基于自抗擾控制的車載發(fā)電系統(tǒng)研究

陳路明，廖自力，劉春光

(陸軍裝甲兵學院，北京 100072)(9)

0 引 言

隨著工業(yè)技術的不斷發(fā)展，車載用電設備種類和數量的不斷增多，車輛電能需求呈現(xiàn)顯著增長態(tài)勢。傳統(tǒng)車輛多以機械傳動方式為主，其發(fā)電系統(tǒng)逐漸難以滿足車輛的電能需求。為突破的結構性發(fā)展瓶頸，研究者將目光轉向電傳動車輛方向。電傳動車輛以電能作為內部動力傳遞方式，具有布置的靈活性和傳遞的高效性，因此成為應對電氣化挑戰(zhàn)的重要手段[1]。車載發(fā)電系統(tǒng)是電傳動車輛的核心動力系統(tǒng)，通過發(fā)動機帶動發(fā)電機旋轉進行發(fā)電，完成機電能量之間的轉化，配合高功率密度或能量密度的儲能裝置，穩(wěn)定輸出高質量電能[2]。考慮到車輛運行環(huán)境通常比較惡劣，存在諸多不確定性的擾動影響，如轉矩脈振、轉速波動和負載突加突卸等，可能造成系統(tǒng)工作的不穩(wěn)定性，制約其在大功率電傳動系統(tǒng)中的應用。

為攻克這一問題，國內外學者進行了很多嘗試，提出了很多抑制擾動的方法。總結起來大致可以分成硬件方面改變系統(tǒng)自身結構和軟件方面改進系統(tǒng)控制方法兩種。改變系統(tǒng)固有結構是指對明顯影響電機性能的電機結構進行優(yōu)化設計，如轉子磁極傾斜或者定子斜槽等[3]，受到當前電機工藝水平等條件限制，電機自身結構改進空間已接近極限；改進系統(tǒng)控制方法是指對通過有效控制以減少擾動影響的方法，車載發(fā)電系統(tǒng)大多基于常規(guī)PID 控制方式設計[4]，主要面向線性控制系統(tǒng)，但距離非線性系統(tǒng)穩(wěn)壓發(fā)電要求還存在一定差距。先進的計算機控制技術為系統(tǒng)的實時狀態(tài)計算或狀態(tài)估計提供了應用空間，并且為模糊控制、神經網絡控制和自適應控制等智能方法的應用提供了可能[5]，有助于提升車載發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)壓輸出能力。

自抗擾控制(以下簡稱ADRC)繼承了常規(guī)PID控制器不依賴對象模型的優(yōu)點，是與現(xiàn)代控制理論相結合發(fā)展起來的新型非線性控制技術，從根本上克服了常規(guī)PID的結構性缺陷，自動檢測和補償內外擾動，因此具有良好的控制效果[6-7]。在工程實踐上，ADRC技術在電氣系統(tǒng)、化工過程和精密機械等領域得到廣泛應用。本文以某型軍用電傳動車輛的發(fā)電系統(tǒng)為研究對象，將ADRC引入到車載發(fā)電系統(tǒng)結構中，以提高系統(tǒng)在擾動下的穩(wěn)壓發(fā)電性能。

1 車載發(fā)電系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)結構

車載發(fā)電系統(tǒng)由發(fā)動機、永磁同步電機、整流功率變換器、儲能元件(主要為動力電池和超級電容復合電源)、控制器和轉子位置檢測器等構成[8]，其結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構示意圖

圖1中各部件功能如下：控制器對來自永磁同步電機、發(fā)動機、動力電池和超級電容等部件的信號進行處理，輸出控制指令給功率變換器，控制電機工作狀態(tài)；內置式旋轉變壓器檢測轉子位置和轉速信號，將檢測結果輸送給控制器；整流/逆變功率變換器處理來自控制器的信號，完成交流電到直流電整流變換及其可逆變換過程；儲能元件由超級電容和動力電池組成，不同部件特性優(yōu)勢互補，用于滿足負載的功率和能量需求。

