基于MATLAB提示的船舶柴油机转速参数pid调节器调谐gydF4y2Ba

摘要gydF4y2Ba

本文研究了利用MATLAB实现船舶模拟器训练中柴油机转速的正则参数整定。为了使控制器尽可能简单，对质量指标的阶跃响应上升采用PID调节器。在MATLAB代码中创建了自动调优程序。下面考虑这个例子gydF4y2Ba

关键字gydF4y2Ba

模拟器，船用柴油机，参数整定，阶跃响应，传递函数，pid控制器。gydF4y2Ba

介绍gydF4y2Ba

在现代自动化控制系统的基础上，对海上和水路船舶能源装置的能源效率、安全性和可靠性提出了更高的要求，这是一个重要的科学技术问题。采用计算机新技术构建的具有复杂技术手段和系统的船舶设备供应，应与专业培训水平的提高同步进行。gydF4y2Ba

培训这些员工的有效手段是模拟器。在高质量的仿真器和复杂程序中，我们解决了系统建模、参数调优等问题。我们构建的算法允许我们避免默认情况。在各种应用中，仿真器广泛用于研究工作，涉及到合理的技术制度的选择和控制系统的参数优化。gydF4y2Ba

对于机械技术人员的培训，我们可以在机械部门使用模拟器[gydF4y2Ba2gydF4y2Ba]。在操作主船电机和辅助机构时，我们使用模拟器中的控制系统，配备调节器。我们根据各种标准构造调谐方法。经验证明，船舶控制系统的参数调谐和功能特性优化过程在模拟器中具有一定的信息量，对于理解船舶控制系统的静态和动态反馈行为是不够的。在pid调节器在自动化系统中是公司的情况下，建议在没有方便的理由的情况下使用数值。gydF4y2Ba

通过构建基于MATLAB/simulink介质的程序仿真器复合体，可以进一步改进仿真器。MATLAB/simulink的主要优点是可以编写各种应用于不同船舶的导航程序。MATLAB的应用保证了建模的高质量。gydF4y2Ba

现代建模技术为解决水路运输中的复杂技术问题提供了有效手段。gydF4y2Ba

模型使用gydF4y2Ba

让我们解决一个精确的问题。利用MATLAB对船舶柴油机调速自动化系统进行了分析和建模。通过对pid调节器进行参数整定，提高控制质量。gydF4y2Ba

我们注意到pid调节器整定参数的定义是机器部分模拟器的关键问题之一。建模的目的是评估控制系统的调节器特性。建模对象为带轴向发电机的柴油设备。柴油机有效功率15886KwT，公称工况转速122tr/min。我们以微分方程的形式使用该模型，在工作[gydF4y2Ba1gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

