柴油发电机组智能控制研究

柴油发电机组智能控制研究

黄应熹

广西玉柴机器股份有限公司 广西玉林市 537000

摘要：由于柴油发动机具有更好的燃烧特性和动力特性，在供电设备的动力选取中，通常以柴油发电机组为首选，尤其是在军事设备、医疗抢险设备和通信设备等对工作稳定性和可靠性要求较高的领域，更是直接作为设备的主要电源或者备用电源。虽然柴油发电机组拥有以上的工作优势，但是由于在柴油油质、工作负载以及故障发生率等等方面的不足，使得柴油发电机组在实际运行中往往频繁出现冷却系统失灵、漏油缺油、压力异常以及空转等等紧急故障，使得柴油发动机组的运行效率大打折扣，这些运行故障一旦得不到及时处理，就会使得柴油发动机的输出电压失稳以及电相漏缺。严重时甚至会直接烧毁发电机组的电芯，导致出现发电机组停运等重大生产事故。因此，对于柴油发电机组的运行情况进行可控的智能化控制。是保障柴油发电机组安全、高效运行的首选策略之一。

关键词：柴油发电机组；智能控制；

前言：由于柴油发电机组的广泛普及，如何降低柴油发电机组的油耗成为了环保节能的主题之一，通过介入新的柴油机设计和生产技术固然可以在一定程度上降低柴油发电机的油耗，但是这个方法是有很大的局限性的，而且投入产出比往往不尽如人意，而开发出一套基于柴油机运行实况的节能控制智能系统，却能直接对柴油发电机组进行针对性的改造。达到节能减排，保护环境的目的。柴油发电机组的自动化程度，是决定柴油发电机组工作效率的关键因素，通过嵌入一套智能控制系统，可以对柴油发电机组的运行安全性、稳定性有较为明显的提高，同时可以保障输出电能的质量，对于提高柴油发电机组群的整体工业自动化水平和提高柴油发电机组管理人员的资源配置效率等等方面都有较大的帮助。

一、柴油发电机组智能控制系统的需求分析

1．柴油发电机组的结构组成和功能介绍。柴油发电机组是—个结构复杂，功能多样的复合系统，一般来说，柴油发电机组主要有以下及部分组成：柴油发动机、供油系统、冷却水系统、启动系统、发电机、励磁控制系统、保护单元、电控单元(ECU)、通信系统、主控系统等等，粗略来看，又可以将这些系统分为机械系统和控制系统，发动机、供油系统、冷却水系统、启动系统、发电机可以统一归纳为柴油发电机组的机械部分，而励磁控制器、保护控制器、电控系统(ECU)、通信系统、主控系统可以统称为柴油发电机组的控制部分。各个模块之间通过现场通信总线进行连接，由智能控制主控系统进行协调分配，通过嵌人专门的控制管理软件系统，还可以实现无人管理，高效优化的智能管理控制系统可以合理的分配发电机组的工作效能，最大限度的减少机组的机械磨损，延长发电机组的工作寿命。

2.柴油发电机组智能控制系统的需求分析。经典的控制系统可以分为两类：模拟控制系统和数字化控制系统，传统的模拟控制电路励磁控制系统一般称为AYR采用模拟器件构成自动电压调节器，体积比较大，控制规律单一，一般是只能同—个型号的AYR系统对应同—个型号的发电机系统，难以适应高精度、高柔性变化的柔性控制，基本上已经难以适应新型电机的功能需求。而数字化励磁控制系统，可以通过集成高性能的CPU，在专业控制算法和控制策略的协助下，实现精确控制，甚至是智能控制，因此，数字化控制以及成为电机控制系统的首选。数字式励磁控制器具有精度高，反应快，控制算法适应性强，对于不同特性的电机只要通过调整程序参数就能适应，甚至可以实现更高端的自适应智能控制算法等优点，又随着高性能的工业级处理器，如高速单片机、DSP的蓬勃发展，因此数字式励磁控制器在近几年来有着取代传统的模拟电路型的励磁调节器的趋势。

