自适应PID在柴油机电子调速中的应用研究
|
摘要
为解决能源和环境问题,国内外相继开发了多种电子调速系统。这些调速系统大都采用PID控制技术,它虽然具有结构简单、可靠稳定等特点,但它不能有效克服负载、模型参数的大范围变化,且存在PID控制参数优化困难及其非线性因素的影响。本文在广泛阅读文献的基础上,采用自适应PID控制方法对涡轮增压柴油机电子调速系统进行了模拟研究和分析。
综述了自适应控制的发展历程及现状,介绍了两种成熟的自适应控制系统：模型参考自适应系统和自校正控制系统,说明了自适应控制系统的设计要求。
在分析了经典PID控制算法基础上,描述了自适应PID的优点及不同的自适应PID控制类型。针对Widrow-Hoff算法和单神经元算法,设计了两种自适应PID控制器,实现了控制参数的在线自整定。
以MATLAB/Simulink软件为平台,根据涡轮增压柴油机各部分的工作原理,搭建起一个涡轮增压柴油机的准线性控制模型；根据电控调速系统各部分的工作原理,建立了调速系统各部分的模型,为控制器的验证提供了一个良好的仿真环境。
对涡轮增压柴油机和整个电控调速系统进行了仿真研究,分析了仿真结果。仿真结果表明,基于Widrow-Hoff算法的自适应PID控制可以用于柴油机的调速控制,并具有PID参数自动优化和对工况变化的自适应特性。
Many electronic speed control systems have designed for the resolvation of energy and environment problems.These speed control systems use the PID-control mostly.Although the PID-control has a simple structure and stabilization,it still supports the change of load and model parameter, PID parameters not be optimized easily and nonlinear factor.This article makes a simulation research about the electronic speed control system of a turbocharged diesel engine with the self-adaptive PID control.The main content of this article is given as follows:
The development and present state of self-adaptive control are summarized.Two kinds of self-adaptive control system, model reference adaptive control and self-proofread control system are introduced.And the article illuminates the design request of self-adaptive control system.
Based on the analyze of PID control algorithm, the article describes the advantage of self-adaptive PID and different types. With the using of Widrow-Hoff algorithm and single neuron algorithm,two kinds of self-adaptive PID controller are designed.The control parameter can adjust itself on line.
Using MATLAB/Simulink as the simulation tool, a mean value model of the turbocharged diesel engine is given according to the performance principle of diesel engines.The speed control system is also modeled according to the performance principle of the speed control system.
The simulations are performed respectively based on the models of the turbocharged diesel engine and the entire speed control system. Finally,the simulation results are analyzed.The results show that the self-adaptive PID algorithm can be used to control diesel speed and it has the speciality of optimizing PID parameters automatically and adapting when work situation changed.
综述了自适应控制的发展历程及现状,介绍了两种成熟的自适应控制系统：模型参考自适应系统和自校正控制系统,说明了自适应控制系统的设计要求。
在分析了经典PID控制算法基础上,描述了自适应PID的优点及不同的自适应PID控制类型。针对Widrow-Hoff算法和单神经元算法,设计了两种自适应PID控制器,实现了控制参数的在线自整定。
以MATLAB/Simulink软件为平台,根据涡轮增压柴油机各部分的工作原理,搭建起一个涡轮增压柴油机的准线性控制模型；根据电控调速系统各部分的工作原理,建立了调速系统各部分的模型,为控制器的验证提供了一个良好的仿真环境。
对涡轮增压柴油机和整个电控调速系统进行了仿真研究,分析了仿真结果。仿真结果表明,基于Widrow-Hoff算法的自适应PID控制可以用于柴油机的调速控制,并具有PID参数自动优化和对工况变化的自适应特性。
Many electronic speed control systems have designed for the resolvation of energy and environment problems.These speed control systems use the PID-control mostly.Although the PID-control has a simple structure and stabilization,it still supports the change of load and model parameter, PID parameters not be optimized easily and nonlinear factor.This article makes a simulation research about the electronic speed control system of a turbocharged diesel engine with the self-adaptive PID control.The main content of this article is given as follows:
The development and present state of self-adaptive control are summarized.Two kinds of self-adaptive control system, model reference adaptive control and self-proofread control system are introduced.And the article illuminates the design request of self-adaptive control system.
