CN104779862B - 一种发电机用恒速调速系统的瞬态控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种发电机用恒速调速系统瞬态控制系统及方法，包括依次连接的发动机、控制系统和发电机，所述的控制系统中包括依次连接的处理器、恒速速比控制执行器和转速传感器，另外恒速速比控制执行器还同发动机和发电机相连接。这样的结构结合其方法避免了现有技术的需外接负载传感器来实现对发电机驱动转速的恒速控制的缺陷；本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1)不必采用负载传感器，节省成本。2)控制算法中采用瞬态前馈控制，具有较好的瞬态响应性能。

Description

一种发电机用恒速调速系统的瞬态控制系统及方法

技术领域

本发明属于发电机的技术领域，具体涉及一种发电机用恒速调速系统的瞬态控制系统及方法，更具体地，本发明涉及一种恒速调速系统的控制系统及瞬态控制方法。该控制方法可以在无需外接负载传感器的情况下，在加载及减载的瞬态过程中保持调速系统输出转速维持在指定范围内。

背景技术

多年来内燃机一直作为发动机的动力源为其提供驱动力。由于负载基本都需要以恒定频率供电，所以有几种调节方法可实现恒频供电。第一种调节方法中，发电机的驱动转速并不固定，但需在发电机与负载之间加装变频器以调节输出至负载的供电频率。第二种调节方法中，不加装变频器调整输出频率，此时要求发电机的驱动转速基本恒定，而发动机的转速不固定，可根据负载情况进行调整。两者之间加装一个可调整速比的调速装置，如恒速(Continuously Variable Transmission)系统。第三种调节方法中，同样不加装变频器调整输出频率，但此时要求发电机和发动机的转速都恒定，两者之间采用固定速比的齿轮箱相连。

对于第二种类型的发动机-发电机系统，虽然恒速系统具有在速比高、低限值之间连续可调的能力，从而使发电机供电频率适应发动机驱动转速的变化，但是负载需求发生突变时保证供电频率的稳定仍然是一个严峻的挑战。如在突加负载时，发动机转速亦随之下降，此时必须通过快速调整恒速速比实现发电机驱动转速的稳定，从而保证供电频率的稳定。

目前，已有多种现有技术针对此类发电装置的瞬态控制问题进行优化，但是这些技术都需要外接负载传感器获取负载变化信息。只有根据这些实时的负载变化情况，控制系统才可对恒速速比进行实时优化控制。

发明内容

本发明的目的提供一种发电机用恒速调速系统的瞬态控制系统及方法，包括依次连接的发动机、控制系统和发电机，所述的控制系统中包括依次连接的处理器、恒速速比控制执行器和转速传感器，另外恒速速比控制执行器还同发动机和发电机相连接。这样的结构结合其方法避免了现有技术的需外接负载传感器来实现对发电机驱动转速的恒速控制的缺陷。

为了克服现有技术中的不足，本发明提供了一种发电机用恒速调速系统的瞬态控制系统及方法的解决方案，具体如下：

一种发电机用恒速调速系统的瞬态控制系统，包括依次连接的发动机11、控制系统20和发电机31，所述的控制系统20中包括依次连接的恒速速比控制执行器23、处理器21和转速传感器22，另外恒速速比控制执行器23还同发动机11和发电机31相连接。

所述的恒速速比控制执行器为由电信号控制的液压驱动系统，用于控制金属带无级变速器V型主动带轮。

所述处理器中预设目标转速、转速差阈值、冻结时间设定值、前馈控制步长设定值、循环计数器以及冻结时间计数器。

在所述处理器中根据转速传感器计算实际转速，与预设目标转速相减得到转速差；。利用所述转速差采用PID算法与瞬态控制算法计算得到恒速速比控制执行器的控制信号；所述PID算法中，P部分算法、D部分算法采用传统算法，I部分算法在传统算法输出的基础上与瞬态控制算法输出相加作为I部分算法的最终输出。

所述的发电机用恒速调速系统的瞬态控制系统的方法，步骤如下：

1)首先设置发电机用恒速调速系统的瞬态控制系统，该发电机用恒速调速系统的瞬态控制系统包括依次连接的发动机11、控制系统20和发电机31，所述的控制系统20中包括依次连接的处理器21、恒速速比控制执行器23和转速传感器22，另外恒速速比控制执行器23还同发动机11和发电机31相连接；所述的恒速速比控制执行器为由电信号24控制的液压驱动系统，用于控制金属带无级变速器V型主动带轮；

