柴油发电机数字控制技术-船舶学院毕业论.doc

渤海船舶职业学院毕业论文论文题目：柴油发电机数字控制技术作 者： 指导教师： 单 位： 专 业： 船舶电气自动化 班（年）级：06级论文提交日期：2008年 12月 10日摘 要 柴油发电机组的控制系统涉及机械、传感器技术、信息处理技术、计算机控制技术和控制理论等多个领域。数字化、智能化和网络化是柴油机自控技术发展的必然趋势。 本文首先对柴油发电机组电控化方面的发展和控制系统的现状进行了介绍。主要是转速控制模块、AM模块、显示模块。对于转速控制模块，我们主要用到DSP的事件管理功能来测量转速，并通过硬件电路来产生PWM信号，驱动执行器。A/D模块我们用DSP自带的A/D模块，实现水温，油压的测量。显示模块我们采用串行的液晶模块通过RS232接口和DSP相连，实现测量数据的实时显示。我们在转速控制设计中采用了参数自调整的模糊控制PID算法。 关键词：柴油发电机组、DSP、模糊PID控制目 录第一章 绪论11.1柴油发电机组调速和信号监测的发展现状.11.2柴油发电机组控制系统现状.21.2.1电子调速器与指针仪表组成的监控系统.31.2.2可编程序控制器(PLC).31.2.3专用控制器.51.3课题研究的主要内容.51.4课题研究的意义.5第二章控制系统的硬件介绍与设计62. 1控制系统的总体方案设计.62.2主控模块.72.3转速控制的实现.82.3.1转速的测量.82.3.2执行器的控制.92.4 A/D模块 102.5显示模块122.5.1液晶模块介绍.122.5.2 TMS320LF2407A和液晶模块的连接.132. 6 DSP和外部RAM的连接132. 6. 1外部RAM芯片CY7C1021的介绍132. 6. 2 DSP和CY7C1021的接口 .142.7键盘处理模块152.8报警和跳闸模块15第三章控制系统的软件设计.153. 1 DSP2407的开发环境和我们的应用程序 .153.1.1主控程序 163.1.2初始化子程序 163.1.3 A/D转换程序 .173.1.4滤波子程序 .173.1.5转速控制模块子程序. 173.1.5.1模糊控制的基本原理. 17 3.1.5.2模糊控制算法的实现 .18第四章柴油发电机组的调速系统模型和系统仿真.194.1柴油发电机组的调速系统模型.19 4.1.1柴油机模型.194.1.2电磁执行器模型.194.1.3转速反馈环节.194.1.4 PID环节.194.2面向Simulink数字调速系统框图.204.2.1常规PID控制系统框图的建立.204.2.2不完全微分PID控制系统框图的建立. 224.2.3变速积分PID控制系统框图的建立.234.2.4模糊控制系统仿真框图的建立.244.2.4.1模糊控制器的设计.244.3 PID参数的整定.284.3.1衰减曲线法.294.3.2稳定边界法.294.3.3动态特性法.29第五章结论. 31致谢.32- IV -第一章 绪 论1.1柴油发电机组调速和信号监测的发展现状发电机上最早出现的自动调节器是1784年James Watt发明的离心式机械式调速器。第一次工业革命后，随着发动机的发展，有关调速器的发明也越来越多。至今，调速器己经历了四代产品。离心式机械调速器是第1代产品。它采用离心飞块感受转速的变化，依靠离心力与弹簧力的不平衡作用，通过机械机构驱动油量调节齿杆改变供油量来调速，20世纪40年代末50年代初出现了间接作用的机械液压式调速器，可以视为第2代产品。这种调速器的飞块产生的离心力仅用于移动控制滑阀，因而可以做得很小。用滑阀控制压力油的流动路线，压力油进入动力油缸使动力活塞移动产生很大的驱动力，作用于发动机燃油齿杆控制供油量，因而具有较大的工作能力。这种调速器在船用发动机上得到了广泛的应用。无论是机械式还是机械化液压式电子调速器，由于其转速偏差信号的测量与放大都是通过机械元件来实现的，这就不可避免地存在惯性滞后及摩擦阻力大等固有缺陷，因此用这种调速器就很难实现较复杂的调节规律和控制功能，无法满足进一步降低油耗、减少有害排放、提高调节精度和自动化程度的要求。所以研究人员就把目光转向了新兴的电子技术。自50年代以来，人们尝试用电子器件代替机械器件，用电信号代替机械信号来设计调速器并取得了突破，出现了初具雏形的电子调速器。60年代，美国W00 DWARD公司推出了2301/E G-3 P型电液调速器，它由转速传感器，电子控制器和电液执行器组成，这就奠定了模拟电子调速器(第3代电子调速器)的基本结构模式。