Based on the analyze of PID control algorithm, the article describes the advantage of self-adaptive PID and different types. With the using of Widrow-Hoff algorithm and single neuron algorithm,two kinds of self-adaptive PID controller are designed.The control parameter can adjust itself on line.
Using MATLAB/Simulink as the simulation tool, a mean value model of the turbocharged diesel engine is given according to the performance principle of diesel engines.The speed control system is also modeled according to the performance principle of the speed control system.
The simulations are performed respectively based on the models of the turbocharged diesel engine and the entire speed control system. Finally,the simulation results are analyzed.The results show that the self-adaptive PID algorithm can be used to control diesel speed and it has the speciality of optimizing PID parameters automatically and adapting when work situation changed.
引文
[1]王尚勇,杨清.柴油机电子控制技术.机械工业出版社,2005：3-7页
[2]刘永长.内燃机工作过程模拟.华中理工大学出版社,1996年：205-242页
[3]蒋德明.内燃机的涡轮增压.机械工业出版社,1986：73-77页
[4]滕万庆.柴油机调速新技术.哈尔滨工程大学出版社,2000：129-138页
[5]顾宏中.涡轮增压柴油机热力过程模拟计算.上海交通大学出版社,1985：26-34页
[6]林杰伦.内燃机工作过程数值计算.西安交通大学出版社,1986：23-45页
[7]朱访君,吴坚.内燃机工作过程数值计算及其优化.国防工业出版社,1997：89-121页
[8]翁史烈著.船舶动力装置仿真技术.交通大学出版社,1990：157-168页
[9]张小雪.基于MATLAB的舰船用柴油机性能仿真.华中科技大学硕士学位论文.2006年5月：23-37页
[10]陆金铭.基于MATLAB的柴油机动力装置仿真.计算机仿真,2003(3)：119-120页
[11]王海燕.大型低速船用柴油机建模与系统仿真.大连海事大学博士学位论文.2006年12月：93-110页
[12]谭丞.柴油机非线性模型的研究.辽宁工学院硕士学位论文.2007年3月：36-41页
[13]杭勇.柴油发动机控制模型及控制算法的设计与仿真研究.江苏理工大学硕士学位论文.2002年4月：10-64页
[14]刘孟祥.基于Simulink的柴油机及其控制系统的建模与仿真研究.湖南大学硕士学位论文.2001年11月：27-30页
[15]朱辉,王丽清,张幽彤等..用MATLAB/SIMULINK实现柴油机及其控制系统的动态仿真.内燃机学报,1998(3)：314-321页
[16]段树林,.欧阳明高等.16V240ZJD涡轮增压柴油机动态过程的实时仿真.武汉交通科技人学学报,1999.23(3)：219-222页
[17]段树林,欧阳明高,刘峥.涡轮增压柴油机动态仿真的研究.大连海事大学学报,1999.25(2)：77-80页
[18]毕小平等.发动机平均值模型的开发与检验.装甲兵工程学院学报,1998.12(3)：40-43页
[19]段树林等.MATLAB/SIMULINK在涡轮增压器动态特性仿真中的应用.大连铁道学院学报,1999.20(4)：33-36页
[20]余宏峰,陈辉.基于Matlab/Simulink的车用增压柴油机建模与仿真.内燃机,第2期2006年4月：124-126页
[21]朱辉.用于控制分析的柴油机动态模型.内燃机学报,1999(3)：38-41页
[22]Kao M H, Moskwa J J. Turbocharged Diesel Engine Modeling for Nonlinear Engine Control and State Estimation. Transaction of ASME, 1995:241-246P
