自抗擾控制器在車載發電控制系統中的應用

陳路明， 廖自力， 劉春光， 項 宇

(裝甲兵工程學院控制工程系， 北京 100072)

自抗擾控制器在車載發電控制系統中的應用

陳路明， 廖自力， 劉春光， 項 宇

(裝甲兵工程學院控制工程系， 北京 100072)

為抑制車載發電控制系統在發電過程中的轉速波動、負載變化及參數時變等擾動，提高穩壓輸出精度，將自抗擾控制器應用到車載發電控制系統，對系統施加干擾條件并進行仿真。與傳統PID控制器的仿真對比結果表明：應用自抗擾控制器的車載發電控制系統能夠有效補償外界擾動，具有很高的穩壓輸出性能。

自抗擾控制器；PID控制器；永磁同步電機；穩壓發電

隨著車輛電氣化程度的不斷提高，車載用電設備對電力系統供電能力和品質提出了更高的要求。大力發展電傳動車輛成為應對電氣化挑戰的有效手段[1]，車載發電控制系統則是電傳動車輛電力系統的核心單元。車載發電控制系統通過控制電機在發動機拖動下發電，實現機電能量的轉化，同時盡量保證系統輸出電壓的相對穩定，為用電設備源源不斷地提供高品質電能，保證用電設備工作精度和使用壽命[2]。但車輛工作環境比較復雜，存在較多不確定性擾動因素，如發動機轉矩脈振、負載突加突卸以及轉速跳變等，會對輸出電壓穩定性產生不利影響，限制其在大功率電傳動系統中的應用。

為解決這個問題，研究者進行了大量研究工作，提出了多種不同的擾動抑制方法，其中：林楠等[3]針對高速永磁同步電機在負載或轉速變化時難以穩定輸出電壓的問題，提出了一種混合勵磁的發電機結構方案，并通過一臺10 kW混合勵磁原理樣機進行了試驗；程木軍等[4]針對船舶發電機在大負荷突變時的端電壓穩定問題，提出了一種基于神經網絡的PID控制系統，實現了參數的動態調節。但受當前電機制造水平等因素限制，電機固有結構已接近改變極限，改進空間不大；而PID控制系統雖然能夠有效處理線性控制系統，但面對非線性系統高質量穩壓控制的要求有很大局限性，迫切需要提出高效的擾動抑制方法，以提高發電機穩壓輸出性能。

自抗擾控制器(Auto Disturbance Rejection Controller, ADRC)是一種非線性控制器，其繼承了傳統PID控制器對模型精度要求不高、能夠有效補償模型擾動等優點，并與現代控制理論成果緊密結合，在控制對象參數發生變化或存在擾動時具有良好的控制效果，能夠有效提高控制系統的穩壓輸出特性[5-7]。筆者以某型電傳動裝甲車輛發電控制系統為研究對象，采用自抗擾控制器改進車載發電控制系統，以提高擾動條件下的穩壓輸出特性。

1 車載發電控制系統特性分析

1.1 系統結構

車載發電控制系統由柴油發動機、永磁同步電機、控制器、整流功率變換器、轉子位置檢測器和儲能元件(主要為動力電池和超級電容復合電源)等組成[8]，系統結構如圖1所示。

圖1 車載發電控制系統結構

控制器接收來自永磁同步電機、動力電池、超級電容和發動機等部件的多路檢測信號，根據駕駛意圖進行數據處理，輸出控制信號到功率變換器以控制電機工作狀態；功率變換器接收來自控制器的控制信號，實現三相交流電到直流電的整流變換以及直流電到三相交流電的逆變換；轉子位置和轉速信號通過內置式旋轉變壓器進行檢測，并將結果反饋給控制器；儲能元件由動力電池和超級電容構成，能夠滿足負載在能量和功率2方面的需求。

1.2 電機數學模型

永磁同步電機是發電過程的主要執行單元,為簡化電機模型和便于理論分析，作以下假設： 1)忽略電機鐵芯飽和及磁滯損耗； 2)忽略轉子和永磁體阻尼作用； 3)轉子氣隙磁場在氣隙空間分布為正弦波； 4)電機三相繞組中感應電動勢為正弦波且對稱。