2)所述处理器中预设目标转速、转速差阈值、冻结时间设定值、前馈控制步长设定值、循环计数器以及冻结时间计数器；

3)在所述处理器中根据转速传感器计算实际转速，与预设目标转速相减得到转速差；利用所述转速差采用PID算法与瞬态控制算法计算得到恒速速比控制执行器的控制信号；所述PID算法中，P部分算法、D部分算法采用传统算法，I部分算法在传统算法输出的基础上与瞬态控制算法输出相加作为I部分算法的最终输出。

所述的瞬态控制算法的步骤如下：

a)判断冻结时间计数器是否等于0。如果判断结果为否，冻结时间计数器递减，瞬态控制算法输出置0，瞬态控制算法结束；如果判断结果为是，执行后续b)步骤；

b)判断当前转速差是否大于预设转速差阈值。如果判断结果为否，循环计数器置0，瞬态控制算法输出置0，瞬态控制算法结束；如果判断结果为是，执行后续c)步骤；

c)循环计数器加1.

d)判断循环计数器是否大于等于3。如果判断结果为否，瞬态控制算法输出置0，瞬态控制算法结束；如果判断结果为是，执行后续e)步骤；

e)瞬态控制算法输出置为预设前馈控制步长设定值，循环计数器置0，冻结时间计数器置为预设冻结时间设定值，瞬态控制算法结束。

本发明的原理在于利用瞬态过程中，转速的突然变化识别出负荷加载，并采用前馈控制抑制转速突变，使实际转速始终维持在目标转速附近。本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1)不必采用负载传感器，节省成本。2)控制算法中采用瞬态前馈控制，具有较好的瞬态响应性能。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图

图2是本发明的控制算法总体结构示意图

图3是本发明的瞬态控制算法软件流程图

图4是本发明的一个具体应用实例的时间-转速坐标图。

图5是本发明的一个具体应用实例的时间-控制信号坐标图。

具体实施方式

本发明的目的在于针对发电机用恒速调速系统提出一种新的瞬态控制系统及方法。该系统及方法无需外接负载传感器亦可实现对发电机驱动转速的恒速控制，从而降低了系统复杂度及价格，使产品更具有竞争力。

下面结合附图对发明内容作进一步说明：

参照图1、图2、图3、图4和图5所示，发电机用恒速调速系统的瞬态控制系统，包括依次连接的发动机11、控制系统20和发电机31，所述的控制系统20中包括依次连接的处理器21、恒速速比控制执行器23和转速传感器22，另外恒速速比控制执行器23还同发动机11和发电机31相连接。所述的恒速速比控制执行器为由电信号控制的液压驱动系统，用于控制金属带无级变速器V型主动带轮。所述处理器中预设目标转速、转速差阈值、冻结时间设定值、前馈控制步长设定值、循环计数器以及冻结时间计数器。在所述处理器中根据转速传感器计算实际转速，与预设目标转速相减得到转速差；。利用所述转速差采用PID算法与瞬态控制算法计算得到恒速速比控制执行器的控制信号；所述PID算法中，P部分算法、D部分算法采用传统算法，I部分算法在传统算法输出的基础上与瞬态控制算法输出相加作为I部分算法的最终输出。

所述的发电机用恒速调速系统的瞬态控制系统的方法，步骤如下：

1)首先设置发电机用恒速调速系统的瞬态控制系统，该发电机用恒速调速系统的瞬态控制系统包括依次连接的发动机11、控制系统20和发电机31，所述的控制系统20中包括依次连接的处理器21、恒速速比控制执行器23和转速传感器22，另外恒速速比控制执行器23还同发动机11和发电机31相连接；所述的恒速速比控制执行器为由电信号24控制的液压驱动系统，用于控制金属带无级变速器V型主动带轮；

