微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組快速原型控制器硬件在環(huán)試驗(yàn)研究

余 躍，張?zhí)旌辏h霖，謝 琦，林志祥

（南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，南京210016）

0 引言

可靠、廉價(jià)、環(huán)保的動(dòng)力源是當(dāng)今科技發(fā)展的主流[1-2]。電能是1種清潔可靠的重要資源，直接影響到人民的生活質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度[3]。微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組作為1種小型化的高效發(fā)電系統(tǒng)，將成為新型分布式發(fā)電（Distributed Generation,DG）技術(shù)的主流[4]。燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組是無電網(wǎng)電能供應(yīng)地區(qū)的主要電能供應(yīng)來源，廣泛用于艦艇用電、移動(dòng)電站、海外孤島、野外工業(yè)作業(yè)等，其優(yōu)點(diǎn)包括：供電靈活，經(jīng)濟(jì)性好；發(fā)電品質(zhì)較好，電壓和頻率變化較小；體積小、質(zhì)量輕、便于安裝[5]。

為了減少或避免微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組控制器故障和加快控制器開發(fā)進(jìn)度，其控制器開發(fā)必須經(jīng)過4個(gè)階段，即純數(shù)字仿真、硬件在環(huán)試驗(yàn)仿真、實(shí)物在回路試驗(yàn)仿真和臺(tái)架試驗(yàn)[6]，硬件在環(huán)試驗(yàn)是驗(yàn)證控制器的控制邏輯和控制算法的重要一步[7]。

燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的控制模式主要分為無差控制、有差控制和功率控制，其中功率控制又分為功率反饋無差法、功率反饋有差法、定燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速法和定燃料閥開度法[8]。目前國內(nèi)外主要采取的控制方法是經(jīng)典PID（Proportion Integral and Differential）控制和分段PID控制[5-9]。對(duì)于孤網(wǎng)發(fā)電的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組，發(fā)電功率變化頻繁、變化幅度較大，因此，本研究采用前饋PID控制方法，發(fā)電機(jī)功率為前饋值。微型燃?xì)廨啓C(jī)的物理故障包括侵蝕、腐蝕、堵塞、內(nèi)部污垢、密封磨損、葉片燒毀、噴嘴堵塞等，這些物理故障會(huì)導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)的性能退化，甚至引發(fā)燃?xì)廨啓C(jī)安全事故[10]。

本文針對(duì)某微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組，設(shè)計(jì)了1套基于cRIO（CompactRIO）的快速原型控制器（Rapid Control Prototype,RCP）。為了驗(yàn)證快速原型控制器的全狀態(tài)控制功能和故障識(shí)別與處置功能，搭建了硬件在環(huán)試驗(yàn)平臺(tái)。

1 快速原型控制器設(shè)計(jì)

1.1 快速原型控制器概述

快速原型控制器也叫快速控制原型，是1種具有硬件快速定制、軟件代碼快速開發(fā)或自動(dòng)生成的控制器。可用于代替目標(biāo)（產(chǎn)品）控制器實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)控制功能，開展硬件在回路（Hardware-the-Loop,HIL）仿真、半物理仿真試驗(yàn)，以驗(yàn)證快速原型控制器接口、控制邏輯和算法的有效性[11-12]。快速原型控制器設(shè)計(jì)需要選擇合理的開發(fā)平臺(tái)，要求硬件配置方便、性能好、可靠性高，以及軟件設(shè)計(jì)效率高且所生成的代碼可靠性強(qiáng)。

圖1 快速原型控制器的原理

某微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的快速原型控制器基于cRIO設(shè)計(jì)，如圖1所示，是該發(fā)電機(jī)組的“大腦”，其主要功能包括：（1）實(shí)現(xiàn)某微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組從起動(dòng)、點(diǎn)火、加速直至額定狀態(tài)以及停車的全過程控制；（2）保證燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組安全可靠運(yùn)行，在發(fā)生超轉(zhuǎn)、震動(dòng)過大、熄火、燃油壓力故障、滑油壓力故障、滑油溫度故障、軸承超溫故障的情況下，能準(zhǔn)確識(shí)別故障類型并處置故障。