[23]WATSON N. Dynamic Turbo-Charged Diesel Engine Simulation for Electronic Engine Control System Development. J Dyna Sys Mears Contr,1998:148-156P
[24]Winterbone D E, Thiruarooran C A, Wholly Dynamic Model of Turbocharged Diesel Engine for Transfer Function Evaluation. SAE Paper 770124:245-247P
[25]Isermann Rolf, Sinsel Stefan, Schaffnit Jochen. Modeling and Real-Time Simulation of Diesel Engines for Control Design. SAE Special Publications. 1998(2):569-572P
[26]Hazell P A. Sampled-Data Theory Applied to the Modeling and Control Analysis of Compression Ignition Engines. International Journal of Control, 1971(3):549-562P
[27]Flower J O. Sampled-Data Theory Applied to the Modeling and Control Analysis of Compression Ignition Engines. International Journal of Control, 1971(4):609-623P
[28]吴士昌,吴忠强.自适应控制(第2版).机械工业出版社,2005年：12-29页
[29]吴振顺.自适应控制理论及应用.哈尔滨工业大学出版社,2005年：
26-39页
[30]刘兴堂.应用自适应控制.西北工业大学出版社,2003年：58-69页
[31]韩曾晋.自适应控制.清华大学出版社,1995年6月：28-67页
[32]潘慕绚.航空发动机自适应控制.南京航空航天大学硕士学位论文.2003年3月：25-46页
[33]王信德.某型涡扇发动机自适应建模研究.南京航空航天大学硕士学位论文.2003年3月：12-25页
[34]陈昊.未建模自适应PID控制研究.河海大学硕士学位论文.2007年3月：19-25页
[35]杨天智.一种自适应PID控制器在双边剪夹送辊中的应用.武汉科技大学硕士学位论文.2007年5月：12-45页
[36]孙泽勇.自适应PID在过程控制中的应用研究.四川大学硕士学位论文.2003年3月：26-38页
[37]易江义,阳春华,周彩霞.一种自适应PID控制及其在发电机性能测试装置中的应用.计算机工程与应用,2004(32)：212-218页
[38]农建波.一种自适应PID控制系统.广西民族学院学报,1995年6月：61-65页
[39]周又玲,周铁,王志新.自适应LMS算法的DSP实现.现代电子技术,2006(19)：43-45页
[40]段正华.一种改进的解相关LMS自适应算法.湖南大学学报,2006年6月第33卷第3期：54-57页
[41]邓军,孙昭君,余世林等.基于Widrow-Hoff LMS算法的柴油机排气噪声主动控制.农机化研究,2007年4月第4期：67-69页
[42]Kwongrh, John Stone w.A variable step size LMS algorithm. IEEE Trans Signal Processing,1992-40 (7):1633-1642P
[43]Aboulnasrt, Mayyask.A robust variable step-size LMS type algorithm: analysis and simulation. IEEE Trans Signal Processing,1997,45 (3):631-639P
[44]Danilop. Mandic. A generalized normalized gradient descent aigorithm. IEEE Signal Processing Letters,2004,11 (2):115-118.P
[45]Bozo Krstajic, Zdravko Uskokovic, Ljubisa Stankovic. Adaptive channel equalizer with new VSS LMS algorithm. Signal Processing and Its Application,2003:567-570.P
[46]Farhang Borou Jeny. A new class of gradient adaptive step-size LMS lgorithms. IEEE Trans Signal Processing,2001,49 (4):805-809.P