我们考虑以下注释:gydF4y2Ba

ω(t) -转速;gydF4y2Ba

H (t)——控制机构随柴油机转速的运动;gydF4y2Ba

R (t)—输入信号;gydF4y2Ba

米gydF4y2Ba_dgydF4y2Ba(t)——电机转矩;gydF4y2Ba

PgydF4y2Ba_ggydF4y2Ba(t)—轴向发电机功率gydF4y2Ba

TgydF4y2Ba_{一个gydF4y2Ba}- GM、柴油带发电机的时间常数;gydF4y2Ba

TgydF4y2Ba_我gydF4y2Ba-稳压器等矩时间常数;gydF4y2Ba

TgydF4y2Ba_{年代gydF4y2Ba}-伺服电机时间常数;gydF4y2Ba

Z——电机自流平系数;gydF4y2Ba

KgydF4y2Ba_hgydF4y2Ba- GM的传递系数(时间常数为T)gydF4y2Ba_{一个gydF4y2Ba}）;gydF4y2Ba

Kc——决定Md(t)对ω(t)作用的模型传递系数;gydF4y2Ba

KgydF4y2Ba_vggydF4y2Ba-轴式发电机模型传递系数;gydF4y2Ba

KgydF4y2Ba_ggydF4y2Ba-调节器静态系数;gydF4y2Ba

KgydF4y2Ba_fgydF4y2Ba-稳压器等差反馈系数;gydF4y2Ba

KgydF4y2Ba_pgydF4y2Ba- PID调节器的比例分量;gydF4y2Ba

KgydF4y2Ba_我gydF4y2Ba- pid调节器的组成部分gydF4y2Ba

KgydF4y2Ba_dgydF4y2Ba- PID调节器的差动元件;gydF4y2Ba

δ—调节器不均匀系数;gydF4y2Ba

J——调节系数。gydF4y2Ba

柴油机高能装置GM - SG转速调节的动力学方程如下[gydF4y2Ba1gydF4y2Ba]：gydF4y2Ba

汽车模型:gydF4y2Ba

调节器模型;gydF4y2Ba

用算子形式表示方程是很方便的。考虑零初始条件和拉普拉斯算子s，我们可以将输入和输出坐标的关系表示为代数方程:gydF4y2Ba

电机型号:gydF4y2Ba

eq1gydF4y2Ba

调节器模型的传递函数;gydF4y2Ba

eq2gydF4y2Ba

在那里;gydF4y2Ba

传递函数——gydF4y2Ba

给出了系统的框图gydF4y2Ba图1gydF4y2Ba。从式(eq1)中，在构建模型时，我们考虑因子dvA1(s)，其输入接收03(3)个信号:控制h(s)、扰动Md(s)和Pg(s)。gydF4y2Ba

闭环系统的传递函数(gydF4y2Ba图1gydF4y2Ba)调节转速偏离给定值r(s)为:gydF4y2Ba

eq3gydF4y2Ba

式中W1(s) = c(s)·kh·regA(s)·dvA1(s)gydF4y2Ba

微扰Md(s)和Pg(s)的传递函数分别为:gydF4y2Ba

eq4gydF4y2Ba

eq5gydF4y2Ba

我们将使用方程eq3 - eq5对系统中动态状态下发生的过程进行建模。为此，我们构建文件sah794。m的MATLAB代码。首先选取带静态调节器的系统的整定参数。我们通过选择K来排除pid调节器对动力学的影响gydF4y2Ba_pgydF4y2Ba= 1, kgydF4y2Ba_我gydF4y2Ba= 0和KgydF4y2Ba_dgydF4y2Ba= 0。gydF4y2Ba

我们考虑以下价值:gydF4y2Ba

Ts = 0.067;J = 2.2;Kg = 0.01;δ = 0.12;Kf = 0.355;Ti = 0.7。gydF4y2Ba

通过替换这些eq2的值，我们得到gydF4y2Ba

eq6gydF4y2Ba

对于对象动态模型，我们考虑:gydF4y2Ba

Ta = 1.9;Z = 1.5;KgydF4y2Ba_hgydF4y2Ba= 1.0;kgydF4y2Ba_vggydF4y2Ba= 0.85;KgydF4y2Ba_{注册gydF4y2Ba}= 1gydF4y2Ba

我们现在有了下面的表达式。gydF4y2Ba

扩音器gydF4y2Ba

eq8gydF4y2Ba

eq9gydF4y2Ba

因此，我们可以选择调节器的调谐参数，考虑到其中两个参数的变化速率是由护照数据定义的:gydF4y2Ba

TgydF4y2Ba_我gydF4y2Ba= 0,05÷2.5 s;KgydF4y2Ba_ggydF4y2Ba= 0.01 ÷0.1。gydF4y2Ba

通常，保证暂态状态下给定质量指标的参数选择是通过T的变化来完成的gydF4y2Ba_我gydF4y2Ba和KgydF4y2Ba_ggydF4y2Ba在每次迭代中对单元输入信号的反应进行视觉评估。gydF4y2Ba

当只有两个参数变化时，此路径是可接受的。同时，当其数量增加时，还需要其他现代技术和技术系统参数优化决策方法。在其他方面，视觉评价无法避免操作者的主观决策。gydF4y2Ba

MATLAB的技术手段可以解决与参数优化有关的问题，也可以解决与系统分析和综合有关的各种问题。因此，例如，在闭环(eq7 - eq9)中使用的频谱评估函数eig(Fi(s))允许从稳定性和振荡的约束中选择特征方程的根。对变量使用函数S= stepinfo (y,t)给出了暂态过程时间的可能评估数值。gydF4y2Ba

为了在模拟器制作过程中进行参数调优和图形表示，我们构建了sah794文件。m在MATLAB代码中实现了程序复元的功能。通过改变参数，选择最方便的状态。它对应的值是:Ti= 0,7 s;Kg = 0.01。gydF4y2Ba