1.2 快速原型控制器硬件設(shè)計(jì)

快速原型控制器包括cRIO單元和信號(hào)調(diào)理驅(qū)動(dòng)單元，如圖2所示。其中cRIO單元是快速原型控制器的控制核心。

圖2 快速原型控制器的硬件結(jié)構(gòu)

cRIO的內(nèi)核為ZYQN，包括實(shí)時(shí)控制器RT（Real Time）、可重配置的現(xiàn)場可編程門陣列FPGA（Field－Programmable Gate Array）及模塊化I/O。實(shí)時(shí)控制器采用667MHz雙核ARM Cortex A9，與FPGA之間采用AXI總線實(shí)現(xiàn)快速通信。cRIO的快速IO（FPGA）核心內(nèi)置數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)傳到嵌入式處理器以進(jìn)行實(shí)時(shí)分析、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)記錄或與聯(lián)網(wǎng)主機(jī)通信。

信號(hào)調(diào)理驅(qū)動(dòng)單元的開發(fā)采取模塊化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想，相對(duì)于整體式大電路板的結(jié)構(gòu)形式，模塊化結(jié)構(gòu)更加靈活，便于配置和裝配，符合快速原型的設(shè)計(jì)思想。信號(hào)調(diào)理驅(qū)動(dòng)單元包括頻率量輸入信號(hào)調(diào)理模塊、熱電偶信號(hào)調(diào)理模塊、模擬量輸入信號(hào)調(diào)理模塊、模擬量輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)模塊、開關(guān)量輸入信號(hào)調(diào)理模塊、開關(guān)量輸出驅(qū)動(dòng)模塊。

1.3 快速原型控制器算法設(shè)計(jì)

cRIO硬件架構(gòu)包括RT模塊、FPGA模塊和模塊化I/O，其中FPGA模塊和RT模塊采用LabVIEW開發(fā)[14]。

FPGA模塊的時(shí)鐘頻率為40 MHz，直接訪問I/O接口[11]，其主要功能是開關(guān)量、模擬量、熱電偶量、轉(zhuǎn)速采集和開關(guān)量、模擬量指令輸出，其中重點(diǎn)處理了轉(zhuǎn)速信號(hào)。

單純的測周法或測頻法測轉(zhuǎn)速，存在不可避免的策略誤差[15]，本文基于FPGA提出了1種測周與測頻的高精度轉(zhuǎn)速測量法。轉(zhuǎn)速信號(hào)是接口模擬器根據(jù)10齒音輪產(chǎn)生的PWM波，通過cRIO的NI 9401接口卡采集之后成為0/5V的TTL信號(hào)，定義10維數(shù)組，首先用測周法獲得當(dāng)前TTL信號(hào)的周期，將TTL信號(hào)的當(dāng)前周期作為第0個(gè)數(shù)值，上一周期值作為第1個(gè)數(shù)值，依次保存前9個(gè)周期值，然后求10個(gè)數(shù)值之和，即為燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速的周期值，如圖3所示。

圖3 FPGA模塊中轉(zhuǎn)速計(jì)算

RT（Real-Time）模塊程序是快速原型控制器程序的核心，主要分為3部分：（1）與RT程序相互通信，時(shí)鐘周期為1 ms；（2）與控制系統(tǒng)監(jiān)控軟件建立實(shí)時(shí)通信，控制系統(tǒng)監(jiān)控軟件實(shí)時(shí)顯示燃?xì)廨啓C(jī)狀態(tài)并給定起動(dòng)、停車等指令，時(shí)鐘周期為20 ms；（3）實(shí)現(xiàn)某微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組全狀態(tài)控制功能和故障保護(hù)功能，時(shí)鐘周期為20 ms。