[47]Tjokro S,Shah S L. Adaptive PID control.Proceedings of the 1985 American Control Conference.1985:1528-1534P
[48]李颖,朱伯立,张威.Simulink动态系统建模与仿真基础.西安电子科技大学出版社,2004：148-197页
[49]薛定宇,陈阳泉.基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用。清华大学出版社,2002年4月：25-158页
[50]Martin T.Hagan,Howard B.Demuth,Mark H.Beale著,戴葵等翻译.神经网络设计.机械工业出版社,2005年8月：154-169页
[51]刘金琨.先进PID控制及其MATLAB仿真.电子工业出版社,2003：25-56页
[52]黄永安,马路,刘慧敏.MATLAB 7.0/Simulink 6.0建模仿真开发与高级工程应用.清华大学出版社,2005：148-245页
[53]陶永华.新型PID控制及其应用.机械工业出版社,1998：16-67页
[54]冯惕,王俭.基于S函数计算机控制算法的Simulink仿真.福建电脑,2006年第12期：55-57页
[55]马伟富.自适应LMS算法的研究及应用.四川大学硕士学位论文,2005年5月：23-47页
[56]王纪元.柴油机工作过程的Simulink建模仿真研究.大连理工大学硕士学位论文,2007年12月：31-42页
[57]余宏峰.增压发动机动态排放仿真方法的研究.武汉理工大学硕士学位论文,2006年3月：25-47页
[58]孔峰,宋希庚,张育华等.增压中冷电控单体泵柴油机的平均值模型.内燃机工程,2006年10月第27卷第5期：189一190页
[59]夏红,王慧,李平.PID自适应控制.控制与决策,1995年10(6)：558-562页
[60]王伟,张晶涛,柴天佑,参数先进整定方法综述,自动化学报,2000(3)：347-355页
[61]王恒震.应用单片机实现自适应控制.自动化与仪表,1991年第6卷第4期：126-128页
[62]王沫然.Simulink4建模及动态仿真.电子工业出版社,2002年：25-187页
[63]董长虹。Matlab神经网络与应用(第2版)。国防工业出版社,2007年：6-11页
[64]谢宗安,何志琴,费仙凤.神经元控制调速系统鲁棒性分析.贵州科学,2002年12月：40-43页
[65]林瑞全,杨富文,邱公伟.基于积分分离PID控制算法的神经元控制器.自动化仪表,2004年4月：52-55页
[66]程雪飞,王强,彭继慎.基于S函数的专家PID控制器的实现.仪器仪表用户,2006年5月：86-87页
[67]张琳,张莹.双馈风力发电机仿真模型的S函数实现.电气开关,2007年5月：33-35页
[68]李毓洲,罗玉涛,赵克刚.基于单神经元控制器的永磁同步电机矢量控制仿真.微电机,2007年第40卷第3期：5-7页
[69]李绍铭,赵伟.基于函数的BP神经网络控制器SIMULINK仿真.工业控制技术,2008年3月：95-96页
[70]叶长青,尹华杰.赵海波无刷直流电动机驱动系统Matlab仿真建模及模型中S函数的实现.微电机,2008年第41卷第10期：9一13页
[71]张永林,李彦,李众.在SIMULINK中创建用户定义模块.华东船舶工业学院学报(自然科学版),2001年6月：2-6页
[72]龚昌来.基于MatLab/Simulink的单片机控制系统仿真.河海大学常州分校学报,2006年3月：32-35页
[2]刘永长.内燃机工作过程模拟.华中理工大学出版社,1996年：205-242页
[3]蒋德明.内燃机的涡轮增压.机械工业出版社,1986：73-77页
[4]滕万庆.柴油机调速新技术.哈尔滨工程大学出版社,2000：129-138页
[5]顾宏中.涡轮增压柴油机热力过程模拟计算.上海交通大学出版社,1985：26-34页
[6]林杰伦.内燃机工作过程数值计算.西安交通大学出版社,1986：23-45页
[7]朱访君,吴坚.内燃机工作过程数值计算及其优化.国防工业出版社,1997：89-121页
[8]翁史烈著.船舶动力装置仿真技术.交通大学出版社,1990：157-168页
[9]张小雪.基于MATLAB的舰船用柴油机性能仿真.华中科技大学硕士学位论文.2006年5月：23-37页
[10]陆金铭.基于MATLAB的柴油机动力装置仿真.计算机仿真,2003(3)：119-120页
[11]王海燕.大型低速船用柴油机建模与系统仿真.大连海事大学博士学位论文.2006年12月：93-110页
[12]谭丞.柴油机非线性模型的研究.辽宁工学院硕士学位论文.2007年3月：36-41页
[13]杭勇.柴油发动机控制模型及控制算法的设计与仿真研究.江苏理工大学硕士学位论文.2002年4月：10-64页
[14]刘孟祥.基于Simulink的柴油机及其控制系统的建模与仿真研究.湖南大学硕士学位论文.2001年11月：27-30页
