)＝G_c1(s)×G_c2(s)×G_c3(s)...×G_cn(s)

根据G₀(s)做相应的伯德图。

(2)计算原系统的开环截止频率ω_co和相位裕度γ_co。从伯德图中可以得知ω_co和γ_co两个重要参数，由此可知原系统是否稳定。

(3)计算最大的相位超前角γ_c是期望的相位裕度。

(4)计算低频衰减率α。

(5)确定新的开环截止频率ω_c。

(6)确定两转折频率ω₁、ω₂。

${\mathrm{\ω}}_1=\sqrt{\mathrm{\α}}\·{\mathrm{\ω}}_c;{\mathrm{\ω}}_2=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\α}}}\·{\mathrm{\ω}}_c$

(7)补偿增益K_c。

(8)得出校正环节的传递函数为：

(9)校正后的开环频率特性。G(s)＝G_c(s)·G₀(s)

依据校正后的系统开环传递函数，绘出相应的伯德图。并判定校正后的系统是否理想。

实施例一：

具体生物质气内燃发电机组转速控制系统实施例如图3所示。

生物质气内燃发电机组主要是由进气系统、燃气发动机、同步发电机、控制系统等组成。同步发电机与燃气发动机同轴连接。通过对生物质气内燃发电机组转速控制的相关组成部分建模，得到图3所示的控制系统。

下面以比例系数K_P为例，阐述模糊控制器的设计。

转速偏差e的模糊集为：{NB,NM,NS,NZ,PZ,PS,PM,PB}

转速偏差变化率的模糊集为：{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}

输出量u的模糊集为：{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}

e的论域选为8级，的论域范围选为7级，u的论域范围选为9级。

转速偏差e的论域为：{-3,-2,-1,-0,+0,1,2,3}

转速偏差变化率的论域为：{-3,-2,-1,0,1,2,3}

输出量u的论域为：{-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4}

变量的论域需要由比例因子将实际的输入变量的变化范围转换而得。生物质气内燃发电机组转速的偏差实际变化范围是{-37.5，…，37.5}，偏差的论域为{-3，…，3}，EK是偏差变化的比例因子。由此可得：

$\mathrm{EK}=\frac{e_{m1}}{e_{n1}}=\frac{3}{37.5}=0.08$

同理可得生物质气发电机组转速偏差变化率的比例因子的CEK＝150。

隶属函数选用较为简单的三角形，三角形隶属函数的分辨率高，控制灵敏度高，符合生物质气内燃发电机组的控制要求。转速偏差e、转速偏差变化率以及输出量u的隶属函数曲线分别如图4-图6所示。

针对e和的不同情况，ΔK_p、ΔK_I、ΔK_D遵循一定的整定原则。

校正装置传递函数的计算过程如下：

(1)做原生物质气内燃发电机组的系统伯德图L₀(ω)。

在加未校正系统之前，系统前向通道(除开延迟环节)的传递函数为:

$\begin{array}{c}{G}_0=\frac{1664.64}{S^2+32.64S+1664.64}\×\frac{6.6}{0.6948S+1}\×\frac{{0.2S}^2+2.08S+2.8}{S}\\ =\frac{{2197S}^2+22853S+30764}{{0.7S}^4+{23.75S}^3+1189.2S^2+1664.64S}\end{array}$

开环传函所对应的伯德图如图7所示。

(2)计算系统的开环截止频率ω_co和相位裕度γ_co。

根据伯德图可知，系统的开环截止频率ω＝ω_c＝64.57rad/sec，此时L₀(ω)＝0dB，相位裕度为32.7°。系统的开环穿越频率过-180°线时的频率)为ω_g＝1000rad/sec。因此，ω_g＞ω_c，原系统稳定。

(3)计算最大的相位超前角

根据具体的系统，经过多次计算后，γ_c＝52.5°，γ_co＝32.7°，

(4)计算低频衰减率：

(5)确定新的开环截止频率： $L_0\left({\mathrm{\ω}}_c\right)=-\frac{1}{2}\·201g\frac{1}{\mathrm{\α}}=-\frac{1}{2}\·201g\frac{1}{0.5}=-3\mathrm{dB}$

(6)确定两转折频率：

${\mathrm{\ω}}_1=\sqrt{\mathrm{\α}}\·{\mathrm{\ω}}_c=\sqrt{0.5}\·2=2.8377;{\mathrm{\ω}}_2=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\α}}}\·{\mathrm{\ω}}_c=\frac{1}{\sqrt{0.5}}\·2=5.6402$

(7)补偿增益： $K_c=\frac{1}{\mathrm{\α}}=2$

(8)校正环节的传递函数： $G_c\left(s\right)=K_c\·\mathrm{\α}\frac{1+1/{\mathrm{\ω}}_{1}S}{1+1/{\mathrm{\ω}}_{2}S}=2\×0.5\×\frac{1+1/2.8377S}{1+1/5.6402S}=\frac{1+0.3524S}{1+0.1773S}$

(9)校正后的开环频率特性：

$\begin{array}{c}G\left(s\right)=G_c\left(s\right)\·G_0\left(s\right)=K_c\·\mathrm{\α}\frac{1+0.3524s}{1+0.1773s}\·\frac{2197s^2+22853s+30764}{{0.7s}^4+23.7s^3+1189.2s^2+1664.64s}\\ =\frac{1+0.3524s}{1+0.1773s}\·\frac{{2197s}^2+22853s+30764}{{0.7s}^4+{23.7s}^3+{1189.2s}^2+1664.64s}\end{array}$