微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的全狀態(tài)控制包括：起動(dòng)控制、恒轉(zhuǎn)速控制、溫度控制、加速控制和停車控制。起動(dòng)控制主要指某微型燃?xì)廨啓C(jī)的起動(dòng)控制，指某微型燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)速從0~95%額定轉(zhuǎn)速的控制，主要分為2個(gè)階段：起動(dòng)機(jī)帶動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)至點(diǎn)火轉(zhuǎn)速；開始點(diǎn)火并供油加速燃?xì)廨啓C(jī)至95%額定轉(zhuǎn)。起動(dòng)過程供油規(guī)律分3個(gè)階段：（1）當(dāng)微型燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的20%～51.4%時(shí)，按照轉(zhuǎn)速插值供油；（2）當(dāng)微型燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的51.4%～80%時(shí)，通過PI控制以角加速度為350 r/min/s供油；（3）當(dāng)微型燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的80%～95%時(shí)，通過PI控制以角加速度為216 r/min/s供油。某微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)的恒轉(zhuǎn)速控制是當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，采用前饋PID控制律對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行恒轉(zhuǎn)速控制，其中前饋量為用戶終端對(duì)發(fā)電機(jī)組的發(fā)電功率，如圖4所示。

針對(duì)微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組在實(shí)際過程中發(fā)生的上述物理故障，本研究中快速原型控制器設(shè)計(jì)了7種典型故障識(shí)別與處置功能，分別是：超轉(zhuǎn)故障、振動(dòng)故障、熄火故障、燃油壓力故障、滑油壓力故障、滑油溫度故障、軸承溫度故障，如圖5所示。

圖4 微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組恒轉(zhuǎn)速控制原理

圖5 快速原型控制器故障處置功能

2 硬件在環(huán)試驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)建

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)組成和原理

硬件在環(huán)試驗(yàn)平臺(tái)由4部分組成，即控制器實(shí)物、模型、接口系統(tǒng)和實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件[16]，如圖6所示。控制器實(shí)物是某微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的快速原型控制器，包括cRIO單元和信號(hào)調(diào)理驅(qū)動(dòng)單元；模型是指采用LabVIEW開發(fā)的模型上位機(jī)，通過NI VeriStand調(diào)用模型的動(dòng)態(tài)鏈接庫；接口系統(tǒng)是基于ARM設(shè)計(jì)的接口模擬器，通過TCP/IP與模型上位機(jī)建立實(shí)時(shí)通信；實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件是基于LabVIEW設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)監(jiān)控軟件，通過TCP/IP與快速原型控制器的cRIO單元建立連接。

圖6 硬件在環(huán)系統(tǒng)組成

2.2 燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組模型的建立

微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組是1種強(qiáng)非線性機(jī)械系統(tǒng)，采用MATLAB/Simulink建立其全狀態(tài)模型，包括某微型燃?xì)廨啓C(jī)模型和發(fā)電機(jī)組模型，額定狀態(tài)的參數(shù)見表1。

微型燃?xì)廨啓C(jī)主要部件包括壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪等，其全狀態(tài)模型包括慢車以上模型、起動(dòng)模型和停車模型，其中慢車以上模型采用部件級(jí)模型，如圖7所示，起動(dòng)模型和停車模型采用擬合模型。部件級(jí)模型采用NASA開發(fā)的MATLAB/Simulink/TMATS工具箱，該工具箱包括環(huán)境、壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪、噴管、功率發(fā)生裝置、轉(zhuǎn)軸等部件，每個(gè)部件包括燃?xì)廨啓C(jī)的熱力學(xué)、氣體動(dòng)力學(xué)計(jì)算，其中壓氣機(jī)和渦輪部件特性曲線來自Gasturb。

表1 某微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組額定參數(shù)

圖7 基于T-MATS的燃?xì)廨啓C(jī)模型

通過MATLAB/Simulink/TMATS工具箱建立的燃?xì)廨啓C(jī)部件級(jí)模型穩(wěn)定工作時(shí)，應(yīng)滿足流量連續(xù)的共同工作方程，采用牛頓拉普森方程求解。