其后又有许多国际大公司研制出了各种不同型号的电子调速器，它们的共同点是均由磁电式转速传感器，以模拟式PID或P I调节器为核心的转速控制器、执行器以及其它一些功能附件组成，其主要差别是控制器为适应不同场合而设置了不同的控制功能，以及所用的执行器有所不同。60年代至80年代初是模拟式电子调速器发展的鼎盛时期，并在越来越多的场合取代了传统的机械或机械化液压式调速器。由于模拟式电子调速器各项功能均由硬件电路组成，要实基于DSP的柴油发电机组控制器的设计国内柴油发电机组的生产厂家很多，但总体水平不高，在诸如可靠性、安全性、经济性、适应性、人机工程指标和最新技术的发展及应用等方面与国外相比- 34 -均存在一定程度的差距。近些年来随着国家改革开放政策的贯彻，不少国内厂家纷纷引进国外的先进技术或与国外合资办厂。例如，目前在国内以引进康明斯技术生产的康明斯在国内应用最为广泛、引进最为成功，在国内已形成了4BT, 6BT，6CT, MII、NT855, KT19, KT38生产或供货能力，具有强大的技术支持和坚实的维护保障能力，广泛应用于运载车和各种动力等。 基于DSP的柴油发电机组的控制器的设计满全球的发动机控制系统供应公司GAC向全球提供崭新和特有的发动机调速控制产品，GAC公司的品质保证部门保持一个完善的质量体系，并必须执行由IS09001认证的生产过程，从1996年起GAC公司依照EMC标准，使多种调速器及自动均衡器得到了CE标准的认可，为康明斯、道依茨、卡特彼勒、帕金斯、富豪等等世界知名发动机提供产品和服务过；成都仪表厂与世界著名的车用调速器的生产厂家德国海茵茨蔓公司合资生产的E系列的电子调速器都具有国际八十年代水平，E型系列的电子调速器在国内分别与北京内燃机发电设备厂的6135, 12V135发动机；与上海柴油机厂的6135型柴油机；与贵州柴油机厂的6135A/8V135发动机；济南柴油机厂12V190发动机；与北京二七机车厂的12240柴油机；与天津动力机厂的6130柴油机配套使用，其调速性能可达到国军标二类甚至是一类电站的指标。上海船舶研究所的PD一型调速器和711所生产的ESA1000A型调速器己广为柴油机使用，性能和可靠性都不错，稳态调频率指标可达1%以内甚至更好，瞬态指标也有大幅度的提高。 70年代以来，微型计算机的出现使现代科学研究得到了质的飞跃，继而出现的DSP技术是现代工业领域的一次新的技术革命。正是电子技术及微处理机的突飞猛进的发展，为柴油机电子控制系统提供了有力的技术保证。随着微处理器技术和现代控制理论的发展，柴油发动机的调速也从传统的模拟技术转向数字控制。数字式控制器具有算法灵活、精度高、抗干扰能力强等特点，自九十年代中期以来在发动机领域逐渐推广。 同时我们需要监测柴油发电机组的一些状态参数，如水温，油压并对柴油机进行保护，在油压过低和水温过高时机组自动停机并进行报警。状态参数的检测是通过专用的传感器，如压力传感器，温度传感器。1-4,16,171.2柴油发电机组控制系统1.2.1电子调速器与指针仪表组成的监控系统 此系统通过电子调速器和指针仪表来完成柴油发电机组的转速控制及参数监测。它主要由三部分组成。 1转速控制部分 电子调速器主要为模拟电路，它将采集到的转速信号经过处理后，与设定的转速进行比较，根据比较的结果相应的送出控制信号给执行器。通过执行器拉动柴油机的油门，使柴油机的转速发生变化。 2柴油发电机组参数检测 柴油发电机组的参数(如油压、水温、转速等)的检测主要是通过指针仪表来完成。各参数传感器将所获得的信号送入相应的指针仪表，指针仪表根据获得的信号指示出相应的读数。 3柴油发电机组的参数报警 柴油发电机组各参数传感器将获得的信号送入报警电路中，当某一参数信号超过其报警上限时，报警电路送出报警信号。对于这种监控系统，柴油发电机组的启动方式主要采用的是手动，通过启动基于DSP的柴油发电机组的控制器的设计开关来启动柴油发电机组。由于这种监控系统未具备自启动方式，因此它主要用于自动化程度要求不高的备用电源。1.2.2可编程序控制器(PLC)随着社会的发展，一些部门对柴油发电机组的自动化程度要求越来越高，比如医院、通讯部门、大型楼宇等。这些部门要求柴油发电机组在市电出现异常情况后十几秒内送出电，当市电恢复正常后，柴油发电机组能自动停机。为满足这种要求，柴油发电机组需具备自启动、停机装置。传统的自启动、停机装置采用的是若干中间继电器、时间继电器组成逻辑电路，有的还包括复杂的定时机构、传动电动机和速度继电器等，由于结构复杂，故障率高，现已被逐步淘汰。