% sah794.mgydF4y2Ba

%调节器参数:gydF4y2Ba

t = 0.067;J = 2.2;解决= 0.12公斤= 0.01;Kf = 0.355;Ti = 0.7;gydF4y2Ba

s =特遣部队(“s”);gydF4y2Ba

a1 = Ti * t *解决;a2 = t *解决+ Ti * (Kf * *解决+公斤);a3 =公斤;gydF4y2Ba

%调节器传递函数的形成:gydF4y2Ba

num = [Ti 1];Den =[a1 a2 a3];gydF4y2Ba

君威=特遣部队(num窝)。gydF4y2Ba

%电机动力学模型:gydF4y2Ba

Ta = 1.9;Z = 1.5;Kh = 0.85;Kc = 1.0;Kvg = 0.85;kreg = 1;gydF4y2Ba

%柴油机传递功能:gydF4y2Ba

den1=[Ta Z];gydF4y2Ba

den1 dvA1 =特遣部队(1)gydF4y2Ba

%===============================gydF4y2Ba

% pid调节器参数:gydF4y2Ba

% Kp = 20;gydF4y2Ba

%Ki=0.3;Kd=1.2;gydF4y2Ba

Kp = 1;ki = 0;Kd = 0;gydF4y2Ba

C = pid (Kp、Ki Kd);gydF4y2Ba

%===============================gydF4y2Ba

%开环系统传递函数1(s)=ω(s)/eps(s)gydF4y2Ba

W1 = C * Kh * * dvA1君威gydF4y2Ba

%系统单位反馈F1 =ω(s) / r (s) = W1 (s) / (1 + W1 (s)):gydF4y2Ba

F1 =反馈(W1, 1)gydF4y2Ba

%微扰传递函数Md(s):F22(s)=ω(s)/Md(s)gydF4y2Ba

F2 =反馈(dvA1 C * Kh *君威,1);gydF4y2Ba

——F22 = Kc * F2gydF4y2Ba

%摄动传递函数Pg(s):F33(s)=ω(s)/Pg(s)gydF4y2Ba

F3 =反馈(dvA1 C * Kh *君威,1)gydF4y2Ba

F33 = Kvg * F3gydF4y2Ba

eig (F1)gydF4y2Ba

%=======================================gydF4y2Ba

%图形表示:gydF4y2Ba

次要情节(2,2,1:2)gydF4y2Ba

(ωt) = (F1, 3)步;gydF4y2Ba

Stepinfo(ωt)gydF4y2Ba

%(ωt) =步骤(F1, 0.5);gydF4y2Ba

情节(t,ω),网格gydF4y2Ba

次要情节(2,2,3)gydF4y2Ba

(医学博士,t) =(——F22, 3)步;gydF4y2Ba

马里兰州情节(t),网格gydF4y2Ba

%轴([0 0.5 0 0.1])gydF4y2Ba

次要情节(2,2,4)gydF4y2Ba

(Pg, t) = (F33, 3)步;gydF4y2Ba

马里兰州情节(t),网格gydF4y2Ba

在gydF4y2Ba图2gydF4y2Ba给出了柴油机转轴转速调节系统瞬态过程的图形。系统的适当值与质量整定参数。:λgydF4y2Ba_{1、2gydF4y2Ba}= -6.6524±j0.5886;gydF4y2Ba

λgydF4y2Ba_3.gydF4y2Ba= -1.8137。gydF4y2Ba

stepinfo函数对指标的评价:gydF4y2Ba

主域反应时间(RiseTime): 0.3395sgydF4y2Ba

瞬态过程时间:1.7193sgydF4y2Ba

下限(est): 0.8934gydF4y2Ba

上限(est): 1.0593gydF4y2Ba

%的上升值:7.5608。gydF4y2Ba

偏离下限(est): 0gydF4y2Ba

最大振幅(峰值):1.0593gydF4y2Ba

传递函数eq8和eq9对应的扰动瞬态过程图形有如下指标:gydF4y2Ba

对调节器调谐的其他变量的仿真研究表明，由于研究的是整个动作过程，这些变量的质量指标并不比调节器调谐的质量指标更好。在静态系统中有一个既定的误差。暂态过程的时间- 2s会影响维持GD转速和电路中交流电流频率的质量。轴发电机与GD的轴紧密相连。这就是为什么对摄动系统的任何作用都会对船舶动力电站的运行条件产生负作用的原因。gydF4y2Ba