2)所述处理器中预设目标转速、转速差阈值、冻结时间设定值、前馈控制步长设定值、循环计数器以及冻结时间计数器；

3)在所述处理器中根据转速传感器计算实际转速，与预设目标转速相减得到转速差；利用所述转速差采用PID算法与瞬态控制算法计算得到恒速速比控制执行器的控制信号；所述PID算法中，P部分算法、D部分算法采用传统算法，I部分算法在传统算法输出的基础上与瞬态控制算法输出相加作为I部分算法的最终输出。所述的瞬态控制算法的步骤如下：

a)判断冻结时间计数器是否等于0。如果判断结果为否，冻结时间计数器递减，瞬态控制算法输出置0，瞬态控制算法结束；如果判断结果为是，执行后续b)步骤；

b)判断当前转速差是否大于预设转速差阈值。如果判断结果为否，循环计数器置0，瞬态控制算法输出置0，瞬态控制算法结束；如果判断结果为是，执行后续c)步骤；

c)循环计数器加1.

d)判断循环计数器是否大于等于3。如果判断结果为否，瞬态控制算法输出置0，瞬态控制算法结束；如果判断结果为是，执行后续e)步骤；

e)瞬态控制算法输出置为预设前馈控制步长设定值，循环计数器置0，冻结时间计数器置为预设冻结时间设定值，瞬态控制算法结束。

如图2所示，处理器内的控制算法输入为根据转速传感器22计算得到的实际转速。该实际转速与处理器内预设的目标转速相减得到转速差。进一步的根据该转速差，采用现有PID算法可计算得到P算法输出P_Step、D算法输出D_Step、I算法输出I_Step。同时，采用瞬态控制算法对I算法输出I_Step进行基于加法的前馈修正。

如图3所示，瞬态控制算法的计算流程如下：

当前管理循环开始后，采集得到转速差Δn，进一步判断冻结时间计数器T是否为0。如果该冻结时间计数器T为0，则表示当前控制系统处于瞬态调整过程中，不能再进行前馈调整，此时应将瞬态控制算法输出F_Step置为0，并根据管理循环时间间隔缩短冻结时间计数器T。如果该冻结时间计数器T不为0，则判断转速差Δn是否大于预设的转速差阈值Δn_TH。如果转速差Δn小于等于预设的转速差阈值Δn_TH，表明一个管理循环间隔内转速下降幅度不大，不属于瞬态加载工况，无需激活前馈输出，此时将瞬态控制算法输出F_Step置为0，同时将管理循环计数器Cnt置0，等待对加载过程的管理循环计数。如果转速差Δn大于等于预设的转速差阈值Δn_TH，表明一个管理循环间隔内转速下降幅度超过预设值，属于瞬态加载工况，此时将管理循环计数器Cnt加1，并判断该管理循环计数器Cnt是否大于等于3。如果该管理循环计数器Cnt小于3，表明处理器监测到了多个管理循环处于加载状态，但是还没有持续较长的时间，可能是信号干扰，因此不激活瞬态前馈控制，此时仍将瞬态控制算法输出F_Step置为0。如果该管理循环计数器Cnt大于等于3，表明处理器连续监测到了至少3个管理循环处于加载状态，说明加载状态持续了较长时间，可激活瞬态前馈控制，此时将瞬态控制算法输出F_Step置为预设值F_StepSet，同时将管理循环计数器Cnt置0，等待下一次加载过程使用，而冻结时间计数器T为T_Frz，使瞬态控制算法一段时间内冻结，该时间周期内瞬态控制算法输出F_Step输出持续为0。

下面通过一个具体实施例来对本发明驱动方法进行详细描述。

该修正算法的实际应用过程如图4和图5所示。发电机用恒速调速系统的瞬态控制系统的目标转速一直未变，如图中虚线所示，而采用本发明算法的实际转速如图中实线所示，采用传统算法的实际转速如图中点划线所示。

初期，系统处于稳态，目标转速与实际转速误差较小，本发明算法与传统算法都采用PID算法实时调整控制信号。

t₁时刻，发电系统加载，此时发动机负载突然增加，输出转速快速下降。

t₂时刻，本发明算法中，控制系统根据前后两次实际转速计算得到转速差Δn₁，且Δn₁大于阈值Δn_TH，此时管理循环计数器Cnt加1，变为1。但由于管理循环计数器Cnt小于3，所以未激活瞬态前馈输出。同时PID算法根据增大的转速差不断增加控制信号以提升实际转速。传统算法此时也采用PID算法，控制效果与本发明一致。

t₃时刻，本发明算法中，控制系统根据前后两次实际转速计算得到转速差Δn₂，且Δn₂仍大于阈值Δn_TH，此时管理循环计数器Cnt加1，变为2。但由于管理循环计数器Cnt仍小于3，所以未激活瞬态前馈输出。同时PID算法根据增大的转速差不断增加控制信号以提升实际转速。传统算法此时也采用PID算法，控制效果与本发明一致。