现己逐步发展以可编程序控制器(PLC)为主的柴油发电机组控制系统。 它主要由以下三部分组成： 1外围处理电路 对于输入信号，经过外围处理电路的处理后，变成可编程序控制器(PLC)能接收的信号。对于输出信号，经过隔离、驱动放大电路变成外围设备能接收的信号。 2可编程序控制器(PLC) 可编程序控制器(PLC)是整个控制系统的核心，它通过监视市电电压来完成柴油发电机组的自启动、自停机。通过对柴油发电机组参数的处理，通过采集到的转速与设定的转速比较，来决定是升速还是降速。 3显示器为实时显示柴油发电机组参数，采用LCD显示器能监视整个机组的运行状况。可编程序控制器(PLC)将需显示的信号通过RS485接口传给LCD显示器。 可编程序控制器(PLC)控制系统的主要功能如下： 1能自动维持机组的准启动状态。 2能实现机组的急启、自启。 3市电故障后的机组自启动。 4三次启动。 5能够自动调整频率、电压，但需电压调节器。 6市电恢复后的市电机电转换。 7能实时显示机组的工作状态及参数。如：启动、怠速运行、市电恢复确认、 停机等状态各类报警信号：过速、油压低、水温高、过压、欠压、过频、欠频、过流、短路、启动故障。 8手动、自动切换。1.2.3专用控制器 专业控制器是以微处理器为核心，将发电机电压、柴油机转速及水温、油温、油压、过流、短路等信号，通过取样变换输入微机系统，实现柴油机发电机组的自启动、自投入及各种故障保护报警功能。控制器主要由三部分组成：(1)电机控制部分，主要包括电压调节装置、过载、短路保护单元和电压调节器等。(2)柴油机控制部分，主要由启动、停机操作、电子调节器及液晶显示模块等部分组成，实现对柴油机的工作状态进行监控。(3)微机控制部分，该部分是柴油发电机组自动控制的核心，主要由主机控制单元、信号检测单元、功率驱动单元、参数显示单元和电源单元等组成。其框图如图所示 专业控制器控制系统主要功能如下： 1具有自动、手动、实验三种运行模式。 2可以对发电机及市网的相(线)电压、电流、频率、转速、功率、温度、 压力等情况进行实时监控，无需外接仪表。对过速、油压低、水温高、过压、欠压、过频、欠频、过流、短路、启动等故障能实时报警。 3可通过对机组输出电压及频率与设定值的比较进行自动调节，无需外加 电压频率控制器。 4能自动维持机组的准启动状态。 5能实现机组的急启、自启动。6能实现机组与市电的自动切换7具有可编程的故障输入口，可对故障类型、报警及相关参数自由编程。1.3课题的研究主要内容 本文主要以DSP2407处理器为核心，建立了对柴油发电机组的转速进行控制和状态参数的进行监测系统，实现了对系统模块软硬件模块的具体实现。相对传统的模拟调速系统，数字调速系统具有更高的控制精度，更小的转速波动，更快的反应时间和更高的稳定性。具体研究内容如下： 1、以DSP芯片为核心建立柴油发电机组的硬件系统。 2、变速积分、不完全微分和模糊自适应PID控制在调速系统中的研究。 3、对柴油发电机组进行调速特性和模型分析。1.4课题研究的意义1我国现阶段柴油发电机组的数字控制器方面技术还比较落后，功能也很单一，品种少，我们研究的控制器具有数字调速功能，这对发展柴油发电机组的电控化具有指导作用。2随着DSP技术的应用越来越广泛，而柴油发电机组作为重要的应急电源，利用DSP强大的数据处理能力和先进的电力电子技术进行柴油发电机组的实时监控是有现实意义的，为柴油发电机组的全面自动化打好基础。第二章控制系统的硬件介绍和设计2.1控制系统的的总体方案设计 以微处理器为核心的控制系统是柴油发电机组控制系统的发展趋势，我们采用以DSP为核心的控制系统，实现对柴油发电机组的参数检测，同时对发电机组的转速进行闭环控制，特点是所有控制通过控制程序来完成，总的来说转速控制分为三部分，转速的输入，控制调节，和执行器的输出，我们通过测得的转速来调整输出，算法上采用数字PID控制，这是比较成熟的算法。我们要实现的是控制器要有以下功能： 1对转速实现闭环的PID控制。 2对柴油发电机组的状态参数的检测和显示。 3通过键盘对PID参数进行设置。 4对油压低、水温高进行报警和跳闸保护。 下面是控制系统的整体结构图所示：2.2主控模块我们主控模块采用TMS320LF2407A的DSP, TMS320LF2407A是美国TI公司推出的新型高性能16位定点数字信号处理器，它专门为数字控制设计，集DSP的高速信号处理能力及适用控制的优化外围电路于一体，在数字控制系统中得以广泛的应用。具体有以下特点： .采用高性能静态CMOS技术，使得供电电压降为3. 