柴油发电机组转速策略研究与系统优化设计

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1、第1章绪论1.1课题研究的背景和意义工业社会生产力都是依靠机械，而机械的动力系统是生产的首要条件，18世纪末，第一次工业革命的第一原动力为蒸汽机⑴。19世纪末，德国工程师鲁道夫.狄赛尔(RudolfDiesel)所提出的内燃机原理彻底的改变了现状，在提出了这一原理之后，很快Diesel创造了柴油机，而它的动力系统输出功率远高于当时存在的蒸汽机动力系统和Alto发动机动力系统功率⑵。由于柴油机的优势，因此柴油机发展非常迅速，被应用在包括发电机、船舶等大型机械中。1920年左右，柴油机开始进入民用时代，应用到大型机械和农用器械中⑶。直至今H,由于柴油机的各方而性能非常的优异，其应用的领域己

2、经非常的广泛，是我们生活中最常见的一种动力系统之一。柴油机的广泛应用已经受到越来越多学者的关注，但不同的应用领域对发动机的性能要求是有很大的差距。如本文所研究的是柴油机在发电机组领域的应用,它对柴油机的控制稳定性有着极高的要求，而电力作为人类生产生活的必备要素,需要大量的发电设备以维持正常的生产和生活⑷。然在现在节能减排的声浪中，一些干净低成本的能源成为明日之星，如风能、水能、太阳能等一些新能源得到了有效的开发，但这些能源都或多或少的存在一定的局限性，所以日前还是柴油发电机组设备为电网供电提供主要的电能。即使大型的核电厂也需耍柴油发电机组提供能源支持，如紧急状态下，柴油发电机组可以及时

3、的提供电能以保证反应器达到安全停机状态，以减缓事故后果所需要的紧急炉芯冷却设备能够及时的获得必要的电力⑸。在柴油发电机组的工作过程中，发电机组输出的电能是对电压、电流及频率的稳定性有极高的要求的⑹。由于发电机组是通过柴油机带动同步电机发电的原理，所以就需要柴油机通过喷油量的调节来保持一个恒定的转速，确保输出的稳定。但是在实际的生产中，会产生很多不同的工况，柴油机的转速会受到外界的负载的干扰，而负载时常是无规律、无预期和无预警的变化，且变化范围非常的大⑺。如果仅仅是靠人工是无法实时的监控和调节，自动控制无疑是最佳的解决方案，通过电控调速系统可以很好的解决这一状况。近年来电控调速系统在柴油

4、机高标准、严要求的情况下得到了长足的发展，但是柴油机控制技术仍无法完全满足其应用的性能要求，很多技术现阶段都还在发展和探索的阶段。介于目前状态和局势下，本文针对柴油机在发电机组的应用领域下，对柴油发电机组的电控调速技术和系统优化设计上进行研究，通过引用现代控制理论算法设计研究和模拟仿真的方式实现对柴油机电控调速系统的精确控制。1.2柴油机电控系统的发展历程及问题1.2.1柴油机电控技术的发展历程柴油机电控技术发展至今，也已经经过了多次的变革。就结构而言，柴油机的电控系统已经可以清晰的分为三个模块，分别为传感器模块、控制器模块和执行器模块⑻。其中传感器模块的变革相较于控制器模块和执行器模

5、块，并没有太大的变化，主要是传感器性能的提升。因此，日前柴油机电控技术的发展更为倾向于对控制器和执行器的研究⑼。柴油机控制器核心部件为调速器，其发展的历程在一百多年来经历了四次革命性的转变卩叭1788年瓦特发明的机械式调速器，通过控制曲轴带动离心部件，调节供油量。20世纪50年代发明的液压式调速器通过控制导阀控制执行机构,并加入了反馈功能开始了有抗干扰能力的闭环控制。20世纪60年代，模拟调速器的发明标志着正式开启了柴油机电控系统的时代，这不仅仅使得柴油机控制性能大幅提升，更意味着将柴油机控制技术带入了自动控制领域。而到了20世纪80年代，调速器的最大突破在于将模拟调速器转变为数字式调

6、速器，以单片机为核心，多种控制算法和策略的应用，检测、通信和监控，大量的现代控制技术在柴油机电控系统中得到了应用，在柴油机应用如此广泛的今天，也能满足各种需求条件。图1.1为柴油机电子调速器的发展历程时间轴：图1.1电子调速器发展历程时间轴而柴油机电控系统的执行器模块最重要的是喷油器的喷油泵、喷油阀一些执行机构，并且喷油策略的选择也是关乎整个系统优异性能的一个关键Z处。执行器控制喷油技术在发展历程上也是经历了位置控制式、时间控制式和时间压力控制式这么三次较大的变革⑴】。从20世纪70年代，电控技术研究刚刚起步，位置式控制器是最早的电控燃油执行器，是在传统的机械上加入电控功能，其功能调节

7、还是依靠结构部件的空间位置移动來实现的。时间控制式的主要原理是用电磁阀的开关机制进行控制，代替了传统的供油调节器，如齿条、齿圈、柱塞等执行机构，在响应速度上有着比位置式高的多的级别。而时间压力控制式是时间控制式加上高压喷油系统控制策形成的一种新型喷油控制器，除了增加的压力控制功能，在原理上与时间控制式并无太大的区别。目前，燃油喷射执行模块器的喷油控制执行机构主要是时间控制式和时间压力式，位置控制式的应用逐渐减少。图1.2为喷油执行机构的发展历程