校正后的系统对应的伯德图如图8所示。

校正后的系统，新的开环截止频率ω_C＝10^3.88＝7585.8rad/sec，稳定裕度为90.47°。校正后的系统更加稳定，响应速度更快。

在控制系统中有校正装置和无校正装置的仿真结果如图9所示；

图9中虚线是未加校正环节的仿真结果，实线是本文所述方法的仿真结果。可以观察到，本文所述方法没有超调量，调节时间t_s明显变短。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种生物质气内燃发电机组转速控制方法，其特征是，包括以下步骤：

(1)实时监测内燃发动机输出的转速，当输出的转速发生变化时，与预设的转速值比较后，产生偏差值；

(2)将所述偏差值以及偏差值的变化率分别作为模糊控制环节的两个输入量，所述两个输入量经过模糊化以后，根据由专家经验得到的控制规则表，自动匹配相应的输出量，所述输出量经过清晰化后得到模糊控制环节的输出，作为PID参数的微调量；

(3)将所述偏差值以及PID参数的微调量输入到PID控制器中对相应的参数进行调整；

(4)PID控制器最终的输出值作为校正环节的输入，对生物质气内燃发电机组系统进行校正；

(5)校正环节的输出信号驱动步进电机，控制节气门开度，调节生物质气进气量，最终实现调速的目的。

2.如权利要求1所述的一种生物质气内燃发电机组转速控制方法，其特征是，所述步骤(2)的具体方法为：

1)测试生物质气内燃发电机组在传统PID控制作用下的转速偏差的实际变化范围是[-e_n1,e_n1]，转速偏差变化率的实际变化范围是[-e_n2,e_n2]；

2)确定偏差e的论域为[-e_m1,e_m1]，转速偏差变化率的论域为：[-e_m2,e_m2]；可得生物质气内燃发电机组转速偏差的比例因子EK的计算方式：

${\mathrm{EK}}_1=\frac{e_{m1}}{e_{n1}};$

同理可得生物质气发电机组转速偏差变化率的比例因子的计算方式：

3)确定转速偏差、偏差变化率以及输出量的模糊集，以各自的论域为横轴，隶属度为纵轴，建立三角形隶属度函数；

4)根据由专家经验建立的模糊控制规则表，自动匹配相应的输出量；

5)所述输出量经过重心法清晰化后得到模糊控制环节的输出，作为PID参数的微调量。

3.如权利要求2所述的一种生物质气内燃发电机组转速控制方法，其特征是，所述模糊控制环节的输出为PID控制器K_P、K_I、K_D的变化量ΔK_P、ΔK_I、ΔK_D；PID控制器的实际参数值是：

$\left\{\begin{array}{c}{K}_P=K_P^0+{\mathrm{\ΔK}}_P\\ K_I=K_I^0+{\mathrm{\ΔK}}_I\\ K_D=K_D^0+{\mathrm{\ΔK}}_D\end{array}\right.$

其中，K_P、K_I、K_D分别为PID控制器的比例系数、积分时间常数、微分时间常数；分别为设定的PID控制器比例系数、积分时间常数、微分时间常数的初值。

4.如权利要求1所述的一种生物质气内燃发电机组转速控制方法，其特征是，所述步骤(5)的具体方法为：

(a)建立生物质气内燃发电机组原系统的传递函数G₀(s)，

G₀(s)＝G_c1(s)×G_c2(s)×G_c3(s)...×G_cn(s)，并根据传递函数做出波得图；

(b)计算生物质气内燃发电机组原系统的开环截止频率ω_co和相位裕度γ_co；

(c)计算最大的相位超前角并根据所述相位超前角计算低频衰减率α；

(d)根据计算的低频衰减率α确定新的开环截止频率ω_c；

(e)根据低频衰减率α和开环截止频率ω_c确定校正环节的两转折频率ω₁和ω₂以及补偿增益K_c；

(f)根据上述计算的参数得出校正环节的开环传递函数以及校正后的系统开环频率特性；

(g)依据校正后的系统开环传递函数，绘出相应的伯德图，并判定校正后的系统是否满足设计要求；若不满足，则修正最大相位超前角重新进行计算。

5.如权利要求4所述的一种生物质气内燃发电机组转速控制方法，其特征是，所述步骤(c)中最大的相位超前角的计算方法为：

低频衰减率α的计算方法为：

其中，γ_c为期望的相位裕度，γ_co为生物质气内燃发电机组原系统的相位裕度。

6.如权利要求4所述的一种生物质气内燃发电机组转速控制方法，其特征是，所述步骤(d)中开环截止频率ω_c的计算方法为：

$L_0\left({\mathrm{\ω}}_c\right)=-\frac{1}{2}\·201g\frac{1}{\mathrm{\α}};$

其中，α为低频衰减率，L₀(ω)为原系统初始的幅频特性。

7.如权利要求4所述的一种生物质气内燃发电机组转速控制方法，其特征是，所述两转折频率ω₁和ω₂以及补偿增益K_c的计算方法为：

${\mathrm{\ω}}_1=\sqrt{\mathrm{\α}}\·{\mathrm{\ω}}_c$

${\mathrm{\ω}}_2=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\α}}}\·{\mathrm{\ω}}_c$

$K_c=\frac{1}{\mathrm{\α}};$

8.如权利要求4所述的一种生物质气内燃发电机组转速控制方法，其特征是，所述校正环节的传递函数为：

$G_c\left(s\right)=K_c\·\mathrm{\α}\frac{1+1/{\mathrm{\ω}}_{1}S}{1+1/{\mathrm{\ω}}_{2}S};$

其中，K_c为补偿增益，α为低频衰减率，ω₁和ω₂分别为两转折频率；S表示的是复数频域。

9.如权利要求4所述的一种生物质气内燃发电机组转速控制方法，其特征是，所述校正后的开环频率特性为：

G(s)＝G_c(s)·G₀(s)

其中，G_c(s)为校正环节的传递函数，G₀(s)为生物质气内燃发电机组原系统的传递函数。