3V，减少了控制器的功耗；30MIPS的执行速度使得指令周期缩短到33ns，从而提高了控制器的实时控制能力。 .片内有高达32K字的FLASH程序存储器，高达1. 5K字的数据/程序RAM，544字双口RAM (DARAM)和2K字的单口RAM (SARAM)。 .两个事件管理模块EVA和EVB，每个包括：两个16位通用定时器；比较单元、捕获单元以及正交编码脉冲电路。 .可扩展的外部存储器总共192K字空间：64K字程序存储器空间；64K字数据存储器空间；64K字工/0空间。 .看门狗定时模块(WDT)。 .10位的A/ /D转换器最小转换时间为500ns，可选择由两个事件管理器来触发两个8通道输入A/D转化器或一个16通道输入的A/D转换器。 .控制器局域网络(CAN) 2. 0B模块。 .串行通讯接口(SCI)模块，支持CPU与其他使用标准格式的异步外设之间的数字通信。 .16位的串行外设(SP工)模块，它是一个带4个引脚的高速、同步串行1/0口，它允许长度可编程的串行位流(1-16位)以可编程的位传输速度移入或移出器件。 .基于锁相环的时钟发生器。 .高达40 个可单独编程或复用的通用输入/输出引脚(GPI0)。 .5个外部中断(两个电机驱动保护、复位和两个可屏蔽中断)。 .电源管理包括3种低功耗模式，能独立的将外设器件转入低功耗模式。 TMS320LF2407A是我们整个系统的核心，它从捕获口获得柴油发电机组的转速信号，在一个采样周期中，根据通用定时器的数值来计算柴油发电机组的基于DSP的柴油发电机组的控制器的设计实际转速，DSP把实际转速和设定转数比较，通过模糊自适应的参数调整，然后进行PID运算，给出控制电压，控制执行器动作，改变喷油量，从而控制柴油发电机组的转速。同时通过TMS320LF2407A的A/D模块，获得柴油发电机组的状态参数(水温，油压)，通过TMS320LF2407A的处理，通过SCI模块送显示模块，从而完成对柴油发电机组的转速调节和状态参数的监测。11, 12, 142.3转速控制的实现柴油机的速度控制对输出电的品质有极大的影响，因此必须进行准确的速度控制。柴油发电机组调速的基本原理是通过速度信号传感器检测出转速的变化，通过电子调速器的控制，有执行器带动油门拉杆，调节供油量大小，从而实现转速的控制。该调速系统主要由转速检测单元、电子调速器单元及执行机构等部分组成。检测部分主要是由转速电磁传感器及飞轮齿圈组成的，电磁传感器从飞轮齿圈测得发动机的转速，并将其变换成与转速成正比的脉冲信号输入给电子调速器，电子调速器将转速与给定转速进行对比，并进行相应的控制运算，再由功率输出环节驱动执行机构改变供油量大小，调节转速。调速系统的结构框图所示：2.3.1转速的测量对于转速的测量我们首先通过转速传感器获得转速信号，然后通过整型和光电隔离进入TMS320LF2407A的捕获输入口。这是应用了DSP的事件管理模块的捕获单元来实现的，捕获单元在DSP的捕获引脚上出现跳变时被触发，这是通过通用定时器作为时基来进行的。2.3.2执行器的控制电磁执行器所需的控制信号为PWM信号，产生PWM信号有两种方式。一种是通过软件的方式产生，另一种是通过硬件方式产生。在这里我们通过硬件方式产生。DSP通过D/A转换电路产生转速控制信号，经过PWM功率放大电路产生能驱动执行器的PWM信号。我们先介绍DSP和DA转换芯片的连接18， 40 2407应用板上提供了一个四通道12一位，双缓冲的数字模拟转换器DAC7625,四个DAC通道和DAC转换启动寄存器映射在LF2407的工，%0空间。下图是它的功能框图： 它的工作时序如下图所示： DAC7625通过芯片TLC2272引到输出端口上，TLC2272是双运放，结构如图所示。27-30 电磁执行器我们选用美国GAC公司的ADC120，它的特性如下：1具有1.0磅扭力2 25旋转角3、反应速度快于32毫秒，可用于达到150匹马力的低摩擦燃油泵，适用于螺旋式、小型直列油泵、小型化油器。4电压范围可为12V或24V。接收的信号为PuM信号。 它通过连杆与柴油机的油门相连。ADC120电磁执行器为恺装式直流比例电磁铁，其加油方向与绕组内控制电流成比例，减油方向的复位力由油门复位弹簧产生，当二力相等时，输出轴位于相应平衡位置；若增大控制电流，则输出轴向加油方向运动，反之则向减油方向运动。2. 4 A/D模块 TMS320LF2407A提供16路、10位ADC模块。每个ADC通道的最大转换时间是500nS. ADC模块的高低参考电平分别为+3. 3V和0V。