永磁同步電機通常采用d-q坐標系下的數學模型，從電壓、磁鏈、轉矩和運動方程4個方面描述內部和外部工作特性[9]，表達式分別如下：

定子電壓方程為

(1)

定子磁鏈方程為

(2)

電磁轉矩方程為

(3)

機械運動方程為

(4)

在車載發電控制系統中，永磁同步電機的主要參數如表1所示。

表1 永磁同步電機主要參數

1.3 發電控制策略

為滿足系統高效發電的要求,車載發電控制系統通常采用矢量控制來實現定子電流的解耦控制。

從結構上來看，電機輸出電壓作為被控制量，給定電壓與反饋電壓的差值作為PID調節量，作用于控制對象。基于PID控制器的車載發電控制系統原理如圖2所示。電壓調節器中的PID結構如圖3所示。

圖2 基于PID控制器的車載發電控制系統原理

圖3 電壓調節器中的PID結構

在發電階段，電機運行于高速恒功率區域，通常采取弱磁控制來維持輸出電壓的平衡，此時受逆變器容量以及電機電壓額定值限制，電機能輸出的最大相電流矢量幅值ismax和最大相電壓矢量幅值usmax滿足如下約束關系[10]：

(5)

(6)

由式(5)可知：電流約束條件在iq-id平面上形成一個圓，其表達式為

(7)

由式(6)可知：電壓約束條件在iq-id平面上形成一個橢圓，其表達式為

(8)

2 自抗擾控制器設計

2.1 自抗擾控制器結構

自抗擾控制器主要包括3個方面[11]：跟蹤微分器(Tracking Differentiator，TD)、擴張狀態觀測器(Extended State Observer，ESO)和非線性狀態誤差反饋控制律(Nonlinear State Error Feedback，NLSEF)。設受到未知擾動作用的非線性不確定對象為

(9)

式(9)對應的自抗擾控制器結構如圖4所示。其中：TD主要用于快速無超調地跟蹤系統給定輸入，并安排合理的過渡過程，得到給定輸入的各階微分信號；ESO是自抗擾控制器的核心控制部分，主要用于觀測系統及其各階導數的輸出，還需要對系統總擾動進行觀測預估；NLSEF主要用于對系統的廣義誤差信號以及ESO預估出的擾動進行非線性組合，從而能夠使其得到相應的補償。

圖4 自抗擾控制器結構

2.2 自抗擾控制器數學模型

TD數學模型為

(10)

ESO數學模型為

(11)

NLSEF數學模型為

(12)

式中：v1為輸入信號的跟蹤值；v為輸入信號的給定值；r為速度因子，其決定跟蹤的速度；h為濾波因子，其對噪聲起濾波作用；e為系統輸出量觀測值與輸出值之間差值；z1、z2分別為系統輸出量觀測值及其微分估計值；β1、β2、β為表達式的可調參數，需要被整定；α1、α2、α為濾波因子；δ為線性區間的寬度；e1為輸入信號的跟蹤值與輸出值之間差值；u0為非線性組合輸出的控制量；fal(·)為非線性濾波函數，其表達式為

(13)

該控制器內部包含較多參數，應用前需要根據系統控制要求和已知的被控對象特點等進行參數整定，得到適應被控對象的自抗擾控制器模型。

2.3 自抗擾控制器仿真模型

傳統車載發電控制系統具有雙閉環控制結構，控制效果主要依賴外環的電壓調節器，因此將其作為主要研究變量，用自抗擾控制器替換基于PID的電壓調節器，得到改進后的車載發電控制系統，其原理如圖5所示。

圖5 基于自抗擾控制器的車載發電控制系統原理

據此，在MATLAB/Simulink中建立基于自抗擾控制器的車載發電控制系統仿真模型[13]，其結構如圖6所示。

圖6 基于自抗擾控制器的車載發電控制系統仿真模型

3 仿真實驗結果

傳統車載發電系統的PID控制參數包括比例系數、積分系數和微分系數，通過工程整定法得到最優參數組合：若比例系數P設置過大，則容易導致響應超調，反之則會降低穩態誤差精度，因此設定P=10；若積分系數I取值過小，則容易導致系統不穩，反之則會降低響應速度，因此設定I=150；微分系數D取值越大，微分作用越強，但在誤差快速變化時，響應曲線容易產生“毛刺”，因此設定D=0.8。由此得到PID控制器的實際應用模型。