系统动力学以传递函数、状态空间方程、零点和极点模型、频率特性等形式表示的特殊性，定义了建模手段、综合和时间调节方法。gydF4y2Ba

为了改善系统的动态特性，我们采用了pid调节器。gydF4y2Ba

我们注意到在MATLAB介质的控制工具中我们可以使用pid函数。函数的语法:gydF4y2Ba

C = pid (Kp、Ki Kd, Tf)gydF4y2Ba

其中TgydF4y2Ba_fgydF4y2Ba-非周期元件滤波器的时间常数。并联结构pid-调节器模型的传递函数为:gydF4y2Ba

eq10gydF4y2Ba

在选择调谐参数时，我们提醒，Kp的增加减少了建立状态的误差，但也减少了相位和振幅的稳定裕度，这就是为什么会发生一些振荡。积分系数Ki的引入有利于将静态误差减小到零，这是由于低频传递系数的增加和相位稳定裕度的减小。微分分量kd的增加也增加了高频传递系数。从而改善了瞬态过程。Tf的选择限制了高频噪声对控制系统的影响。如果我们回到系统gydF4y2Ba图1gydF4y2Ba，以及传递函数(eq3 - eq5)，我们将调节器作为块C(s)。在研究系统的性质时，我们考虑KgydF4y2Ba_pgydF4y2BaK = 1,gydF4y2Ba_我gydF4y2Ba= 0 KgydF4y2Ba_dgydF4y2Ba= 0。这种情况排除了调节器对调谐参数的影响。让我们研究通过选择PID调节器参数来改善质量整定的可能性。gydF4y2Ba

让我们先考虑KgydF4y2Ba_pgydF4y2Ba= 20。我们有阻尼振荡。使用文件sah794.m完成建模。接下来我们考虑KgydF4y2Ba_我gydF4y2Ba=0.3和KgydF4y2Ba_dgydF4y2Ba=1.2，瞬态过程得到改善(gydF4y2Ba图3gydF4y2Ba）.用算子stepinfo (ω，t)对上图所示模型中的暂态过程指标进行评价(gydF4y2Ba图3gydF4y2Ba)，我们有以下资料:gydF4y2Ba

得到了带PID调节器的闭环系统的传递函数。gydF4y2Ba

eq11gydF4y2Ba

eq12gydF4y2Ba

eq13gydF4y2Ba

这些表达式的正确值是:gydF4y2Ba

λgydF4y2Ba_1gydF4y2Ba= - 62.8704;λgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba= -175651;λgydF4y2Ba_3.gydF4y2Ba= -1.4394;λgydF4y2Ba_4gydF4y2Ba= -0.0150gydF4y2Ba

在MATLAB的交互域中，我们得到了一个类似于eq11 - eq13的情况，其系数值如下:KgydF4y2Ba_pgydF4y2BaK = 16.4837,gydF4y2Ba_我gydF4y2Ba= 12.2345和KgydF4y2Ba_dgydF4y2Ba= 0.72045。对于建模，我们使用pidtool函数。gydF4y2Ba

最后，研究了带PID调节器的系统在扰动M同时作用下的反应gydF4y2Ba_dgydF4y2Ba和PgydF4y2Ba_ggydF4y2Ba。为此，我们考虑轴发生器的矩形信号和转矩的复杂形式信号。在gydF4y2Ba图4gydF4y2Ba，我们表示柴油机轴的转速ω(t)(图上部分)，取决于输入信号r(t)， MgydF4y2Ba_dgydF4y2BaP (t)gydF4y2Ba_ggydF4y2Ba(t)下半部分表示。gydF4y2Ba

结论gydF4y2Ba

从图形上证明了采用PID调节器的系统的质量指标优于静态系统。使轴向发电机的转速具有良好的稳定性，从而在船舶网络中产生高质量的电能。使用MATLAB工具进行建模使我们能够获得简单精确的解决方案，减少参数优化的时间，并能够对所做的决策进行定量评估。通过在模拟器上引入控制中心的数值参数并在屏幕上显示结果，可以对建模结果进行验证。对复杂船舶技术装备的研究和开发水平的提高，建模的作用是至关重要的。gydF4y2Ba

通过一个参数整定的例子，我们证明了模拟器可以改善控制系统的决策。gydF4y2Ba

参考文献gydF4y2Ba

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2. 科罗廖夫V. I.用模拟器培养船舶机械技术人员。I. Korolev, A. G. Tarani。-Novorosisk: MGA Ouchakov, 2011。- Part 2 - 308p(俄罗斯)。gydF4y2Ba