我们主要采样的水温，油压信号，通过传感器和变换电路变成电压信号，经过滤波，在通过运放把电压由0-5V的电压转变为DSP的AD通道可以接受的0-3.3V电压，再经过DSP处理数字显示出来。我们先介绍它的传感器和处理电路。我们主要对柴油发电机组的水温和油压进行监测和显示，当其超过一定值时进行报警。由于对精度要求不高我们采用简单的分压电路来获得电压信号。我们采用的是上海超导传感器厂的温度和压力传感器，通过传感器和变换电路将柴油发电机组的温度和压力信号转换成电压信号，然后在A/D模块的作用下将获得的电压信号转变成DSP需要的数字信号，通过DSP处理，将发电机组的水温和油压显示出来。对于水温测量，我们采用热电阻传感器，它是利用转换元件电磁参量随温度变化的特征，对温度和与温度有关的参量进行检测的装置。热电阻测温法是利用金属的电阻随温度变化这一特征来测量的。它方便可靠，所以我们对水温的测量用热电阻传感器，对柴油发电机组的油压我们采用常用的压阻传感器。它体积小、灵敏度高、动态响应好等特点而广泛用于压力、液位等物理量的测量，它是以半导体材料的压阻效应为原理进行测量的，就是指半导体材料在某方向受力时，它的电阻率发生显著变化。这就是我们通常所说的压阻效应。对于压阻式传感器，我们需要注意的是它受到温度影响后产生的零点温度漂移和灵敏度温度漂移。厂商对传感器进行了标定，对温度传感器表定了不同温度对应的的电阻值。对于压力传感器标定了不同压力对应不同的的阻值。如表2-1, 2-2所示： 从运放出来的信号就进入DSP的模拟输入通道，采用级连工作方式来进行AD采样，ADC模块能够序列转换并进行自动排序。可通过模拟输入通道的多路选择器来选择要转换的通道。转换结束后，转换后的数值结果保存在该通道相应的结果寄存器中。可以用多个触发源启动A/ D转换，在给定的排序方式下，4个排序控制器(CHSELSEQn)决定了模拟通道转换的顺序。而且可以对同一个通道进行“过采样”，这样得到的采样结果是比传统的采样结果分辨率高。下图是DSP2407的ADC在级连工作方式下自动排序的结构框图。基于DSP的柴油发电机组的控制器的设计表2-1水温传感器温度和阻值的关系温度(0C)406080100120150电阻值（）440246133774725表2-2油压传感器压强和阻值的关系油压(MPa)00.20.40.60.81.0电阻值（）1049881191491782.5显示模块2.5.1液晶模块介绍 为掌握柴油发电机组的工作状况和方便现场调试人员。我们需对柴油发电机组的各种状态参数进行显示。常用的显示方式有下列几种： 1采用机械仪表的方式。 2采用LED显示。 3采用LCD显示。 4采用CRT显示器如果采用机械仪表显示，读数有一定的误差。采用LED显示虽然解决了读数问题，但不是很直观。采用CRT显示虽然解决了以上问题，但现场的电磁场较强，CRT受到电磁场的影响较大。因此我们显示模块采用LCD显示。 液晶终端SP-4DSC的性能指标如下： 1显示点阵：320 X 240象素 2显示颜色：单色 3工作电压：DC5V 4最大功耗：5V X 950mA S作温度：-20 -60 6相对湿度： 60%液晶的串行接口介绍： 液晶终端内置微处理器，它能与控制板或者计算机进行通讯。它的串行接口引脚功能如下表2-3所示需要显示的状态参数通过DSP送给液晶终端。具体的控制命令可以通过液晶的使用说明书获得，这在我们编写液晶模块程序时要用到，硬件上先通过MAX232芯片，再和液晶的数据接收口和地线相连，具体的连接。 2.5.2 TMS320LF2407A和液晶模块的连接 我们采用TMS320LF2407的SCI模块和液晶模块通讯，DSP上的SCITXD和SC工RXD通过M,AX232与液晶模块通讯，由于液晶模块只用于显示，我们只用DSP的发送口和液晶的接收口就可以了，DSP上采用的是TTL电平，液晶上采用RS232C的EIA标准电平，这就需要电平转换，于是我们采用符合RS232标准的驱动芯片MAX232，实现电平转换，也就是说将5V电平表示为“1 , OV电平表示为“0”的逻辑转换为-3到-15V表示为“1”，+3到+15V表示为“0”的逻辑，其中MAX232主要有以下特点： .5V电源供电 .传输速度大于120Kbit/S .双接收和双发送 .功耗低，集成度高。 2. 6 DSP和外部RAM的连接DSP需要扩展外部RAM，这里我们选用CYPRESS公司的CY7C1021芯片。2.6.1外部RAM芯片CY7C1021的介绍CY7C1021芯片的特点：13. 