遇限削弱積分PID控制算法在船用柴油機調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用

朱鴻

（海軍駐上海滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司軍事代表室 上海 200129）

遇限削弱積分PID控制算法在船用柴油機調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用

朱鴻

（海軍駐上海滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司軍事代表室 上海 200129）

遇限削弱積分PID；柴油機；控制器

針對船用柴油機，設(shè)計了一個基于遇限削弱積分PID控制算法的調(diào)速控制器，給出了該控制器的總體硬件結(jié)構(gòu)框圖，提出該算法的設(shè)計思想及其實現(xiàn)方法。仿真及試驗結(jié)果證明該算法解決了普通PID算法中超調(diào)過大、響應(yīng)較慢等問題，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

0 引言

在船用柴油機調(diào)速系統(tǒng)中,電子調(diào)速器已經(jīng)逐漸取代電液式調(diào)速器，采用單片機技術(shù)進(jìn)行速度控制，具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、實時響應(yīng)快、控制精度高等優(yōu)點。單片機和電子技術(shù)的高度發(fā)展正促使柴油機調(diào)速系統(tǒng)逐步從模擬化向數(shù)字化轉(zhuǎn)變。目前單片機的浮點運算能力和運算速度都較以前有很大提高，在調(diào)速控制軟件中已經(jīng)完全可以實現(xiàn)數(shù)字PID算法。80C196KC單片機是Intel公司生產(chǎn)的高性能16位單片機，具有高效率、高速度的指令系統(tǒng)。針對船用柴油機在運行過程中避免出現(xiàn)超調(diào)過大、響應(yīng)速度較慢等現(xiàn)象，本文采用80C196KC單片機作為控制器的CPU，設(shè)計了一種基于遇限削弱積分的電子調(diào)速系統(tǒng)，以滿足柴油機的調(diào)速要求。

1 硬件組成

整個電子調(diào)速控制器硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由微處理器80C196KC、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、電流放大電路、測速電路以及看門狗電路等組成。

PID控制系統(tǒng)由PID控制器、執(zhí)行機構(gòu)、反饋回路和被控對象組成，PID控制器對給定值R（n）與實際測量值N（n）產(chǎn)生的偏差e（n）進(jìn)行比例、積分和微分運算后輸出控制量，對受控對象進(jìn)行控制。隨著單片機技術(shù)的發(fā)展，在控制系統(tǒng)中一般用數(shù)字PID控制器。其中比較經(jīng)典的數(shù)字PID的算法為:

圖1 控制器硬件框圖

式中：n為采樣序號（n=1，2，!）；u（n）為第n次采樣時刻的控制器輸出值；Δe（n）=e（n）-e（n-1）；e（n）為第n次采樣時刻的輸入偏差值；e（n-1）為第n-1次采樣時刻的輸入偏差值；Kp為比例系數(shù)；Ki為積分系數(shù)；Kd為微分系數(shù)。

圖2所示是某型柴油機轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制框圖，由執(zhí)行機構(gòu)調(diào)節(jié)柴油機油門，由PID算法實現(xiàn)柴油機轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。采用磁脈沖傳感器采集轉(zhuǎn)速信號，計算得到的轉(zhuǎn)速反饋值N（n）與設(shè)定轉(zhuǎn)速值R（n）進(jìn)行比較，其差值經(jīng)PID算法處理后經(jīng)并行數(shù)據(jù)口輸出控制值到DA轉(zhuǎn)換芯片DAC7264，并通過電流放大電路驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，控制柴油機的油門大小，以達(dá)到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的。

圖2 轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制框圖

PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下:

（1）比例放大環(huán)節(jié)

比例環(huán)節(jié)可以對控制系統(tǒng)的偏差信號進(jìn)行成比例放大，控制器根據(jù)放大結(jié)果輸出控制量，對被控對象產(chǎn)生較快控制作用。比例系數(shù)Kp與系統(tǒng)響應(yīng)速度成正比。

（2）積分環(huán)節(jié)

積分環(huán)節(jié)可以消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)，加大積分系數(shù)，可以減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，但積分作用過大會產(chǎn)生較大超調(diào)，甚至引起振蕩。

（3）微分環(huán)節(jié)

微分環(huán)節(jié)能反映出偏差信號的變化趨勢，在系統(tǒng)中引入一個早期修正值，從而加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減小調(diào)節(jié)時間，改善系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性。

在PID控制環(huán)節(jié)中引入積分的目的，是為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度。但在柴油機的起動、負(fù)荷突加突卸過程、大幅度增減運轉(zhuǎn)速度的設(shè)定值時，短時間內(nèi)轉(zhuǎn)速會有很大的偏差，會造成PID運算的積分積累，出現(xiàn)積分飽和現(xiàn)象，導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)較大的超調(diào)量，這是柴油機運行過程中絕對禁止的。

所謂積分飽和現(xiàn)象是指：若系統(tǒng)存在一個方向的偏差，PID控制器的輸出在積分的作用下不斷累積，從而導(dǎo)致執(zhí)行機構(gòu)達(dá)到極限位置。

