發(fā)電機組柴油機轉(zhuǎn)速自抗擾控制的應(yīng)用

王云 楊新達 劉立強

摘要： 為提升發(fā)電機組用發(fā)動機的抗干擾能力，增強其競爭優(yōu)勢，從發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制角度設(shè)計一種基于擴張狀態(tài)觀測器變結(jié)構(gòu)自抗擾控制器，來滿足發(fā)電機組非線性、時變的工作特性。通過試驗驗證其設(shè)計的自抗擾控制算法與傳統(tǒng)PID控制算法對發(fā)動機轉(zhuǎn)速的控制效果。試驗結(jié)果表明：發(fā)動機轉(zhuǎn)速自抗擾控制算法能夠滿足發(fā)電機組穩(wěn)態(tài)及動態(tài)頻率特性需求，相對傳統(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)電機組;擴張狀態(tài)觀測器;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：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(fā)電機組行業(yè)性能要求的不斷提高，發(fā)電機產(chǎn)生交流電壓及頻率的穩(wěn)定性指標已成為衡量行業(yè)性能優(yōu)勢的重要指標之一。發(fā)電機組是由發(fā)動機拖動發(fā)電機向外部負載供電，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)動機轉(zhuǎn)速控制能力有關(guān)。發(fā)動機轉(zhuǎn)速對負載變化的響應(yīng)將嚴重影響發(fā)電機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)動機轉(zhuǎn)速控制地越好，發(fā)電機組輸出電壓及頻率就越穩(wěn)定。因此，對于發(fā)電機組用發(fā)動機來說，發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制抗干擾能力將直接影響產(chǎn)品競爭力。

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

1? 柴油機轉(zhuǎn)速控制

發(fā)電用柴油機主要包含兩部分，分別是柴油機和發(fā)電機。其中，柴油機就其總體構(gòu)造而言，由機體組、曲柄連桿機構(gòu)、配氣機構(gòu)、進排氣系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、起動系統(tǒng)和有害排放物控制裝置組成[4]。基于轉(zhuǎn)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(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)電機產(chǎn)生電能。系統(tǒng)工作原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。現(xiàn)階段柴油機針對轉(zhuǎn)速閉環(huán)采用PID控制，其控制架構(gòu)如圖2所示。

2? 柴油機轉(zhuǎn)速控制數(shù)學(xué)模型

柴油發(fā)動機轉(zhuǎn)速動態(tài)預(yù)測模型以牛頓第二定律為基礎(chǔ)，以噴油量作為輸入，在發(fā)動機工作溫度和進排氣壓力的邊界條件下，對發(fā)動機的轉(zhuǎn)速進行預(yù)測，轉(zhuǎn)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(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，利用對狀態(tài)變量的實時觀測，對擾動進行實時估計和補償，并構(gòu)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(tài)觀測器和非線性狀態(tài)誤差反饋控制律三部分組成。擴展狀態(tài)觀測器通過設(shè)計擴展的狀態(tài)量來估計未知擾動和控制對象未建模部分，實現(xiàn)動態(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象的控制策略[6]。自抗擾控制器最大的優(yōu)勢在于不依賴控制對象的具體數(shù)學(xué)模型，對系統(tǒng)的未知干擾因素有著良好的抑制能力，同時在改善系統(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)動機轉(zhuǎn)速可通過轉(zhuǎn)速傳感器獲得，本文將發(fā)動機轉(zhuǎn)速視為可獲取信息，選取擾動f與擾動變化率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(fā)電機組瞬態(tài)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(fā)動機基本參數(shù)如表1所示。在發(fā)動機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)自抗擾控制，圖4和圖5給出了負載突加50%和突卸100%時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速在額定轉(zhuǎn)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(fā)動機轉(zhuǎn)速控制動態(tài)性能指標對比結(jié)果如表2、表3。從試驗結(jié)果來看，發(fā)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(yōu)勢，系統(tǒng)響應(yīng)更快，超調(diào)量最小且調(diào)節(jié)時間更短，轉(zhuǎn)速抗干擾能力強，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)動機轉(zhuǎn)速控制動態(tài)模型，并設(shè)計發(fā)動機轉(zhuǎn)速變結(jié)構(gòu)自抗擾控制器。通過試驗測試驗證了所涉及的發(fā)動機轉(zhuǎn)速自抗擾控制的有效性，即在負載變化（突加、突卸）時，系統(tǒng)響應(yīng)速度及相對穩(wěn)定性較傳統(tǒng)PID控制有明顯控制優(yōu)勢，大大提升了發(fā)電機組用發(fā)動機的競爭優(yōu)勢。對發(fā)電機組瞬態(tài)特性性能提升方面具有一定的參考意義。

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