3V下运行 2低功耗一576Mw (Max) 3当没有被选择是自动断电源 4高位和低位的独立控制 功能描述： CY7C102lV是高效的CMOS静态RAM，当它未被选择是它自动降低功耗，当对它进行写操作是，首先对它的片选端和写使能端输入低电压，低字节使能端有效时，数据从I/O引脚(0-7)进入地址线A0-A15指定的地址。高字节使能端有效是数据从I/O引脚(8-115)进入地址线A0-A15指定的地址。对它进行读操作是通过对它的片选端和读使能端输入低电压，同时使得写使能端为高，如果低字节使能端为有效为低时，数据会从A0-A15指定的地址读到I/O引脚(0-7)上，如果高字节使能端为有效高时，数据会从A0-A15指定的地址读到I/O引脚(8-15)上。当片选端为高电平时，输入输出引脚处于高阻抗。引脚结构图如图所示。2. 6. 2 DSP和CY7C1021的接口 DSP通过16根数据线和16根地址线与CY7C1021连接，同时使用了DSP的数据空间选通引脚DS，读使能引脚RD和写使能引脚WE，连接接口。2.7键盘处理模块我们使用键盘来现场调试PID控制中的三个参数Kp, hi, Kd。完善调速功能。具体我们使用DSP的数字输入输出模块进行键盘的设计。我们设置I0PD0,I0PF2I0PF6作为六个按键的输入口，把它们设置为一般I/O口，并且为输入方式，通过键盘扫描进行PID参数的调节。 2.8报警和跳闸模块当柴油机发电机组的状态参数(转速、缸温、油温等)超过一定的极限时，DSP应当发出报警和跳闸信号，通过报警和跳闸电路产生报警和跳闸。报警和跳闸模块的功能在于保护柴油发电机组，同时确保输出电的品质。通过DSP的数字I/O端口来输出报警和跳闸信号。第三章 控制系统的软件设计 数字控制系统与模拟控制系统相比其优越性在于，系统的主要功能是由软件实现的，与硬件的关系不大。这样在系统的设计中，硬件可以是采用模块化结构，然后根据需要在硬件设计的最小系统上添加功能模块。而其功能的实现可以通过软件来灵活掌握，因此软件设计在控制系统的设计中占有非常重要的地位，在相同的硬件基础上可以实现多种功能。并且开发人员不需要为了增加某些功能而重新设计电路，节约了大量的时间，并且系统具有较强的连续开发能力。3. 1 DSP2407的开发环境和应用程序 在设计TI公司的2000系列的控制系统时，使用C语言或C语言与汇编语言混合编程开发DSP应用程序可以达到事半功倍的效果。C语言在满足控制应用程序运行速度的基础上可以更好地维护程序和移植程序，是开发控制系统的必然趋势。 采用CCS (Code Composer Studio)作为我们开发DSP芯片的集成开发环境，它采用Windows风格界面，集编辑、编译、链接、软件仿真、硬件调试及实时跟踪等功能为一体，极大的方便了DSP程序的设计与开发。我们采用的是V2.0版本。它的功能如图3-1所示：9,10,43,443.1.1主控程序 主控程序是DSP程序的框架部分，是控制系统的基本构成，它包括如下流程图所示，包括系统的初始化，各部分子功能的激活和初始化键盘处理和个部分相互调用的软件接口。如上图所示我们得到系统的主程序框图出来后，我们就要具体的编写各个子模块了，下面分别介绍一些主要的模块。15,25,263.1.2初始化子程序 我们的初试化程序主要是对DSP系统参数的初始化，事件管理模块的初始化和串行通讯的初始化。其程序框图如图所示。3. 1. 3 A/D转换程序 我们采用DSP目带的具有16路输入的A/D转换模块作为对柴油发电机组的状态参数(水温，油压)进行检测，通过设定转换通道和顺序，通过调滤波子程序，得到柴油发电机组的状态参数，同时调用报警判断子程序来决定是否柴油发电机组的状态参数超过了设定范围。程序框图如图所示。3.1.4滤波子程序 这个子程序主要是为了对A/D测量值进行处理的，消除误差干扰的影响，我们采用简单的平均值滤波法。其程序框图如图所示。3.1.5转速控制模块子程序 3.1.5.1模糊控制的基本原理 模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的计算机智能控制，模糊控制器的控制规律由计算机的程序实现。实现一步模糊控制算法的过程如下：计算机中断采样获取被控量的精确值，然后将此量与给定值比较得到误差信号E，一般选误差信号E作为模糊控制器的一个输入量。把误差信号E的精确量进行模糊化变成模糊量。误差E的模糊量可以用相应的模糊语言表示，得到误差E的模糊语言集合的一个子集e (e是一个模糊矢量)，再由e和模糊控制规则R(模糊算子)根据推理的合成规则进行模糊决策，得到模糊控制量u： u=e。