[15]朱辉,王丽清,张幽彤等..用MATLAB/SIMULINK实现柴油机及其控制系统的动态仿真.内燃机学报,1998(3)：314-321页
[16]段树林,.欧阳明高等.16V240ZJD涡轮增压柴油机动态过程的实时仿真.武汉交通科技人学学报,1999.23(3)：219-222页
[17]段树林,欧阳明高,刘峥.涡轮增压柴油机动态仿真的研究.大连海事大学学报,1999.25(2)：77-80页
[18]毕小平等.发动机平均值模型的开发与检验.装甲兵工程学院学报,1998.12(3)：40-43页
[19]段树林等.MATLAB/SIMULINK在涡轮增压器动态特性仿真中的应用.大连铁道学院学报,1999.20(4)：33-36页
[20]余宏峰,陈辉.基于Matlab/Simulink的车用增压柴油机建模与仿真.内燃机,第2期2006年4月：124-126页
[21]朱辉.用于控制分析的柴油机动态模型.内燃机学报,1999(3)：38-41页
[22]Kao M H, Moskwa J J. Turbocharged Diesel Engine Modeling for Nonlinear Engine Control and State Estimation. Transaction of ASME, 1995:241-246P
[23]WATSON N. Dynamic Turbo-Charged Diesel Engine Simulation for Electronic Engine Control System Development. J Dyna Sys Mears Contr,1998:148-156P
[24]Winterbone D E, Thiruarooran C A, Wholly Dynamic Model of Turbocharged Diesel Engine for Transfer Function Evaluation. SAE Paper 770124:245-247P
[25]Isermann Rolf, Sinsel Stefan, Schaffnit Jochen. Modeling and Real-Time Simulation of Diesel Engines for Control Design. SAE Special Publications. 1998(2):569-572P
[26]Hazell P A. Sampled-Data Theory Applied to the Modeling and Control Analysis of Compression Ignition Engines. International Journal of Control, 1971(3):549-562P
[27]Flower J O. Sampled-Data Theory Applied to the Modeling and Control Analysis of Compression Ignition Engines. International Journal of Control, 1971(4):609-623P
[28]吴士昌,吴忠强.自适应控制(第2版).机械工业出版社,2005年：12-29页
[29]吴振顺.自适应控制理论及应用.哈尔滨工业大学出版社,2005年：
26-39页
[30]刘兴堂.应用自适应控制.西北工业大学出版社,2003年：58-69页
[31]韩曾晋.自适应控制.清华大学出版社,1995年6月：28-67页
[32]潘慕绚.航空发动机自适应控制.南京航空航天大学硕士学位论文.2003年3月：25-46页
[33]王信德.某型涡扇发动机自适应建模研究.南京航空航天大学硕士学位论文.2003年3月：12-25页
[34]陈昊.未建模自适应PID控制研究.河海大学硕士学位论文.2007年3月：19-25页
[35]杨天智.一种自适应PID控制器在双边剪夹送辊中的应用.武汉科技大学硕士学位论文.2007年5月：12-45页
[36]孙泽勇.自适应PID在过程控制中的应用研究.四川大学硕士学位论文.2003年3月：26-38页
[37]易江义,阳春华,周彩霞.一种自适应PID控制及其在发电机性能测试装置中的应用.计算机工程与应用,2004(32)：212-218页
[38]农建波.一种自适应PID控制系统.广西民族学院学报,1995年6月：61-65页
[39]周又玲,周铁,王志新.自适应LMS算法的DSP实现.现代电子技术,2006(19)：43-45页
[40]段正华.一种改进的解相关LMS自适应算法.湖南大学学报,2006年6月第33卷第3期：54-57页
[41]邓军,孙昭君,余世林等.基于Widrow-Hoff LMS算法的柴油机排气噪声主动控制.农机化研究,2007年4月第4期：67-69页
[42]Kwongrh, John Stone w.A variable step size LMS algorithm. IEEE Trans Signal Processing,1992-40 (7):1633-1642P
