改进的电动钻机柴油发电机组调速系统研究报告

-.z改进的电动钻机柴油发电机组调速系统研究摘要：针对传统电动钻机柴油发电机组调速系统,在不同工况下由于模型参数变化而引起的新的控制问题，设计了一个基于模糊控制与pi调节相结合的调速系统。该系统主要利用了模糊控制对被控对象非线性和时变性有很强适应能力的特点，在转速误差较大时进展模糊控制，当系统调节到稳定状态附近时进展pi调节。仿真实验结果说明该系统比传统pid控制和模糊控制在控制精度、稳定性方面都有很大提升。

关键词：电动钻机；柴油发电机组；模糊控制；pid

柴油发电机组是油田钻井设备的重要组成局部，是电动钻机的动力之源。对于柴油发电机组而言，柴油机的速度控制直接影响输出电的品质，调速性能是决定整个发电机组电气性能的关键，它的好坏决定了柴油机的频率特性、电压特性及带载能力［1］。传统的控制系统普遍采用pi或pid调节的控制方法，其受被控系统模型的非线性和时变性影响较大，而电动钻机柴油发电机组在不同工况、不同工作环境中的模型参数都会有较大变化，因而传统的pid控制方法很难保证所设定的调速参数在整个系统变化*围内到达最优，而模糊控制在平衡点附近难以到达较高的控制精度。因此，为了对柴油机进展准确的速度控制，增强抗干扰能力和鲁棒性，提高响应速度和稳态精度，本文提出了基于模糊控制与pi调节相结合的柴油机的调速系统，防止了常规控制理论中因建模带来的麻烦，依靠长期积累的操作经历，对被控系统模糊参数的变化有很强的适应能力，而且在平衡点附近有较高的控制精度。

1fpi复合控制器

模糊控制器具有能适应被控对象非线性和时变性的优点，而且鲁棒性较好。但是它的稳态控制精度较差，控制欠细腻，尤其在平衡点附近难以到达较高的控制精度，同时缺少积分控制作用，不宜消除系统的静差。由于二维模糊控制器有两个分量：偏差和偏差变化率，相当于有了pid控制器中的比例和微分两个环节，缺少积分环节，所以该设计采用fpi复合控制器，可以消除稳态误差，获得较高的稳态精度，又能具有较快的动态响应。这种设计比单个模糊控制器具有更高的稳态精度，消除盲区，同时又比经典的pi或pid控制器具有更快的动态响应特性，使系统能更快的趋于平衡点。图1为fpi复合控制器的示意图。在输入信号e之后，设置了一个带阈值的模态转换器。根据阈值与e的比较结果确定模态：当e大于阈值时，让信号传输到f控制器，进展粗调，获得良好的瞬态性能；当e小于阈值时，则让信号传输到pi控制器，进展细调，获得良好的稳态性能［23］。

2控制系统构成

柴油机稳定运行的根本条件是输出力矩与外界负载力矩相互平衡，而其输出力矩主要是通过改变循环供油量来加以调整的［1］。调速系统的框图如图2所示，主要由转速检测单元、fpi控制单元和执行机构组成。通过转速传感器对柴油机轴的转动转速进展测量，获得反响信号，与给定的转速信号进展比较，获得偏差，与给定的偏差阈值进展比较，选择适宜的模态进展调节，由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。

图1fpi复合控制器示意图图2系统框图2.1转速检测单元

该系统中柴油机转速的测定是利用固定在柴油机转轴上光电编码器，使用m法来确定转速，其原理是利用一段固定时间间隔内的编码器脉冲数来确定转速，在一定的时间tc内测取光电编码器输出的脉冲个数m，当前转速〔单位：r/min〕可由下式得到：n=60mztc式中z是光电码盘转一周产生脉冲的个数；

2.2fpi控制单元

柴油机转速的模糊控制器采用mamdani型双输入单输出构造，原理框图如图3所示。其中：d/f为模糊化模块，完成清晰量转换成模糊量的运算；a·r的作用为完成根据输入模糊量a进展近似推理运算，得出模糊量u；f/d为清晰化模块，完成把模糊量u转换成清晰量的运算［4］。