R3.1.5.2模糊控制算法的实现 人们应用模糊数学的基本理论和方法，把规则条件、操作用模糊集表示，并把这些模糊规则及相关信息作为知识存入计算机，计算机根据控制的实际响应情况，运用模糊推理，可自动实现PID参数的最佳调整，这就是模糊自适应控制。 我们采用自适应模糊控制，通过转速控制模块实现我们的算法，实现参数自调整。自适应模糊PID控制器以误差e和误差变化ec为输入，可以满足不同时刻的e和ec对PID参数自整定的要求。利用模糊控制规则在线对PID参数进行修改，便构成的自适应模糊PID控制器，其结构图如3-4所示。 PID参数模糊自整定是找出PID三个参数与e和ec的模糊关系，在运行中通过不断检测e和ec，根据模糊控制原理来对三个参数进行在线修改，以满足不同e和ec时对控制参数的不同要求，而使被控对象有良好的动静态性能。具体来说就是我们先离线建立PID控制三个参数的查询表，存储到DSP中，编制一个查询子程序，在实际控制时，我们在一个控制周期中，将获得的实际误差转速和它的变化分别乘以它们的量化因子，取得相应论域元素所需要的值后，通过查找表中相应的行和列，可立刻得到控制变化量kp, ki, kd，得到实际的控制量变化值，然后进行常规的PID控制，实现我们转速的控制。它的程序流程框图如图所示。第四章 柴油发电机组的调速系统模型 通过TMS320LF2407对柴油发电机组进行速度控制我们需要建立柴油发电机组的调速系统模型，建立系统模型后我们可以对它用MATLAB的SIMULINK对它进行仿真研究，比较采用常规PID，变积分PID控制，不完全微分PID控制，和模糊PID控制的不同效果。研究不同参数对系统动态过程品质的影响，为进一般改进和设计算法提供依据。4.1柴油发电机组的调速系统模型4.1.1柴油机模型 柴油机结构复杂，影响因素众多，而且存在大量的非线性因素，因此用数学方法对其特性加以准确描述具有很大困难，在建模分析中需要做很多假设和简化处理.柴油机的输入量是执行器的输出轴位移，输出量是柴油机的转速，国内外有关研究人员在柴油机调速系统仿真分析计算方面做了不少的工作，采用的柴油机模型一般是一阶惯性环节，加延迟环节-rS，实验证明能达到一定的精度。 4.1.2电磁执行器模型电磁执行器实质上是螺线管型直流线性比例电磁铁.采用阶跃响应实验建立了电磁执行器的无量纲化模型，执行器是将调速器的输出电压转换为与输入信号成比例的输出轴位移。定义执行器的时间常数位T，增益位K，它的传递函数为：4.1.3转速反馈环节 数字式电子调速器的转速反馈环节主要是转速传感器和转换电路，将转速传感器获得的频率信号转换为方波脉冲信号，它的输入是柴油机的转速，输出量是与转速度正比例的电压信号，定义它的增益为K，传递函数可看作比例环节： G(S)=K4. 1. 4 PID环节转速调节采用PID控制.输入量是转速偏差信号，输出量是控制执行器的控制电流。在计算机控制中使用数字PID控制，离散PID表达式为：4.2面向Simulink数字调速系统框图建立了柴油发电机组调速系统的各模型后，我们用MATLAB的Simulink工具建立基于常规PID控制，变速积分PID控制，不完全微分PID控制和模糊PID控制的调速系统框图，下面分别进行介绍，首先介绍下常规PID控制，变速积分，不完全微分PID控制然后得出它们的系统仿真框图。4.2.1常规PID控制系统框图的建立模拟PID控制系统原理框图如图所示。PID控制器是一种线性控制器。它根据给定值r(t)和实际输出值c(t)构成控制偏差：e(t)=r(t)-c(t) 将偏差的比例(P)，积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。其控制规律为： 式中，u(t)为调节器的输出信号；e(t)为调节器的偏差信号，等于测量值与给定值之差；KF为调节器的比例系数；TI为调节器的积分时间；TD为调节器的微分时间。 PID控制器各校正环节的作用如下：1)比例环节：即时成比例地反映控制系统的偏差信号e (t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差； 2)积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti， Ti越大，积分作用越弱，反之则越强；3)微分环节：反映偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期的修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。