自抗擾控制器模型包含較多參數，通常按以下規則進行整定：TD中速度因子r初始設計盡量大些，因此設定r=100，考慮濾波效果及安排過渡過程，設定濾波因子h=0.1；ESO中fal(·)中的參數，取α1=0.5，α2=0.25,δ=0.05，控制量擾動補償參數b=1.5pnψf(JLq)-1作為參考值進行設置，參數β1=120，β2=2 500；NLSEF中取α=0.1，β=80。由此得到自抗擾控制器的實際應用模型。

為驗證自抗擾控制器在車載發電控制系統中的作用效果，需要考慮系統在外部擾動下主要參數指標的變化情況，本文以發動機轉速突變作為擾動控制量，對比研究自抗擾控制器和傳統PID控制器對轉速擾動的應對效果，仿真結果如圖7所示。從圖7(a)、(b)可以看出：車載發電控制系統從開始工作到進入穩壓狀態，應用不同的控制器得到的結果存在差異，在初始時刻，傳統PID控制器電壓上升較快，但存在一定超調，0.6 s左右輸出電壓能夠達到 750 V穩定電壓輸出狀態，自抗擾控制器電壓上升相對較慢，但不存在超調，0.3 s左右即達到穩定狀態；在1.5 s時刻，轉速由1 900 r/min突降到1 400 r/min，傳統PID控制器電壓先降后升，經過0.4 s左右重新達到穩定狀態，自抗擾控制器先降后緩升，經過0.2 s左右即達到先前的穩定狀態；在3 s時刻，轉速由1 400 r/min突升到1 900 r/min，傳統PID控制器電壓先升后降，經過0.5 s左右重新達到穩定狀態，自抗擾控制器先升后緩降，經過0.2 s左右即達到先前的穩定狀態。由此可見：在電壓控制方面，自抗擾控制器能夠有效解決快速性和超調性之間的矛盾，在避免超調的情況下快速穩定輸出電壓。

由圖7(c)可見：車載發電控制系統應用自抗擾控制器后，轉矩波動幅值明顯小于傳統PID控制器，在擾動跟隨時，能夠以較小的轉矩波動代價快速抑制擾動影響。由圖7(d)可見：自抗擾控制器電流波動幅值和頻率均小于傳統PID控制器。整體而言，在車載發電控制系統方面，自抗擾控制器比傳統PID控制器具有更好的控制效果，能夠有效抑制各種外部擾動，實現高質量的穩壓發電過程。

圖7 轉速擾動下不同控制器效果對比分析

4 結論

筆者針對某型車載發電控制系統，搭建了基于MATLAB/Simulink的系統仿真模型，設計了自抗擾控制器，通過仿真實驗研究了外加擾動下的輸出電壓變化情況，并與傳統PID控制器的仿真結果進行了對比，驗證了所設計的自抗擾控制器的有效性。然而，本文主要從外部擾動的角度研究了自抗擾控制器的作用效果，尚未將系統內部的擾動因素考慮到控制器設計過程中，下一步將更加全面地評估系統內外擾動因素，優化自抗擾控制器結構和參數，以提升車載發電控制系統的穩壓輸出特性。

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(責任編輯: 尚彩娟)

Application of Auto Disturbance Rejection Controller in Vehicle Power Generation Control System

CHEN Lu-ming, LIAO Zi-li, LIU Chun-guang, XIANG Yu

(Department of Control Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

To reject speed variations, load changes, time-varying parameters and many other perturbations during the power generation process of vehicle power generation control system, an Auto Disturbance Rejection Controller (ADRC) is introduced into vehicle power generation control system to improve the accuracy of stable power generation. Under interference circumstances, the ADRC simulation results are compared with that of traditional PID controller. The results show that vehicle power generation control system with ADRC has a good performance in compensating external disturbance and stabilizing output voltage.

Auto Disturbance Rejection Controller (ADRC); PID controller; permanent magnet synchronous motor; stable power generation

1672-1497(2016)05-0064-05

2016-07-31

軍隊科研計劃項目

陳路明(1991-)，男，碩士研究生。

TP214;TM313

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2016.05.013