由下面的计算公式通过对测得的反响转速与给定转速进展运算得到转速偏差e和转速偏差率ec,e=n_set－n_now(1)

ec=e_now－e_last(2)式中：n_set为设定转速；n_now为当前转速；e_now为当前转速偏差；e_last为上一次转速偏差；设定转换阈值为uc,当|e|>uc时，采用模糊控制对系统进展粗调。对获得的转速偏差和偏差率进展模糊化处理，得到模糊量；模糊控制器根据输入的模糊变量，按照模糊推理规则，计算得到模糊控制量；把模糊控制量去模糊处理变为将准确量，完成粗调，将误差调节到|e|<uc，再进展pi调节，本文对于pi调节不再赘述。

图3mamdani二维模糊控制器原理框图2.3模糊控制过程

在模糊控制柴油机调速系统中，其输入量为转速偏差e和偏差率ec，输出为控制量ku。每一条控制语言都采用e,ec,ku来描述。模糊控制规则的建立依赖的是电动钻机的柴油机调速的经历。采用负大(nb),负中(nm)，负小(ns),零〔zo〕,正小(ps),正中(pm),正大(pb)7个模糊状态描述转速偏差e、转速偏差率ec和输出u；e，ec和u的论域界定为11个等级，即：{-5，-4，-3，-2，-1,0,1,2,3,4,5}，模糊控制规则如表1所示，共有49条控制规则，其设计原则为：当e较大时，控制量应尽可能快的减小e；当e较小时，除了消除e外，还必须考虑系统的稳定性，以防止不必要的超调和震荡，假设用语言形式来表达，则有：if〔e=eiandec=ecj〕then(u=uij),i=1,2,…，7;j=1,2,…，7。采用cri的mandani推理方法，根据控制规则求出模糊关系矩阵r，模糊推理求出模糊输出值后用重心法进展模糊判决以得到模糊集合的清晰化［5］。

隶属度函数如图4所示,各变量均采用灵敏度较高的三角形函数，为了增强系统的鲁棒性，提高ec隶属度函数的分辨率，将ec的模糊子集zo附近的函数取得较陡，ns和ps的形状较窄且靠近zo，而u的隶属度函数约靠近零点分布越密，目的是为了在最正确转速附近获得更多的控制策略\[6\]。通过以上过程就实现了对转速的模糊控制，完成了粗调过程，使偏差e减小到阈值以下时，进展pi调节，输出驱动信号来驱动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。

图4隶属度函数3仿真实验

利用matlab中的simulink平台搭建柴油机fpi控制系统，如图5所示。

图5柴油机调速仿真框图目前油田上大多使用卡特彼勒柴油机，其建模为：g(s)=(24.9s+2.621)/(s2+113.7s+1979.9)，执行机构的数学模型为：g(s)=(kae－τat)/(tat)，其中：比例系数ka=1;时间常数ta=0.35s;滞后系数［7］τa=0.05s。fpi控制器的转换阈值设置为0.1,pi调节的参数为kp=12,ki=0.001；pid调节的参数为kp=7.8,ki=0.01,kd=0，通过仿真比较fpi控制系统和传统pid控制系统以及模糊控制在柴油机参数发生变化时的阶跃响应，仿真结果如图6所示。由图6可以看出，在柴油机参数发生变化时，fpi控制比常规pid控制的偏差更小，过渡时间更短，启动过程更平稳，比模糊控制在平衡点附近有更好的控制性能。由此可以说明fpi控制对柴油机可以进展准确的速度控制，增强了抗干扰能力和鲁棒性，提高了响应速度和稳态精度。

图6控制对象参数发生变化时仿真结果4结语

本文提出一种基于模糊控制和pi调节相结合的柴油机调速系统，实验仿真结果说明该系统可进展准确的速度控制，增强了抗干扰能力和鲁棒性，提高了响应速度和稳态精度。且该系统对被控系统模糊参数的变化有很强的适应力，防止了常规控制理论中因建模带来的麻烦。该系统大大提高柴油发电机组输出电的品质，对于电动钻机动力系统的性能优化有着一定的现实意义。

参考文献

［1］*奇志，李琳．电动钻机自动化技术［m］．：石油工业，2006.

［2］rubaaia,castrositirichemj,ofolia.dspbasedimplementationoffuzzypidcontrollerusinggeneticoptimizationforhighperformancemotordrives\[c\]//proceedingsof42ndieeeindustryapplicationsconference.\[s.l.\]:ieee,2007:16491656.

［3］石辛民，郝整清.模糊控制及其matlab仿真［m］．：清华大学，2008.

［4］诸静.模糊控制原理与应用［m］.:机械工业,2003.

［5］liping,gaohonghong,liu*iaoping.fuzzypidpoundcontrolforultraprecisionworktable\[c\]//proceedingsofin