T₄时刻，本发明算法中，控制系统根据前后两次实际转速计算得到转速差Δn₃，且Δn₃仍大于阈值Δn_TH，此时管理循环计数器Cnt加1，变为3.满足激活瞬态前馈输出的条件。此时将瞬态控制算法输出F_Step由原来的0置为预设值F_StepSet，由于PID算法中I部分算法是在传统算法输出的基础上与瞬态控制算法输出F_Step相加作为I部分算法的最终输出，所以F_Step的突变会引起I_Step的突变，且幅值为预设值F_StepSet。而传统算法仍然只采用PID算法输出的结果，控制信号没有突变，仍然是缓慢的持续上升。由于T₄时刻本发明与传统算法的控制信号输出有较大的差异，从而导致两种控制算法对应的实际转速出现明显差异。本发明由于控制信号有I_Step的突变，所以实际转速有明显的提升，可快速恢复到目标转速附近。而传统算法中PID算法的输出增长缓慢，实际转速也提升缓慢，恢复到目标转速附近需要更长的时间。

可见实际应用中，通过该前馈算法可使控制信号快速提升，从而使实际转速快速上升，回到目标转速附近。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种发电机用恒速调速系统的瞬态控制系统，包括依次连接的发动机、控制系统和发电机，所述的控制系统中包括依次连接的恒速速比控制执行器、处理器和转速传感器，另外恒速速比控制执行器还同发动机和发电机相连接；所述的恒速速比控制执行器为由电信号控制的液压驱动系统，用于控制金属带无级变速器V型主动带轮；所述处理器中预设目标转速、转速差阈值、冻结时间设定值、前馈控制步长设定值、循环计数器以及冻结时间计数器；在所述处理器中根据转速传感器计算实际转速，与预设目标转速相减得到转速差；利用所述转速差采用PID算法与瞬态控制算法计算得到恒速速比控制执行器的控制信号；所述PID算法中，P部分算法、D部分算法采用传统算法，I部分算法在传统算法输出的基础上与瞬态控制算法输出相加作为I部分算法的最终输出。

2.根据权利要求1所述的发电机用恒速调速系统的瞬态控制系统的方法，其特征在于，步骤如下：

1)首先设置发电机用恒速调速系统的瞬态控制系统，该发电机用恒速调速系统的瞬态控制系统包括依次连接的发动机、控制系统和发电机，所述的控制系统中包括依次连接的处理器、恒速速比控制执行器和转速传感器，另外恒速速比控制执行器还同发动机和发电机相连接；所述的恒速速比控制执行器为由电信号控制的液压驱动系统，用于控制金属带无级变速器V型主动带轮；

2)所述处理器中预设目标转速、转速差阈值、冻结时间设定值、前馈控制步长设定值、循环计数器以及冻结时间计数器；

3)在所述处理器中根据转速传感器计算实际转速，与预设目标转速相减得到转速差；利用所述转速差采用PID算法与瞬态控制算法计算得到恒速速比控制执行器的控制信号；所述PID算法中，P部分算法、D部分算法采用传统算法，I部分算法在传统算法输出的基础上与瞬态控制算法输出相加作为I部分算法的最终输出。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的瞬态控制算法的步骤如下：

a)判断冻结时间计数器是否等于0；如果判断结果为否，冻结时间计数器递减，瞬态控制算法输出置0，瞬态控制算法结束；如果判断结果为是，执行后续b)步骤；

b)判断当前转速差是否大于预设转速差阈值；如果判断结果为否，循环计数器置0，瞬态控制算法输出置0，瞬态控制算法结束；如果判断结果为是，执行后续c)步骤；

c)循环计数器加1.

d)判断循环计数器是否大于等于3；如果判断结果为否，瞬态控制算法输出置0，瞬态控制算法结束；如果判断结果为是，执行后续e)步骤；

e)瞬态控制算法输出置为预设前馈控制步长设定值，循环计数器置0，冻结时间计数器置为预设冻结时间设定值，瞬态控制算法结束。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述的步骤2)中，预设目标转速、转速差阈值、冻结时间设定值、前馈控制步长设定值都需根据发电机系统实际应用情况标定。