基于自抗擾控制器的柴油機轉速控制

張奇志，王 釗

（西安石油大學 鉆機控制技術重點實驗室， 西安 71003）

0 引言

在當今社會，人們對柴油機的要求越來越高，因此在柴油機的研究過程中，對其進行電子控制已經成為迫在眉睫的任務。而如今，柴油機的電子調速系統(tǒng)大多數還是采用PID控制器，但是當柴油機的轉速突然跳變時，由于輸出的慣性作用，使得輸出值不能跟隨躍變，從而導致轉速產生誤差；另外，由于PID控制的微分環(huán)節(jié)會對噪聲產生放大作用，因而實際系統(tǒng)中并無微分環(huán)節(jié)，因此我們一般都是采用PI控制，使得系統(tǒng)產生超調或者震蕩，從而無法達到正常的校正效果[1]。針對PID控制器效果的不理想，本文主要介紹了自抗擾控制技術，并且根據自抗擾控制技術設計了切實可行的ADRC控制器，通過PID和ADRC兩種控制方法的仿真測試，結果顯示，利用自抗擾控制理論設計的控制器，能夠有效地提高調速系統(tǒng)的精度和準確度，同時也增強了柴油機的抗擾動能力。

1 自抗擾控制原理

自抗擾控制技術(ADRC)是中國科學院研究員韓京清提出的一種不依賴系統(tǒng)模型的新型控制技術[2]。它是從PID控制演變過來的，吸取了經典PID“基于誤差來消除誤差”的控制策略，其發(fā)展始于一篇討論如何統(tǒng)一處理線性系統(tǒng)結構和反饋系統(tǒng)計算問題的論文中的一個重要結論；一個系統(tǒng)的積分器串聯(lián)型結構不僅是線性系統(tǒng)在線性反饋變換下的標準結構，也是一類非線性系統(tǒng)在非線性反饋變換下的標準結構[3]。換句話說，就是利用“自抗擾控制器”進行系統(tǒng)設計時，可以把系統(tǒng)中的許多不同因素歸類為對系統(tǒng)的這種或那種“擾動”，然后用“擴張狀態(tài)觀測器”進行估計、補償，使其變?yōu)榫€性系統(tǒng)的標準形、積分器串聯(lián)型，從而實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)反饋線性化。自抗擾控制器是由跟蹤微分器（Tracking Differentiator，TD）、擴張狀態(tài)觀測器（Extended State Observer，ESO）和非線性狀態(tài)誤差反饋(Nonlinear State Error Feedback)控制規(guī)律構成[4]，其結構圖如圖1所示。

圖1 自抗擾控制系統(tǒng)結構框圖

2 柴油機轉速自抗擾控制器的設計

2.1 柴油機調速系統(tǒng)的控制策略

常規(guī)PID控制是最早出現(xiàn)的控制器類型，因其具有結構簡單，實時性好等優(yōu)點從而被廣泛用于過程控制中，但是PID控制需要被控對象的精確數學模型，而且難以處理非線性復雜控制系統(tǒng)[5]。自抗擾控制器由于它是由3個控制規(guī)律組成，對不同因素進行處理，補償，反饋從而使其對控制系統(tǒng)的數學模型要求不高，而柴油機調速控制具有非線性、時變性和不確定性等特點，采用常規(guī)PID控制與自抗擾控制器相比，后者顯得更加具有優(yōu)勢。

2.2 柴油機轉速控制的數學模型

本文以某大型的船只柴油機為實際進行參考[5-6]，這種柴油機速度控制的數學模型為：

式中：Ka為電液執(zhí)行機構的比例系數，Ka=1；Ta為時間常數，Ta=0.35 s；τa為純滯后環(huán)節(jié)，τa=0.05 s。

2.3 自抗擾控制器的設計

我們以上述柴油機的數學模型為被控對象：

而對f(x1,x2,ω(t),t)這個被控對象進行估計時需要使用一種典型的自抗擾控制器算法[2,4]如下：

非線性跟蹤微分器的過渡過程：

擴張狀態(tài)觀測器：

非線性校正組合：

對于函數fhan和fal的定義如下：

2.4 仿真模型的建立

根據以上建立的控制對象數學模型，利用MATLAB中的Simulink平臺，同時搭建PID和ADRC柴油機轉速控制系統(tǒng)[7]，其仿真框圖如圖2所示。

圖2 ADRC控制模型和PID控制模型

3 仿真結果及分析

在我們整定好PID參數，實驗設定柴油機的啟動轉速為100 r/min，系統(tǒng)穩(wěn)定運行的情況下，在t=10 s時，給柴油機突加擾動，如圖3所示。