發(fā)電機(jī)組是燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的核心部件之一，集旋轉(zhuǎn)與靜止、電磁變化與機(jī)械運(yùn)動(dòng)于一體，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。對(duì)發(fā)電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型做以下必要的假設(shè)：（1）電機(jī)的轉(zhuǎn)子在結(jié)構(gòu)上完全對(duì)稱；（2）3個(gè)定子繞組在空間上互差120°，其結(jié)構(gòu)完全相同；（3）忽略電機(jī)磁鐵部分的磁滯、磁飽和、渦流等影響；（4）電機(jī)內(nèi)部表面光滑，其溝槽不影響定子和轉(zhuǎn)子繞組的電感。發(fā)電機(jī)組模型是根據(jù)發(fā)電機(jī)的電壓方程、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程和運(yùn)動(dòng)方程，再經(jīng)過坐標(biāo)系d-q變換建立的[17]。

電壓方程的abc 3相坐標(biāo)下的矩陣方程為

式中：u、i、r、ψ 分別為各相繞組電壓、電流、電阻和磁鏈。

磁鏈方程為

式中：系數(shù)矩陣中的對(duì)角元為各繞組的自感系數(shù)；非對(duì)角元為繞組間的互感系數(shù)，互感系數(shù)是可逆的，即Mii=Mii（i,j=a,b,c,f,D,Q）。

轉(zhuǎn)矩方程為

式中：Pp為極對(duì)數(shù)；θ為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的角度；ω為轉(zhuǎn)速的角速度；Tm為原動(dòng)機(jī)作用在軸上的力矩；Te為發(fā)電機(jī)的電磁力矩。

電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的運(yùn)動(dòng)方程為

式中：TJ為發(fā)電機(jī)慣性時(shí)間常數(shù)；δ為發(fā)電機(jī)功角；ω為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的點(diǎn)角速度。

將某微型燃?xì)廨啓C(jī)的起動(dòng)模型、停車模型與部件級(jí)模型相結(jié)合，構(gòu)成該燃?xì)廨啓C(jī)的全狀態(tài)模型；發(fā)電機(jī)組模型與微型燃?xì)廨啓C(jī)模型連接在一起，形成某微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型。燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組模型采用Simulink開發(fā)，通過NI VeriStand創(chuàng)建模型的輸入輸出接口，編譯成動(dòng)態(tài)鏈接庫文件（model.dll），在燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組模型上位機(jī)中直接調(diào)用。

2.3 接口模擬器

硬件在環(huán)試驗(yàn)中的接口模擬器的作用是模擬燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的傳感器信號(hào)輸出給快速原型控制器，同時(shí)模擬執(zhí)行機(jī)構(gòu)信號(hào)傳遞給燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組模型上位機(jī)，主要的傳感器信號(hào)包括溫度、壓力、轉(zhuǎn)速、位置等信號(hào)，主要的執(zhí)行結(jié)構(gòu)是燃油泵、電磁閥等。

接口模擬器主要由主控芯片、外圍電路、外接端口等組成。主控芯片為TM4C129NCPDF，其主頻為120 MHz，其外圍電路資源如下：4路PWM信號(hào)發(fā)生器、16路熱電偶信號(hào)發(fā)生器、16路電流信號(hào)發(fā)生器、16路開關(guān)量信號(hào)發(fā)生器、16路開關(guān)量輸入信號(hào)、8路模擬量輸入信號(hào)。接口模擬器與模型上位機(jī)之間通過TCP/IP連接，與控制器之間通過導(dǎo)線連接，如圖8所示。

圖8 接口模擬器布局

為了提高接口模擬器的穩(wěn)定性，其軟件設(shè)計(jì)采用2套時(shí)序。當(dāng)與模型上位機(jī)之間的TCP/IP未連接時(shí)，接口模擬器的10 ms定時(shí)器用于高速采集和輸出，20 ms定時(shí)器用于低速采集和輸出，500 ms定時(shí)器用于系統(tǒng)自檢；當(dāng)TCP/IP連接時(shí)，系統(tǒng)自身時(shí)序丟棄不用，采用中斷模式，時(shí)序由上位機(jī)提供，確保采集與輸出的實(shí)時(shí)性。

