燃气发电机组的空燃比控制系统设计及仿真.pdf

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第6期(总第187期)
机械工程与自动化
2014年12月
MECHANICAL ENGINEERING & AUTOMATION
文章编号:1672-6413(2014)06-0074-02
燃气发电机组的空燃比控制系统设计及仿真
洪霖
(东华大学信息科学与技术学院,上海201620)
摘要:针对燃气发电机组的空燃比控制,简述其原理并设计了一套控制系统。该系统根据进气压力和转速变
化,利用RBF神经网络整定的PID控制原理,实现燃气进气量的自动调节。 MATLAB/ Simulink仿真结果
表明,较常规PID控制系统,该系统具有稳态误差减小、控制精度提高和超调减小等优点,可有效提高机
组的燃料利用率及经济性,并能显著改善机组的尾气排放。
关键词:燃气发电机组;空燃比控制;RBF神经网络;PID;仿真
中图分类号:TM611.3:TP373
文献标识码:A
0引宫
系统过程数据的采集通过氧传感器、转速传感器
进入21世纪以来,世界各国的环境保护意识越来进气压力传感器等传感器实现
越强,对清洁能源的需求也越来越旺盛。燃气内燃发
氧传感器是系统中重要的传感器之一。在空燃比
动机因其良好的清洁能源特性,越来越多地被应用于控制系统中,最常见的反馈参数是排气中氧的含量,它
发电领域。空燃比控制系统是燃气发电机组的重要控直接反映出燃气燃烧之后留下了多少氧气。因为燃烧
制系统之一,其性能优劣直接关系到机组的能源利用室内大部分的氧气,或者说所有的氧气均来自于空气,
效率和尾气排放。在传统燃气发电机组的设计中,多所以排气氧含量是空燃比的直接反映
沿用车用空燃比控制系统的思路,常采用常规PID策
略来控制电子节气门的开度。但发电用负载特性与车
用不同,利用常规PID控制很难获得满意的控制效
空气进气御十「节门「发
果。本文提出一种基于RBF神经网络整定的PID控
燃气
器
机
制策略,通过调节进气阀的开度,进而使空燃比保持在
压
转红
步进电
步
温
理想值附近
空燃比控制原理
机机
割熱器
燃气发电机组是在由燃气和空气组成的混合气进
空燃比控制器
人内燃机气缸后,经火花塞点火爆燃做功,推动活塞在
图1燃气发电机组空燃比控制系统结构
气缸内移动,带动曲轴旋转,进而带动发电机来发电。
发动机转速的稳定性对发电机组输出交流电的频
空燃比是影响机组做功效率的重要因素之一。当率稳定性影响较大,而频率的稳定性又是衡量发电机
燃气浓度、压力或者温度发生变化时,空燃比会随之变组输出电能质量的主要指标之一。转速传感器多为磁
化,进而引起发动机功率突变、转速不稳等现象发生。电式传感器,安装在凸轮轴上,由转速传感器内的永磁
空燃比控制系统根据气体成分确定理论空燃比,体、线圈和发动机飞轮齿轮共同作用产生一个交流电
利用传感器检测气体实际浓度的变化,传输给空燃比压信号,该信号经采样电阻和放大器处理后,输入到控
控制器后,经过分析处理以确定当前条件下所需的最制器CPU内。
佳空燃比。根据计算的结果,系统通过步进电机调整2.2燃气阀及空气
进气阀门的开度,从而调节燃气和空气的进气量
燃气阀及空气阀是带步进电机的电动调节阀,也
2空燃比控制系统组成
是系统的执行器。控制器利用PWM驱动步进电机
由图1可知,燃气发电机组的空燃比控制系统主要进而调节阀门开度。
由控制器、传感器、燃气阀、空气阀、混合器等部分组成。2.3空燃比控制器
2.1传感器
空燃比控制器是空燃比控制的“大脑”。在本系统
收稿日期:2014-03-20;修回日期:2014-06-23
作者简介:洪霖(1982-),男,江苏宝应人,工程师,在读硕土研究生,研究方向:人工智能控制、分布式能源技术。

2014年第6期
洪霖:燃气发电机组的空燃比控制系统谖计及仿真
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没计中,空燃比控制器基于DSP处理器设计,由检测制的仿真结果如图5所示。通过对比可以发现:在稳
电路、空燃比控制电路和通讯接口电路等部分构成
态时,与常规PID相比,并行控制的稳态误差小,空燃
3空燃比控制策略
比基本能稳定在理论空燃比附近;在动态时,与常规
在空燃比控制系统中,系统的控制目标是要使稳PID相比,并行控制的超调量小,即使在加入干扰的情
态下空燃比的平均值在理想值附近,而且在突加突卸况下,超调量6,也可控制在20%以内。
负载造成空燃比偏离理想值时,系统能迅速响应,将空
燃比控制在理想值附近。
进气压力以
RBF神经网络整定PID控制策略
转速、馈
合动
器」机」氧
在业控制中,PID控制器应用广泛。由于发动
控
制
机的空燃比受进入气缸的空气量转速、负荷、温度、气
传感器
体燃料喷射器的响应速度和喷射精度等多种因素的影
IPD控制
响,所以采用PID控制,根据反馈实时调整进气量,使
之达到精确控制。
空燃比给定值人空燃比测量值
人工神经网络是一种在生物神经网络的启示下建
立的数据处理模型。其中径向基函数(RBF)模拟了人
日2RBF和PID并行控制的空燃比控制系统框图
脑中局部调整相互覆盖接受域的神经网络结构,能以
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任意精度通近任意非连续函数,是一种局部逼近网络
prersure
Transfe
scope
收敛速度快。本设计采用并行控制策略来实现发动机
controll
空燃比的控制,前馈控制采用RBF神经网络控制器,
D Controller
反馈控制则采用PID控制器。前馈控制及时快速响
应,实现发动机的逆动态模型;反馈控制则保证系统的
alue
稳定性,抑制干扰信号对系统的扰动
图3RBF和PID并行控制的空燃比控制仿真系统图
RBF和PID并行控制的空燃比控制系统见图2
RBF神经网络的输入为进气压力和转速,输出为空气
与燃气的混合气量U。由该混合气量与估计得到的空
气量计算得到前馈空燃比行。入与PID控制器的输
出入。之和为总空燃比入。由前馈控制器得到的混合气
0246810121402468101214
量U和总空燃比λ经图2中的比例器后得到控制量
时间/s
时间/s
(空气流量及燃气流量)。其算法为:
图4常规PID的空燃比图5RBF和PID并行控制的
控制仿真结果
空燃比控制仿真结果
入=入r+入,
(1)4结语
(2)
针对燃气发电机组的空燃比控制,本文设计了
套采用RBF神经网络和PID并行控制的控制系统。
Ua=1+入
(3)仿真结果表明,该系统可有效提高燃气发电机组的发
电效率,改善燃气发电机组的尾气排放
4)
参考文献:
其中:U为空气流量;U为燃气流量;e为网络误差性能。[1]朱文俊,周杏鹏.天然气发电机组空燃比调节子系统的设
3.2仿真实验
计与实现[J].工业仪表与自动化装置,2007(6):70-72
本文采用 MATLAB软件 Simulin