發電機組柴油機轉速自抗擾控制的應用

王云 楊新達 劉立強

摘要： 為提升發電機組用發動機的抗干擾能力，增強其競爭優勢，從發動機轉速控制角度設計一種基于擴張狀態觀測器變結構自抗擾控制器，來滿足發電機組非線性、時變的工作特性。通過試驗驗證其設計的自抗擾控制算法與傳統PID控制算法對發動機轉速的控制效果。試驗結果表明：發動機轉速自抗擾控制算法能夠滿足發電機組穩態及動態頻率特性需求，相對傳統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.

關鍵詞： 發電機組;擴張狀態觀測器;變結構;自抗擾控制器

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

中圖分類號：U664.121? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）17-0026-03

0? 引言

目前，隨著市場對發電機組行業性能要求的不斷提高，發電機產生交流電壓及頻率的穩定性指標已成為衡量行業性能優勢的重要指標之一。發電機組是由發動機拖動發電機向外部負載供電，其電壓及頻率的穩定性能除受自身電壓調節器控制影響外，還跟發動機轉速控制能力有關。發動機轉速對負載變化的響應將嚴重影響發電機組交流電壓及頻率的穩定性。在其它條件不變的情況下，發動機轉速控制地越好，發電機組輸出電壓及頻率就越穩定。因此，對于發電機組用發動機來說，發動機轉速控制抗干擾能力將直接影響產品競爭力。

現階段，發動機轉速控制系統采用比例積分微分（PID）控制算法[1]，通過發動機轉速的閉環控制來實現。PID控制算法具有結構簡單、穩定性好，可靠性高等優點，適用于變化不大的系統[2]。其在發電機組運行工況中對負載變化的抗擾效果一般。為提高發動機對負載變化的響應性，提升轉速控制的抗干擾能力，使發動機轉速能夠迅速平穩地針對負載變化做出響應，從而提升整個發電機組的工作效率和輸出電源的品質。為此，本文在發動機轉速控制系統中設計了一種基于擴張狀態觀測器[3]的變結構自抗擾控制器，旨在提升發動機轉速抗干擾能力。

1? 柴油機轉速控制

發電用柴油機主要包含兩部分，分別是柴油機和發電機。其中，柴油機就其總體構造而言，由機體組、曲柄連桿機構、配氣機構、進排氣系統、燃油系統、冷卻系統、潤滑系統、起動系統和有害排放物控制裝置組成[4]。基于轉速控制的柴油機整體扭矩傳遞則可以概述為：從油量輸入氣缸開始，柴油機燃燒做功產生扭矩輸出，產生的扭矩一部分被附件所消耗，剩下的扭矩部分作為輸出，輸送給發電機產生電能。系統工作原理結構如圖1所示。現階段柴油機針對轉速閉環采用PID控制，其控制架構如圖2所示。

2? 柴油機轉速控制數學模型

柴油發動機轉速動態預測模型以牛頓第二定律為基礎，以噴油量作為輸入，在發動機工作溫度和進排氣壓力的邊界條件下，對發動機的轉速進行預測，轉速模型包括指示扭矩（Mi）、摩擦扭矩（MFri）。模型的總體表達式如下所示：

3? 變結構自抗擾控制

自抗擾控制（ADRC）技術[5]是在典型PID控制的基礎上，結合現代控制理論，利用對狀態變量的實時觀測，對擾動進行實時估計和補償，并構造具有“主動抗擾”能力的控制器。自抗擾控制器主要由跟蹤微分器、擴展狀態觀測器和非線性狀態誤差反饋控制律三部分組成。擴展狀態觀測器通過設計擴展的狀態量來估計未知擾動和控制對象未建模部分，實現動態系統的反饋線性化;非線性誤差反饋控制律給出被控對象的控制策略[6]。自抗擾控制器最大的優勢在于不依賴控制對象的具體數學模型，對系統的未知干擾因素有著良好的抑制能力，同時在改善系統控制品質，如穩定性、魯棒性方面等都有優良的效果[7]。發動機轉速可通過轉速傳感器獲得，本文將發動機轉速視為可獲取信息，選取擾動f與擾動變化率f作為狀態變量，重新構建自抗擾控制器。得到二階狀態方程為：

其控制系統整體框圖如圖3。

4? 試驗測試

為測試本文提出的基于自抗擾算法的跟蹤和抗擾性能，模擬發電機組瞬態試驗，采用PID控制和自抗擾控制進行測試，驗證兩種控制方式控制效果。發動機基本參數如表1所示。在發動機轉速穩定在額定轉速1500rpm/min進行突加50%及突卸100%負載試驗，分別采用PID控制及變結構自抗擾控制，圖4和圖5給出了負載突加50%和突卸100%時，發動機轉速在額定轉速下的跟蹤效果及跟蹤誤差。驗證了自抗擾控制方法的有效性。

在不同負載變化下發動機轉速控制動態性能指標對比結果如表2、表3。從試驗結果來看，發電機組在負載突加50%或突卸100%時，相對于PID控制具有明顯的控制優勢，系統響應更快，超調量最小且調節時間更短，轉速抗干擾能力強，能夠快速地控制系統穩定。

5? 結論

本文基于牛頓第二定律建立發動機轉速控制動態模型，并設計發動機轉速變結構自抗擾控制器。通過試驗測試驗證了所涉及的發動機轉速自抗擾控制的有效性，即在負載變化（突加、突卸）時，系統響應速度及相對穩定性較傳統PID控制有明顯控制優勢，大大提升了發電機組用發動機的競爭優勢。對發電機組瞬態特性性能提升方面具有一定的參考意義。

參考文獻：

[1]Kamaruddin T， Darus I. PID Controller for Idle Speed Control [C]. UKSim-AMSS 15th International Conference on Computer Modeling and Simulation. Cambridge， England， 2013：247-253.

[2]周浩，鄖建平，祁昶.基于擴張狀態觀測器的滑膜控制在空間光通信的應用[J/OL].光通信技術，2021.

[3]韓京清.一類不確定對象的擴張擴張狀態觀測器[J].控制與決策，1995，10（1）：85-88.

[4]張俊紅，張紀元，高文志.汽車發動機構造.天津：天津大學出版社，2006.

[5]韓京清.自抗擾控制技術-估計補償不確定因素的控制技術[M].北京：國防工業出版社，2009.

[6]馮美玉.改善汽車發動機轉速跟蹤暫態性能的控制策略研究[D].燕山大學，2017.

[7]韓京清.擴張狀態觀測器參數與菲波納奇數列[J].控制工程，2008（S2）：1-3.

[8]GAO Z Q. A paradigm shift in feedback control system design[C]//Amer-can Control Conference， June 14-16， 2006， Minneapolis， USA. Minneapolis： IEEE， 2006： 2451-2457.