1.2 電機數學模型

在d-q坐標系下建立永磁同步電機數學模型，從定子電壓、定子磁鏈、電磁轉矩和機械運動運動方程4個角度進行描述[9]，分別表示:

定子電壓方程:

(1)

定子磁鏈方程:

(2)

電磁轉矩方程:

(3)

機械運動方程:

(4)

式中：ud,uq為定子d,q軸電壓；Rs為定子相電阻；id,iq為定子d,q軸電流；p=d/dt為微分算子；ψd,ψq為定子d,q軸磁鏈；ωe為轉子旋轉的電角速度；Ls為定子電感；p為極對數；ψf為永磁體磁鏈；Te為電磁轉矩；TL為負載轉矩；J為轉動慣量；ωm為電機轉子的機械角速度；B為粘滯摩擦系數。

1.3 發(fā)電控制策略

車載發(fā)電系統(tǒng)通常采用電壓外環(huán)、電流內環(huán)的結構，考慮外環(huán)反饋特性，控制電機輸出電壓恒定，將給定電壓與反饋電壓的差值作為控制量，控制車載發(fā)電系統(tǒng)，原理如圖2所示。

圖2 車載發(fā)電系統(tǒng)控制原理示意圖

發(fā)電階段電機轉速通常高于額定轉速，為保證電機仍運行在恒功率狀態(tài)，需要采取弱磁方式進行磁場校正，考慮到逆變器額定電壓和容量限制，電機最大相電流幅值ismax和最大相電壓幅值usmax存在以下約束條件[10]:

(5)

(6)

由式(5)知，電流約束關系在iq-id坐標平面面上構成一個圓，由下式可得:

(7)

由式(6)知，電壓約束條件在iq-id坐標平面上構成一個橢圓，由下式可得:

(8)

電流極限圓和電壓約束橢圓如圖3所示。

圖3 弱磁控制中iq-id變化關系圖

由圖3可知：電壓約束橢圓以(-ψf/Ld,0)為中心，并隨轉速升高而減小；當電機轉速繼續(xù)升高時，電機反電勢將不斷增大；當電機轉速達到ω4時，即p·ω4·ψs=usmax時，此時電機反電勢達到逆變器最大限制電壓；當電機轉速增大到ω≥ω4時，電機進入恒功率運行狀態(tài)，弱磁控制直軸電流id和交軸電流iq大小，使電機轉速進一步增加。

2 ADRC設計

為發(fā)揚常規(guī)PID控制器的優(yōu)點，克服其不足，中科院韓京清研究員提出了一種自抗擾的魯棒性控制技術，該方法深度結合了現(xiàn)代控制理論非線性的控制特點，不需知道被控對象具體模型，通過自動計算并補償未知擾動，提高控制性能。

2.1 自抗擾控制器結構

圖4為ARDC的結構框圖。它主要包括3部分組成[11]：擴張狀態(tài)觀測器(以下簡稱TD)、跟蹤微分器(以下簡稱ESO)以及非線性狀態(tài)誤差反饋控制律(以下簡稱NLSEF)。假設受到未知擾動作用的非線性不確定對象數學模型:

(9)

其中，ESO作為ARDC的核心，用于觀測系統(tǒng)狀態(tài)，實時補償系統(tǒng)總擾動；TD用于快速無超調的跟蹤系統(tǒng)輸入，給出其各階微分信號；NLSEF用于對輸入信號進行非線性組合，生成補償控制量。

圖4 ADRC結構框圖

2.2 ADRC數學模型

TD:

(10)

ESO:

(11)

NLSEF:

(12)

式中：e為系統(tǒng)輸出量與輸出值之間差值；z1，z2分別為系統(tǒng)輸出量及其微分估計值；β1,β2為表達式的可調參數，需要被整定；α1,α2為濾波因子；δ為線性區(qū)間的寬度；b為擾動補償參數；u為補償后得到的控制量；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，決定跟蹤的速度；h為濾波因子，對噪聲起濾波作用；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；α為濾波因子。

非線性濾波函數fal(·)取:

(13)