[43]Aboulnasrt, Mayyask.A robust variable step-size LMS type algorithm: analysis and simulation. IEEE Trans Signal Processing,1997,45 (3):631-639P
[44]Danilop. Mandic. A generalized normalized gradient descent aigorithm. IEEE Signal Processing Letters,2004,11 (2):115-118.P
[45]Bozo Krstajic, Zdravko Uskokovic, Ljubisa Stankovic. Adaptive channel equalizer with new VSS LMS algorithm. Signal Processing and Its Application,2003:567-570.P
[46]Farhang Borou Jeny. A new class of gradient adaptive step-size LMS lgorithms. IEEE Trans Signal Processing,2001,49 (4):805-809.P
[47]Tjokro S,Shah S L. Adaptive PID control.Proceedings of the 1985 American Control Conference.1985:1528-1534P
[48]李颖,朱伯立,张威.Simulink动态系统建模与仿真基础.西安电子科技大学出版社,2004：148-197页
[49]薛定宇,陈阳泉.基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用。清华大学出版社,2002年4月：25-158页
[50]Martin T.Hagan,Howard B.Demuth,Mark H.Beale著,戴葵等翻译.神经网络设计.机械工业出版社,2005年8月：154-169页
[51]刘金琨.先进PID控制及其MATLAB仿真.电子工业出版社,2003：25-56页
[52]黄永安,马路,刘慧敏.MATLAB 7.0/Simulink 6.0建模仿真开发与高级工程应用.清华大学出版社,2005：148-245页
[53]陶永华.新型PID控制及其应用.机械工业出版社,1998：16-67页
[54]冯惕,王俭.基于S函数计算机控制算法的Simulink仿真.福建电脑,2006年第12期：55-57页
[55]马伟富.自适应LMS算法的研究及应用.四川大学硕士学位论文,2005年5月：23-47页
[56]王纪元.柴油机工作过程的Simulink建模仿真研究.大连理工大学硕士学位论文,2007年12月：31-42页
[57]余宏峰.增压发动机动态排放仿真方法的研究.武汉理工大学硕士学位论文,2006年3月：25-47页
[58]孔峰,宋希庚,张育华等.增压中冷电控单体泵柴油机的平均值模型.内燃机工程,2006年10月第27卷第5期：189一190页
[59]夏红,王慧,李平.PID自适应控制.控制与决策,1995年10(6)：558-562页
[60]王伟,张晶涛,柴天佑,参数先进整定方法综述,自动化学报,2000(3)：347-355页
[61]王恒震.应用单片机实现自适应控制.自动化与仪表,1991年第6卷第4期：126-128页
[62]王沫然.Simulink4建模及动态仿真.电子工业出版社,2002年：25-187页
[63]董长虹。Matlab神经网络与应用(第2版)。国防工业出版社,2007年：6-11页
[64]谢宗安,何志琴,费仙凤.神经元控制调速系统鲁棒性分析.贵州科学,2002年12月：40-43页
[65]林瑞全,杨富文,邱公伟.基于积分分离PID控制算法的神经元控制器.自动化仪表,2004年4月：52-55页
[66]程雪飞,王强,彭继慎.基于S函数的专家PID控制器的实现.仪器仪表用户,2006年5月：86-87页
[67]张琳,张莹.双馈风力发电机仿真模型的S函数实现.电气开关,2007年5月：33-35页
[68]李毓洲,罗玉涛,赵克刚.基于单神经元控制器的永磁同步电机矢量控制仿真.微电机,2007年第40卷第3期：5-7页
[69]李绍铭,赵伟.基于函数的BP神经网络控制器SIMULINK仿真.工业控制技术,2008年3月：95-96页
[70]叶长青,尹华杰.赵海波无刷直流电动机驱动系统Matlab仿真建模及模型中S函数的实现.微电机,2008年第41卷第10期：9一13页
[71]张永林,李彦,李众.在SIMULINK中创建用户定义模块.华东船舶工业学院学报(自然科学版),2001年6月：2-6页
[72]龚昌来.基于MatLab/Simulink的单片机控制系统仿真.河海大学常州分校学报,2006年3月：32-35页