小型天然气发电机组控制系统开发研究

摘要

面对当前世界范围内的能源危机和日益严重的环境问题。天然气作为一种高效、安全、储量丰富的清洁能源现已进入了人们的视野。由于分布式发电具有体积小、移动方便、成本低等特点，因此对用于分布式发电的小型天然气发电机组的研究具有重要的经济意义和社会效益。
　　本文以小型气体燃料发电机组发动机为研究对象，深入分析研究了小型气体燃料发电机组发动机的运行特点，根据目前国内小型天然气发电机组控制过程中存在的点火控制模块和速度调节模块分离的现象进行，设计了包括发动机的点火控制模块和速度调节模块在内的小型气体燃料发电机组发动机的电控系统，根据总体设计方案制定了相应的控制策略，完成了控制系统的硬件、软件设计开发和调试试验。
　　选用英飞凌公司生产的XE164FN单片机作为控制系统的主控芯片。根据系统中传感器及执行器的特点设计了包括脉冲信号处理电路、模拟信号采集电路、开关量处理电路、点火驱动电路、节气门控制电路、CAN通讯电路和电源电路在内的硬件单元。由于发动机工作时所处的环境非常恶劣，为了保证系统的正常工作提高系统的可靠性，硬件设计时还对系统采取了相应的防干扰措施。
　　软件方面系统主要由上位机和下位机两部分组成。其中上位机软件包括参数标定软件及数据采集软件，其中参数标定软件能够对下位机的关键控制参数进行标定，并能够对发电机组的状态进行监测和显示;数据采集软件基于高速PCI采集卡开发，用于对发电机组的转速信号进行采集和处理。下位机软件根据功能可以分为启动工况判断函数、凸轮相位判断函数、转速调节函数等几个主要函数。采用以速度调节为外环，以节气门位置调节为内环的双闭环控制结构，采用增量式PID作为本文的控制算法。
　　最后，本文利用信号模拟装置和电位器等装置模拟传感器产生信号，对所开发的电控系统进行了调试和模拟验证试验。并在由全柴490柴油机改进而来的天然气发电机组上对控制系统的控制策略以及控制器的性能进行了测试。结果表明所设计的控制系统基本能够达到预期的设计要求。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究意义及目的

1．2 小型天然气发电机组控制系统国内外研究现状

1．3 本文主要研究内容

第2章 发电机电控单元硬件设计

2．1 总体设计

2．2 主芯片的选取

2．3 硬件电路设计

2．3．1 XE164FN的最小系统

2．3．2 脉冲信号处理电路

2．3．3 模拟信号处理电路

2．3．4 开关量信号处理电路

2．3．5 点火线圈驱动模块

2．3．6 电子节气门控制

2．3．7 CAN通信处理电路

2．5．8 电源转换电路

2．6 硬件电路的抗干扰设置

2．6．1 空间电磁干扰的防护措施

2．6．2 电路板干扰的防护措施

2．7 本章小结

第3章 控制及测试系统软件设计

3．1 控制及测试系统结构

3．2 上位机软件

3．2．1 数据采集及处理软件

3．2．2 标定软件

3．3 下位机软件

3．3．1 启动工况控制函数

3．3．2 凸轮相位判断函数

3．3．3 转速控制函数

3．3．4 PID控制器的设计

3．3．5 数字式PID控制算法

3．3．6 PID参数整定

3．4 本章小结

第4章 发电机组系统组成及实验研究

4．1 天然气发电机组实验台组成

4．2 试验结果分析

4．3 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 本课题主要研究内容

5．2 展望

参考文献

致谢

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