二、柴油发电机组智能控制

1.柴油发电机组励磁控制系统模型。柴油发电机组通过跟踪负荷变化来调节供油量，使柴油机的输出转矩达到系统稳定运行的要求。本文采用液压式调速器作为柴油机调速器。根据同步发电机的端电压进行励磁系统控制是较为完善的一种方案，将同步发电机的端电压与额定值的差值作为励磁控制器的输入，励磁控制器的输出为励磁电压，作用于同步发电机的励磁绕组，从而使输出端电压满足船舶运行要求。根据相关要求，同步发电机使用星形连接的五阶数学模型。柴油发电机组励磁控制系统的仿真模型是在Matlab/Simulink中搭建的，主要由励磁调节模块、转速调节模块、同步发电机模块以及负载模块组成。

2.励磁系统模糊PID控制器设计。在实际控制系统中，我们没有办法对所有系统进行建模分析。对于非线性的高阶复杂电力系统来说，采用模糊控制方法具有一定的可行性。模糊PID控制器的设计可分为以下步骤：

确定模糊控制器的结构。一个完整的模糊控制系统，根据检测到的输入变量的个数和维数，可以将模糊控制器分为多变量模糊控制器和单变量一维模糊控制器、单变量二维模糊控制器以及单变量多维模糊控制器。考虑到本文的输入量是e和ec两个参数，本文选用的是单变量二维模糊控制器。

定义输入、输出模糊集

建立模糊规则需要用语言变量来表达，而模糊语言变量的定量描述由它的隶属度函数决定。论域的基本作用是将输入的变量经过模糊化后变为离散的变量， 按照一定的区域进行分配，以及将通过模糊推理求得的输出变量按照固定的区域分配，等待去模糊化。本文中输入变量e和ec所对应的隶属度函数的论域为，输出变量kp、ki、kd所对应的隶属度函数的论域为2.3 确定隶属度函数本文使用了三角形隶属度函数对控制变量进行描述。

模糊规则的设计。PID 3个参数在控制过程中是紧密相连的，一个参数的改变可能会引起另外两个参数的改变。专家学者根据员工多年来积累的实际操作经验总结了模糊控制规则，该规则详细阐述了PID 3个参数在任何条件下的控制规律。

3 遗传算法优化模糊PID控制器。模糊PID控制器要获得合适的模糊控制规则和隶属度函数，需要耗费大量时间与精力，效率过低，不利于在实际工程中的应用。因此，需要用其他智能算法优化模糊控制器。遗传算法可直接对问题的编码集而不是变量本身进行操作，具有广泛的实用性。故本文采用遗传算法对模糊PID控制器的比例因子ke、kec和量化因子kp、ki、kd进行优化。设计遗传算法优化模糊PID控制器的过程如下：

选择合适的编码方法。遗传算法的编码方法有很多种，主要包括二进制编码、浮点数编码、格雷码编码等。这里遗传算法采用二进制编码方式，分别优化励磁系统模糊PID控制器的ke、kec、kp、ki、kd等5个参数。

初始化种群。随机产生psize个参数，使用浮点数编码作为个体编码方式。

确定适应度函数在生物学中，适应度是一个指标，用来衡量某一种群对它所处环境的适应程度。在遗传优化算法中，将群体中适应度函数高的个体保留到下一代。本文用ITAE（误差绝对值时间积分）作为适应度函数，

4 仿真分析与研究。本文建立了柴油发电机组励磁系统的常规PID控制器、模糊PID控制器、遗传算法优化的模糊PID控制器3种控制器仿真模型，在突增、突减50%额定负载的工况下进行了仿真分析。系统在突增、突减50%额定负载工况下系统以额定负载启动，其稳定运行后，在第7 s时增加50%额定容量的三相负载，在第14 s时减去此三相负载。对于励磁电压和端电压， 遗传算法优化的模糊PID控制器比常规PID控制器和模糊PID控制器更快达到稳定状态，超调量也更小，拥有较好的控制性能。

结束语：本文针对柴油发电机组的控制系统的智能化设计进行了一定的研究，提出在数字化控制中，通过不同的控制系统的选择和励磁算法的编制，可以对不同型号的发电机组进行通用控制，为柴油发电机组的智能化控制提供了新思路。

参考文献：

[1] 欧阳松，王晶，柯常国.船舶柴油发电机组的模糊控制及其优化研究[J].船电技术，2020，40（1）：18-22.

[2] 李兵洋，肖健梅，王锡淮.基于遗传算法优化的同步发电机模糊PID励磁控制[J].工业控制计算机，2019，29（11）：78-79.