由于ADRC結構中包含較多參數，需要依據已知的被控對象特點等信息，整定內部參數，建立面向對象的ADRC應用模型。

2.3 ADRC仿真模型

依據數學模型，在MATLAB/Simulink仿真環(huán)境中搭建ADRC模型[13]，如圖5所示。

圖5 MATLAB/Simulink ADRC仿真模型

ADRC各主要部分的仿真模型如圖6所示。

(a) TD

(b) ESO

(c) NLSEF

將上述結構進行封裝，得到ADRC功能模塊，替換常規(guī)PID控制器，嵌入到車載發(fā)電系統(tǒng)模型，圖7即為建立得到的自抗擾發(fā)電系統(tǒng)模型。

圖7 基于自抗擾的車載發(fā)電系統(tǒng)模型

3 仿真試驗結果

仿真試驗前，需要對車載發(fā)電系統(tǒng)模型進行參數整定：首先依據表1所示的永磁同步電機主要參數，建立實際電機仿真模型；然后整定控制器主要參數，建立自抗擾發(fā)電系統(tǒng)模型的應用基礎；最后設定擾動環(huán)境，觀測輸出結果，對比研究兩種控制器的作用效果。

表1 永磁同步電機主要參數

根據實際調節(jié)經驗，對基本參數進行整定：TD中速度因子r盡量較大，取為r=100，兼顧濾波效果和安排過渡過程，設定濾波因子h=0.1；取濾波函數fal(·)中的各參數為α1=05，α2=0.25,δ=0.05，擾動補償參數b=1.5npψf(JLq)-1作為參考值，β1=120，β2=2 500；取NLSEF中α=0.1，β=80，建立起ADRC仿真模型。

為檢驗基于自抗擾控制的車載發(fā)電系統(tǒng)效果，將外部擾動下的主要參數變化作為參考指標，采用有限帶寬的白噪聲模擬發(fā)動機油泵故障或積碳等造成的轉速擾動，對比研究ADRC和常規(guī)PID控制器的輸出曲線，結果如圖8所示。

(a)轉速波動噪聲曲線

(b)輸出電壓變化曲線

(c)輸出電壓局部放大曲線

(d)電機轉矩變化曲線

(e)電機電流變化曲線

由圖8可知，車載發(fā)電系統(tǒng)采用不同的控制器得到的結果存在一定差異。開始時，常規(guī)PID控制器電壓曲線上升迅速，但出現(xiàn)明顯超調，0.6 s左右輸出電壓能夠穩(wěn)定在750 V左右，相比而言，ADRC電壓曲線上升較慢，但基本不超調，0.3 s左右輸出電壓穩(wěn)定在750 V左右；在1 s時刻后，由于轉速存在噪聲擾動，轉速在50 r/min上下波動，導致輸出電壓的不穩(wěn)定，ADRC電壓波動在1 V左右，明顯小于常規(guī)PID控制器近4 V的電壓波動，對擾動的抑制作用比較顯著。

另外，采用ADRC后，車載發(fā)電系統(tǒng)的轉矩波動幅值得到降低，明顯低于常規(guī)PID控制器的對應結果；在施加轉速噪聲擾動時，能夠通過內部補償機制快速抑制擾動影響。同時，ADRC電流波動的幅值和頻率得到改善，明顯低于常規(guī)PID控制器的對應結果。總之，相比常規(guī)PID控制的車載發(fā)電系統(tǒng)，自抗擾控制的車載發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)壓控制效果得到顯著提升。

4 結 語

針對車載發(fā)電系統(tǒng)存在的擾動問題，建立了永磁同步電機數學模型和車載發(fā)電系統(tǒng)仿真模型，引入自抗擾控制手段研究轉速擾動下的系統(tǒng)輸出變化情況，對比常規(guī)PID控制器的仿真結果，驗證了自抗擾控制在車載發(fā)電系統(tǒng)中應用的可行性。然而，在控制器設計過程中，主要側重外部擾動對系統(tǒng)的影響，還未將內部的諸多擾動因素考慮進來，后續(xù)研究中要側重研究內部主要的擾動因素，優(yōu)化調整ADRC自身結構和控制參數，全面提升車載發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定工作能力。

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