測試表明，接口模擬器的精度完全能夠滿足硬件在環(huán)試驗(yàn)。16路熱電偶輸出信號(hào)的最大誤差為0.29%，16路電流量輸出信號(hào)的最大誤差為0.10%，16路電流量輸入信號(hào)的最大誤差為0.37%，4路PWM信號(hào)的最大誤差為0.10%，開關(guān)量輸入信號(hào)和開關(guān)量輸出信號(hào)的誤差為0。

3 硬件在環(huán)試驗(yàn)

3.1 全狀態(tài)控制試驗(yàn)

某微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的硬件在環(huán)試驗(yàn)設(shè)備由模型上位機(jī)、接口模擬器、快速原型控制器、控制系統(tǒng)監(jiān)控軟件組成。硬件在環(huán)系統(tǒng)在自動(dòng)控制下，在監(jiān)控軟件上給定起動(dòng)指令，該系統(tǒng)就可以按照起動(dòng)控制正常起動(dòng)。

通過試驗(yàn)表明：微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組從0時(shí)刻開始起動(dòng)，經(jīng)過12.4 s其轉(zhuǎn)速達(dá)到550 r/min，開始供油并點(diǎn)火，點(diǎn)火后依次經(jīng)過轉(zhuǎn)速插值供油、加速度PI控制供油，其中加速度控制階段的控制率均采用KP1=0.0005、KI1=0.02。在第 39.2 s時(shí)，轉(zhuǎn)速達(dá)到 29500 r/min，開始進(jìn)入恒轉(zhuǎn)速控制，PID的控制參數(shù)為KP2=0.04、KI2=0.1、KD2=0.2。燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速之后，第51.9 s時(shí)開始功率加載，發(fā)電功率逐步從0變化到1500 kW，耗時(shí)11.7 s。在第70.5 s時(shí)，開始降低發(fā)電機(jī)功率，從1500kW降到0。在第87.7s時(shí)，該系統(tǒng)開始手動(dòng)停車，停止供油，燃?xì)廨啓C(jī)緩慢停下。微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)全狀態(tài)控制中主要參數(shù)變化如圖9所示。

圖9 全狀態(tài)硬件在環(huán)仿真轉(zhuǎn)速與燃油量變化過程

3.2 故障處置能力試驗(yàn)

在硬件在環(huán)試驗(yàn)中，模型上位機(jī)界面中設(shè)置了故障注入窗口（如圖10所示），快速原型控制器會(huì)自動(dòng)處置，發(fā)出警告信號(hào)或停車指令。燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組模型上位機(jī)中設(shè)置了7種典型的故障注入，分別是超轉(zhuǎn)故障、熄火故障、振動(dòng)故障、燃料壓力故障、滑油壓力故障、滑油溫度故障和軸承溫度故障，其中超轉(zhuǎn)故障和熄火故障采用一鍵注入形式，其余5類故障采用滾動(dòng)條調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)數(shù)值。

通過硬件在環(huán)試驗(yàn)，快速原型控制器能夠快速準(zhǔn)確識(shí)別不同種類的故障，同時(shí)也能快速處置故障。在模型上位機(jī)注入的非嚴(yán)重故障時(shí)，控制系統(tǒng)監(jiān)控軟件會(huì)發(fā)出相應(yīng)故障的警告提示；在模型上位機(jī)中注入致命性故障時(shí)，快速原型控制器立刻發(fā)出緊急停車指令，停止供油。

圖10 模型上位機(jī)的故障注入窗口

4 結(jié)束語

本文針對(duì)微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組提出了1種基于cRIO的硬件在環(huán)仿真方案，該試驗(yàn)平臺(tái)包括快速原型控制器、模型上位機(jī)、接口模擬器和控制系統(tǒng)監(jiān)控軟件。

（1）實(shí)現(xiàn)了某微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組從起動(dòng)、點(diǎn)火、恒轉(zhuǎn)速控制以及停車的全狀態(tài)控制，快速原型控制器具備全狀態(tài)控制功能；

（2）針對(duì)注入的7種典型故障，快速原型控制器能快速識(shí)別與合理處置，快速原型控制器具備故障識(shí)別與故障處置功能；

（3）通過硬件在環(huán)試驗(yàn)的快速原型控制器可以對(duì)實(shí)際的微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行控制。