如圖3所示，若控制器輸出u（n）繼續(xù)增大，執(zhí)行機構(gòu)開度會達(dá)到最大位置，此時單片機輸出控制量超出了正常運行范圍而進(jìn)入飽和區(qū)，執(zhí)行機構(gòu)停留在極限位置而不能隨偏差反向立即做出相應(yīng)的改變，造成控制性能惡化。進(jìn)入飽和區(qū)愈深則退出飽和區(qū)所需時間愈長，這種現(xiàn)象稱為積分飽和現(xiàn)象或積分失控現(xiàn)象。下面就從積分飽和出現(xiàn)的原因來改進(jìn)PID控制算法。

圖3 執(zhí)行機構(gòu)飽和特性圖

2 遇限削弱積分PID控制算法

數(shù)字PID控制算法中積分項過大是引起積分飽和的原因，解決積分飽和的方法有多種，遇限削弱積分是其中的一種。遇限削弱積分的基本思想是：當(dāng)控制進(jìn)入飽和區(qū)以后，便不再進(jìn)行積分項的加法運算，而只對積分進(jìn)行削弱運算。在計算輸出值u（n）時，先判斷u（n-1）是否超出限制值。若u（n-1）>umax，則對負(fù)偏差進(jìn)行計算；若u（n-1）

采用不同PID算法，利用Matlab仿真技術(shù)對某二階傳遞函數(shù)進(jìn)行仿真計算，系統(tǒng)輸入為階躍響應(yīng)，計算結(jié)果如下：

表1、表2的數(shù)據(jù)分別為采用一階保持器和零階保持器時仿真系統(tǒng)的階躍響應(yīng)性能指標(biāo)，用于比較驗證所編寫的程序和建立的模型的正確性。

表1、表2均對遇限削弱積分PID控制算法、積分分離PID控制算法、帶死區(qū)的PID控制算法、梯形積分PID控制算法的階躍輸出進(jìn)行仿真比較。

由表格中的仿真數(shù)據(jù)比較得到：遇限削弱積分PID控制算法較其他PID控制算法，其超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間有比較明顯的改善，控制效果較好。

柴油機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)模型的傳遞函數(shù)框圖如圖5所示，G0（s）為遇限削弱積分PID算法控制器的傳遞函數(shù)。對于執(zhí)行機構(gòu)來說，輸入的是控制器輸出的0～1 A的直流電流信號I（s），輸出是一定幅值的位置信號控制柴油機油門齒條的大小，可將其近似看成一階慣性環(huán)節(jié)G1（s）；對于柴油機來說，輸入的是執(zhí)行機構(gòu)輸出的0～55mm的油門齒條信號w（s），輸出是0～500 r/min的速度信號N（s），也可將其近似看成一階慣性環(huán)節(jié)G2（s）。整個系統(tǒng)前一環(huán)節(jié)的輸出即為后一環(huán)節(jié)的輸入，也就是逐個順次把環(huán)節(jié)連接起來，這是一個串聯(lián)連接方式的系統(tǒng)，總傳遞函數(shù)等于各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)的乘積G’（s）=G1（s）·G2（s），所以柴油機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)模型的傳遞函數(shù)為二階傳遞函數(shù)。在實際應(yīng)用中，經(jīng)過試驗對比，遇限削弱積分PID控制算法相對其他算法，其超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間有比較明顯的改善，控制效果較好。

表1 采用一階保持器時仿真系統(tǒng)階躍響應(yīng)性能

表2 采用零階保持器時仿真系統(tǒng)階躍響應(yīng)性能

圖5 轉(zhuǎn)速控制傳遞函數(shù)框圖

3 結(jié)語

本文利用Matlab仿真技術(shù)對二階控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗證，數(shù)字仿真結(jié)果證明了遇限削弱積分PID算法能夠縮短調(diào)節(jié)時間、降低超調(diào)量。在柴油機實際調(diào)速過程中可以利用該PID算法實現(xiàn)精確的調(diào)速閉環(huán)控制。遇限削弱積分PID控制算法要根據(jù)具體的系統(tǒng)特點來選擇參數(shù)。利用單片機實時運算和控制功能可實現(xiàn)柴油機快速穩(wěn)定的調(diào)速功能。

［1］陶永華等.新型PID控制及其應(yīng)用［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1998.

［2］劉金琨.先進(jìn)PID控制及其MATLAB仿真［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2003.

［3］劉叔軍，蓋曉華.控制系統(tǒng)應(yīng)用與實例［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2006.

［4］何濟民.轉(zhuǎn)速閉環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)的建模與調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計［J］.電器傳動自動化，2000，22（1）:15-16.

［5］董鋒斌.閉環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)的一種簡易設(shè)計方法［J］.電氣時代，2007，（3）:124.

Application of advanced PID in diesel engine speed control system

ZHU Hong
（Naval Representation in Hudong Zhonghua Shipbuilding（Group）Co.，Ltd.，Shanghai 200129，China）

advanced PID control algorithm；diesel engine；controller

A diesel engine speed controller was designed based on the advanced PID control algorithm.The general hardware structure flowchart for the controller is introduced，and the design and implementation of the algorithm is discussed.The simulation result shows that this algorithm can improve response speed and control accuracy compared with general algorithm.

TK421；U262.11

A

1001-9855（2011）03-0059-04

2010-11-29

朱鴻（1968-），男，漢族，工程師，主要從事船舶動力裝置設(shè)計研究工作。