發(fā)電機(jī)組柴油機(jī)轉(zhuǎn)速自抗擾控制的應(yīng)用

王云 楊新達(dá) 劉立強(qiáng)

摘要： 為提升發(fā)電機(jī)組用發(fā)動(dòng)機(jī)的抗干擾能力，增強(qiáng)其競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，從發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制角度設(shè)計(jì)一種基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器變結(jié)構(gòu)自抗擾控制器，來(lái)滿足發(fā)電機(jī)組非線性、時(shí)變的工作特性。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證其設(shè)計(jì)的自抗擾控制算法與傳統(tǒng)PID控制算法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制效果。試驗(yàn)結(jié)果表明：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速自抗擾控制算法能夠滿足發(fā)電機(jī)組穩(wěn)態(tài)及動(dòng)態(tài)頻率特性需求，相對(duì)傳統(tǒng)控制在抗擾性能上有所提高，滿足跟蹤需求。

Abstract： In order to improve the anti-interference ability of the generator set engine and enhance its competitive advantage， a variable structure active disturbance rejection controller based on the extended state observer was designed from the perspective of engine speed control to meet the nonlinear and time-varying operating characteristics of the generator set. The experiment verifies the control effect of the ADRC algorithm and the traditional PID control algorithm on the engine speed. The experimental results show that the engine speed ADRC algorithm can meet the requirements of the steady state and dynamic frequency characteristics of the generator set. Compared with the traditional control， the ADRC algorithm has better disturbance rejection performance and can meet the tracking requirements.

關(guān)鍵詞： 發(fā)電機(jī)組;擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器;變結(jié)構(gòu);自抗擾控制器

Key words： generator set;extended state observer;variable structure;active disturbance rejection controller

中圖分類號(hào)：U664.121? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）17-0026-03

0? 引言

目前，隨著市場(chǎng)對(duì)發(fā)電機(jī)組行業(yè)性能要求的不斷提高，發(fā)電機(jī)產(chǎn)生交流電壓及頻率的穩(wěn)定性指標(biāo)已成為衡量行業(yè)性能優(yōu)勢(shì)的重要指標(biāo)之一。發(fā)電機(jī)組是由發(fā)動(dòng)機(jī)拖動(dòng)發(fā)電機(jī)向外部負(fù)載供電，其電壓及頻率的穩(wěn)定性能除受自身電壓調(diào)節(jié)器控制影響外，還跟發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制能力有關(guān)。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)負(fù)載變化的響應(yīng)將嚴(yán)重影響發(fā)電機(jī)組交流電壓及頻率的穩(wěn)定性。在其它條件不變的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制地越好，發(fā)電機(jī)組輸出電壓及頻率就越穩(wěn)定。因此，對(duì)于發(fā)電機(jī)組用發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制抗干擾能力將直接影響產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。

現(xiàn)階段，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)采用比例積分微分（PID）控制算法[1]，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。PID控制算法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，適用于變化不大的系統(tǒng)[2]。其在發(fā)電機(jī)組運(yùn)行工況中對(duì)負(fù)載變化的抗擾效果一般。為提高發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)負(fù)載變化的響應(yīng)性，提升轉(zhuǎn)速控制的抗干擾能力，使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速能夠迅速平穩(wěn)地針對(duì)負(fù)載變化做出響應(yīng)，從而提升整個(gè)發(fā)電機(jī)組的工作效率和輸出電源的品質(zhì)。為此，本文在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了一種基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器[3]的變結(jié)構(gòu)自抗擾控制器，旨在提升發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速抗干擾能力。

1? 柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制

發(fā)電用柴油機(jī)主要包含兩部分，分別是柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)。其中，柴油機(jī)就其總體構(gòu)造而言，由機(jī)體組、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、配氣機(jī)構(gòu)、進(jìn)排氣系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、起動(dòng)系統(tǒng)和有害排放物控制裝置組成[4]?；谵D(zhuǎn)速控制的柴油機(jī)整體扭矩傳遞則可以概述為：從油量輸入氣缸開(kāi)始，柴油機(jī)燃燒做功產(chǎn)生扭矩輸出，產(chǎn)生的扭矩一部分被附件所消耗，剩下的扭矩部分作為輸出，輸送給發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能。系統(tǒng)工作原理結(jié)構(gòu)如圖1所示?，F(xiàn)階段柴油機(jī)針對(duì)轉(zhuǎn)速閉環(huán)采用PID控制，其控制架構(gòu)如圖2所示。