5-6计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。需要采用离散化方法，在计算机控制系统中，采用数字PID控制。1.位置式PID控制算法：我们对式(4-2)进行离散化处理，按模拟PID控制算法，以一系列的采样点kT代表连续的时间t，以矩形法数值积分近相似代替积分，以一阶后向差分近似代替微分，即：2.增量式PID控制算法：当执行机构需要的是控制量的增量时采用增量式PID控制。控制算法如下：式表示第k次输出的增量u (k)，即在第k-1次的基础上增加(或减少的)量，所以上式叫做增量式PID控制算式。下面是它的系统仿真框图，如图所示：4.2.2不完全微分PID控制系统的建立 在PID控制中，微分信号的引入可以改善系统的动态特性，但也容易引起高频干扰，在误差突变时尤其显出微分项的不足。在控制算法中加入低通滤波器，则可使系统性能得到改善。微分环节反映了偏差信号的变化趋势，能在偏差信号值变得过大之前，在系统中引入一个有效早期修正信号，从而加快系统的动作速度，缩短调节时间，改善了系统的动态性能。但是微分环节对于干扰特别敏感，微分项仅在偏差突变后的第一个周期起激励作用，对于时间常数较大的系统，其调节作用很小，不能达到超前控制误差的目的，并且微分项的幅值KD一般较大，易造成微分项的过大过快变化，不利于系统的稳定和安全。系统对微分项的要求是微分项输出在偏差突变后的第一个周期不能过大，并随时间的推移逐步衰减而不是在下一个周期就不起作用。为此，本文将微分项分为两部分，一部分是对当前偏差的部分微分，另一部分是前一次微分输出的衰减余量。因为这种微分项计算只是对当前偏差进行部分微分，所以这种方法又叫不完全微分。不完全微分的微分项计算公式为：其中a为微分衰减率，(0 a1)；式中的前部分为对本次偏差的不完全微分，后部分为前一次微分输出的衰减余量。显然上式能满足系统对微分项的要求。所以不完全微分能有效克服完全微分的不足，具有较理想的控制特性。4.2.3变速积分PID控制系统的建立 在普通的PID控制算法中，由于积分系数是常数，所以在整个控制过程中，积分增量不变。而系统对积分项的要求是，系统偏差大时积分作用应减弱甚至全无，而在偏差小时则应加强。积分系数大了会产生超调，甚至积分饱和，取小了又难以消除静差。因此，如何根据系统偏差大小改变积分的速度，对于提高系统品质是很重要的。变速积分可以较好的解决这一问题。 变速积分PID的基本思想是，设法改变积分项的累加速度，使其与偏差大小相对应：偏差越大，积分越慢，反之越快。 为此设置系数f(e(k)，它是e (k)的函数。当|e(k)|增大时，f减小，反之增大。变速积分的PID积分项表达式为：系数f与偏差当前值l e(k)的关系可以是线性的或非线性的，可设为：这种算法对A, B两参数的要求不精确，参数整定较容易。4.2.4模糊控制系统仿真框图的建立 最后是我们采用的模糊PID控制系统框图，我们本文采用的自适应模糊PID控制，它将目适应控制的思想和常规PID控制器结合，吸收了自适应控制和常规PID控制的优点。首先它具备自适应能力，能够自动识辨被控过程参数、自动整定控制参数，能够适应被控过程模型参数的变化：其次它又具有常规DID控制器结构简单、鲁棒性强、可靠性高的优点。这使得自适应PID控制成为过程控制中一种较为理想的控制方法。4.2.4.1模糊控制器的设计 根据柴油发电机组调速的特点和系统软硬件资源，我们采用模糊自适应PID控制，此控制是应用数学的基本理论和方法，把规则的条件、操作用模糊集表示，并把这些模糊控制规则及有关信息作为知识存入计算机知识库中，然后计算机根据控制系统的实际响应情况，运用模糊推理，即可以实现对PID参数的最佳调整，这就是模糊自适应PID控制。自适应模糊控制PID控制器以误差e和误差变化ec作为输入，可以满足不同时刻的e和ec对PID参数自整定的要求。利用模糊控制规则基于DSP的柴油发电机组的控制器的设计在线对PID参数进行修改，便构成了自适应模糊PID控制器。 该系统中模糊控制器是对转速信号进行采样，以转速偏差E和偏差变化率EC作为模糊控制器的输入变量，Ki, Kp, Kd作为输出的两输入三输出得二维模糊控制器。其推理过程是由软件实现的。 我们使用NZATLAB的模糊逻辑工具箱设计模糊控制器步骤如下，主要以Kp为例说明下我们建立的过程。 首先是模糊集和隶属函数的建立。我们设定e, ec和u的模糊集均为NB, N