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伊藤汽油發電機的數字控制系統和調速器研制
伊藤汽油發電機是對外輸出電能的設備，由汽油機帶動發電機工作。發電機一般情況下為同步交流發電機，輸出頻率與汽油機的轉速有關。因此，要保證發電機的供電品質，必須采用調速器來調節汽油機的轉速。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、穩定性和可靠性能差等缺點。隨著經濟和社會的快速發展，內燃機的應用也越來越廣泛，能源問題和環境問題日益嚴重，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，能極大地提高了汽油發電機的調速性能，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，開發一種可靠性高、通用性強和價格合理的小型汽油發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，針對此系統本文設計了基于模糊滑模控制器的汽油機調速系統。滑模變結構控制具有快速響應、魯棒性強、無需系統在線辨識、物理實現簡單等優點，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，利用模糊控制規則，柔化控制信號，使滑模控制中的抖振得到削弱。由于系統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。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態性能和動態調速性能，并具有很好的節能效果。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展和人民生活水平的提高,內燃發電機組正得到日益廣泛的應用。在10kW以下的發電機組中,小巧、輕便的汽油發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電機組轉速,在負載變化時存在轉速調大等缺陷,影響發電機輸出電源頻率的穩定,限制了發電機性能的進一步提高。近年來,為適應發電機組“輕型化”和“小型化”的要求,采用高速汽油機、永磁中頻發電機和逆變技術成為小型便攜式汽油發電機組的發展方向。 本文以小型高速汽油發電機組為被控對象,對電子調速系統和電源逆變系統進行研究。
做了如下工作: 通過對汽油發電機組主要組成部分的結構、原理分析,得到了發電機組系統的數學模型,為控制系統的開發提供了理論依據。 為了滿足控制系統對速度和器件資源的要求,選擇CYGNAL公司C8051F040作為控制系統的主控芯片,進行數字控制系統的硬件設計,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RTX-51進行了分析;討論了實時響應速度要求較高的系統軟件在實時操作系統平臺上設計時應該注意的問題;并以RTX-51為平臺,設計了汽油發電機組的控制軟件。
還探討了適應于小型汽油發電機組控制系統的控制算法。在對控制系統模型的分析基礎上,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,在小型高速發電機控制系統中,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電機轉速,在負載變化時存在轉速調大等缺陷,影響發電機頻率的穩定,限制了發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電機轉速,以降低轉速調,提升發電機性能。整個研制工作包括實驗裝置的設計、制作、安裝:調速器的硬件開發和軟件設計以及調速器在KGE1000Ti汽油發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控制器工作穩定,在工業過程控制中應用廣泛,因此在發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,因此在發電機負載發生較大變化時采用模糊控制。在程序中的實現是根據發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于本田公司生產的機械調速式HONDA EX-7發電機,該機所用發動機與KGE1000Ti發電機所用的發動機類型相同,其中在突加載時的瞬態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汽油發電機的頻率指標中穩態頻率帶β優于JB/T10304-2001中對工頻汽油發電機組規定的G2等級,瞬態頻率偏差、頻率恢復時間、相對頻率容差帶均優于G3等級。
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