2? 柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制數(shù)學(xué)模型

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型以牛頓第二定律為基礎(chǔ)，以噴油量作為輸入，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度和進(jìn)排氣壓力的邊界條件下，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行預(yù)測(cè)，轉(zhuǎn)速模型包括指示扭矩（Mi）、摩擦扭矩（MFri）。模型的總體表達(dá)式如下所示：

3? 變結(jié)構(gòu)自抗擾控制

自抗擾控制（ADRC）技術(shù)[5]是在典型PID控制的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)代控制理論，利用對(duì)狀態(tài)變量的實(shí)時(shí)觀測(cè)，對(duì)擾動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)和補(bǔ)償，并構(gòu)造具有“主動(dòng)抗擾”能力的控制器。自抗擾控制器主要由跟蹤微分器、擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)觀測(cè)器和非線性狀態(tài)誤差反饋控制律三部分組成。擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)觀測(cè)器通過(guò)設(shè)計(jì)擴(kuò)展的狀態(tài)量來(lái)估計(jì)未知擾動(dòng)和控制對(duì)象未建模部分，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的反饋線性化;非線性誤差反饋控制律給出被控對(duì)象的控制策略[6]。自抗擾控制器最大的優(yōu)勢(shì)在于不依賴控制對(duì)象的具體數(shù)學(xué)模型，對(duì)系統(tǒng)的未知干擾因素有著良好的抑制能力，同時(shí)在改善系統(tǒng)控制品質(zhì)，如穩(wěn)定性、魯棒性方面等都有優(yōu)良的效果[7]。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可通過(guò)轉(zhuǎn)速傳感器獲得，本文將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速視為可獲取信息，選取擾動(dòng)f與擾動(dòng)變化率f作為狀態(tài)變量，重新構(gòu)建自抗擾控制器。得到二階狀態(tài)方程為：

其控制系統(tǒng)整體框圖如圖3。

4? 試驗(yàn)測(cè)試

為測(cè)試本文提出的基于自抗擾算法的跟蹤和抗擾性能，模擬發(fā)電機(jī)組瞬態(tài)試驗(yàn)，采用PID控制和自抗擾控制進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證兩種控制方式控制效果。發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)如表1所示。在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速1500rpm/min進(jìn)行突加50%及突卸100%負(fù)載試驗(yàn)，分別采用PID控制及變結(jié)構(gòu)自抗擾控制，圖4和圖5給出了負(fù)載突加50%和突卸100%時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在額定轉(zhuǎn)速下的跟蹤效果及跟蹤誤差。驗(yàn)證了自抗擾控制方法的有效性。

在不同負(fù)載變化下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)對(duì)比結(jié)果如表2、表3。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，發(fā)電機(jī)組在負(fù)載突加50%或突卸100%時(shí)，相對(duì)于PID控制具有明顯的控制優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)響應(yīng)更快，超調(diào)量最小且調(diào)節(jié)時(shí)間更短，轉(zhuǎn)速抗干擾能力強(qiáng)，能夠快速地控制系統(tǒng)穩(wěn)定。

5? 結(jié)論

本文基于牛頓第二定律建立發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制動(dòng)態(tài)模型，并設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變結(jié)構(gòu)自抗擾控制器。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證了所涉及的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速自抗擾控制的有效性，即在負(fù)載變化（突加、突卸）時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)速度及相對(duì)穩(wěn)定性較傳統(tǒng)PID控制有明顯控制優(yōu)勢(shì)，大大提升了發(fā)電機(jī)組用發(fā)動(dòng)機(jī)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。對(duì)發(fā)電機(jī)組瞬態(tài)特性性能提升方面具有一定的參考意義。

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