從仿真圖中我們可以看出，與PID控制相比較，自抗擾控制器在外界環(huán)境出現(xiàn)擾動時能夠降低10%的超調，使系統(tǒng)維持在穩(wěn)定運行狀態(tài)，這是因為ADRC中擴張狀態(tài)觀測器將系統(tǒng)中含有的非線性動態(tài)，建模過程中出現(xiàn)的不確定性和外部環(huán)境變化都看成對系統(tǒng)的各種“擾動”，然后進行估計，補償使其變?yōu)榫€性系統(tǒng)的標準型，實現(xiàn)動態(tài)反饋線性化，使之達到對干擾很好的擬制作用[8]。

圖3 突加擾動時ADRC和PID仿真結果比較

當柴油機以100 r/min啟動后，在t=10 s時轉速增大為200 r/min，仿真圖如圖4（a）所示。

當柴油機以200 r/min運行時，在t=2 s后將轉速降低為50 r/min，等穩(wěn)定運行后在t=16 s又將轉速調整為140 r/min，其仿真圖如圖4（b）所示。

圖4 轉速改變時ADRC和PID仿真結果比較

在圖4（a）、（b）中，自抗擾控制器分別使超調減少了將近9%和7%。經典PID控制器采用的是將比例，積分，微分3者之間進行簡單的加權求和，當輸入轉速短時間跳變，系統(tǒng)由于慣性繼續(xù)運行，輸出轉速只能逐漸過渡，無法躍變，繼而出現(xiàn)偏差，這種偏差經PID加權求和后放大，從而使得系統(tǒng)出現(xiàn)超調和震蕩； ADRC引入非線性環(huán)節(jié)構造出的非線性跟蹤微分器能夠克服由于輸入信號不連續(xù)、不可微導致微分信號失真的缺點，將輸入和輸出產生的誤差進行非線性處理，減小其控制量，從而減小了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差和調高了系統(tǒng)的動態(tài)特性。

4 結論

柴油機轉速控制系統(tǒng)具有非線性，多變量，時變和強耦合的特點，本文通過對自抗擾控制器的簡單說明，提出了一種控制具有這些特點被控對象的新思路。通過仿真實驗，與傳統(tǒng)的PID控制器比較，可以看出基于自抗擾控制器的柴油機轉速控制系統(tǒng)能夠有效地減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差和改善系統(tǒng)的動態(tài)性能，使系統(tǒng)在外界擾動作用下能夠基本保持在穩(wěn)定運行狀態(tài)，顯示其良好的應用前景。

[1]郭松山.電動機自抗擾控制技術研究綜述[J].機電技術,2009.

[2]韓京清.自抗擾控制技術[J].前沿科學季刊,2007,1(1):24-31.

[3]韓京清.從PID技術自抗擾控制技術[J].控制工程,2002(9).

[4]李玉東,胡大斌,夏極.自抗擾控制器在柴油機轉速控制中的應用[J].艦船科學技術,2010(11).

[5]戴花林,吳文海.柴油機數字式調速系統(tǒng)模型建立及仿真分析[J].自動化技術與應用,2007(09).

[6]江國和,劉西全,楊松林.船舶柴油機轉速智能控制系統(tǒng)仿真[J].柴油機,2005(7).

[7]顏純林.柴油機電子調速系統(tǒng)仿真設計[J].農機化研究,2006(9).

[8]馬幼捷,劉曾高,周雪松,王新志.基于自抗擾控制技術的發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)[J].控制工程,2008(11).

[9]周風余,單金明,王偉,陳景帥,阮久宏.基于ADRC的船舶航向控制器設計與仿真研究[J].山東大學學報:工學版,2009(01).