基于擴張狀態觀測器的發動機轉速雙閉環自適應控制系統設計

徐亦卿,陸海澎

(常州工業職業技術學院, 江蘇 常州 213164)

0 引言

在發動機雙閉環控制回路中，內環體系內的所有電壓數值均相等，而當內環電壓出現突然的升高或降低時，與之對應的外環體系就會表現出一個標準電壓差，這也是導致電信號驅動行為難以保持完全統一狀態的主要原因。在實際應用過程中，外環體系的存在就相當于一個標準參照物，只能對內環電信號表現行為提供一定的反饋，并不能對其具體數值水平進行標注與修改[1-3]。擴張狀態觀測器是一種特殊的自抗擾控制器元件，可以根據系統外部輸入變量與輸出變量的實測值結果，判斷系統主機所具備的動態運行能力，也叫狀態重構器設備。簡單來說，這種觀測器元件的應用實質就是一個符合系統執行標準的模型結構，且由于連接能力的可協調性，所有狀態變量都是由管控主機直接輸出的。大多數擴張狀態觀測器都采取閉環連接的運行方式，不但能夠克服開環狀態觀測器的各項應用弊端，也可以將主機元件完全解放出來，使其在維持系統動力供應條件的同時，具備獨立處理干擾性問題的能力。通常情況下，正是由于擴張狀態觀測器的存在，各類復雜待控對象才能按需接入動力系統的既定模塊單元之中，不但解決了控制對象過于依賴動力主機的問題，也將閉環網絡完全解放出來，使其能夠自發處理輸入變量與輸出變量之間的動力限制問題。

為對發動機元件的轉速水平進行控制，傳統非諧波傅里葉變換測量系統以PIC18F4525單片機元件作為核心控制器，在彈簧電磁驅動氣門結構等多個執行器設備的作用下，判斷當前時刻進氣壓力對發動機轉速水平的影響強度，再根據傅里葉原則，對所得計算值結果進行判斷與處理[4]。然而隨著進氣壓力水平的改變，該系統對于發動機設備實時轉速水平的控制與約束能力并不能完全達到實際應用標準。

為解決上述問題，應用擴張狀態觀測器設計了一種新型的發動機轉速雙閉環自適應控制系統。硬件執行環境由雙閉環集成電路、發動機控制器、自適應傳感器、隔離驅動芯片、觀測器驅動管五部分組成，雙閉環集成電路由動力源分路、集成分路、觀測信號放大分路三部分組成，能夠將發動機的速度等級維持在一個比較穩定的數值狀態，使得發動機轉速水平長時間保持相對穩定的數值狀態，將外部壓力對發動機運轉能力的影響降到最低。軟件部分以擴展狀態觀測器內部的微分跟蹤器為出發點，選擇了關鍵ESO參數，利用干擾補償矢量，對擴展狀態觀測器進行頻域參數配置，結合硬件實現基于擴展狀態觀測器的雙閉環自適應調速系統設計。

1 自適應控制系統硬件設計

發動機轉速雙閉環自適應控制系統的硬件執行環境由雙閉環集成電路、發動機控制器、自適應傳感器、隔離驅動芯片、觀測器驅動管五部分共同組成，自適應控制系統硬件整體結構示意圖如圖1所示。

圖1 自適應控制系統硬件結構

具體設計方法如下。

1.1 雙閉環集成電路

發動機轉速自適應控制系統的雙閉環集成電路由動力源分路、集成分路、觀測信號放大分路三部分共同組成。其中，動力源分路與外部接入電源直接相連，可在為發動機元件提供輸入動力支持的同時，更改調控電阻已接入部分的阻值水平，且由于UPE主板元件的存在，電動機元件能夠準確記錄發動機結構轉速的實時數值水平，一方面可以調節設備結構與外部氣動壓力之間的適配關系，另一方面也可做到對輸入電量的最大化節約。集成分路中包含多個調控電阻，在實際應用過程中，這些設備結構元件始終保持串行連接關系[5-6]。與其他接入子回路不同，集成分路負責監控雙閉環集成電路的主控應用結構，需要在準確顯示傳輸電流數值的同時，調節氣動電壓對UPE主板的作用強度，從而使得發動機轉速水平長時間保持相對穩定的數值狀態。觀測信號放大分路以電信號放大器作為核心應用元件，能夠借助變阻器設備，緩解TG主機所面臨的電量負載壓力，從而最大化減輕外部壓力對發動機運轉能力的影響。雙閉環集成電路結構圖如圖2所示。

圖2 雙閉環集成電路結構圖

為使雙閉環集成電路的運行能力保持穩定，所有接入電阻的阻值水平都可以在500～750 Ω之間來回變化。

1.2 發動機控制器

發動機控制器是整個自適應控制系統的核心器件，連接雙閉環集成電路與下級傳感器設備，是以擴張狀態觀測器為邏輯中心的應用型調試結構[7]。本文采用發動機控制器型號為DSE7320，其基準電壓為5.0 V，最佳點火提前角在上止點前10度左右，包含AMF+ATS+通訊+擴展+PLC邏輯功能。整個控制器結構中包含多個連接引腳，其具體連接及作用能力如下。

1)RAO引腳：與發動機振蕩器結構相連，可通過調節轉速頻率的方式，更改雙閉環集成電路內的電信號傳輸流量，從而使得發動機元件所承擔的傳輸電壓與電流長期保持穩定狀態；

2)RE3與REF引腳：分別與自適應傳感器和觀測器驅動管結構相連，能夠記錄隔離驅動芯片內的壓力作用情況，并將這些信息數據反饋至自適應控制主機中；

3)IN與OUT引腳：IN引腳負責接入雙閉環集成電路中的傳輸電量，OUT引腳負責將這些電量再次分配至下級連接元件；

4)VSS與VDD引腳：VSS引腳具備較強的外設信號控制能力，可記錄氣動壓力的實時作用水平，VDD引腳只能感知發動機控制器內的動力負載情況，在實際作用過程中，始終與VSS引腳保持定向連接關系[8]；

5)RC1、RC2、RC3、RC4引腳：這些引腳只能保持同步接入關系，也只有在擴張狀態觀測器連入發動機設備的情況下，才能開啟既定連接行為；

6)PGD、PGM、PGO引腳：負責記錄擴張狀態觀測器的執行狀態，并可根據發動機的實時轉速水平，向自適應控制主機反饋關鍵的數據信息參量。

在發動機轉速自適應控制系統中，控制器設備始終受到雙閉環集成電路直屬調度，這也是系統內傳輸電子量能夠得到較好節約的主要原因。

1.3 自適應傳感器

自適應傳感器以SPI單片機作為核心搭建元件，可聯合擴張狀態觀測器，對發動機設備的實時轉速水平進行調節，由于PIC18F結構的存在，底層信號控制單元始終保持較強的感應靈活性，既能較好跟蹤驅動芯片內電量信號的傳輸與消耗行為，也可以將已生成的感應電流暫存于放大器元件之中，為后續雙閉環回路的形成提供電量支持[9-10]。通常情況下，自適應傳感器總是與發動機控制器保持相同的連接行為，對于傳輸電子的促進性作用能力也完全相同。在雙閉環集成電路的作用下，SPI單片機首先將轉速控制信號傳輸至附屬單片機結構中，當PIC18F結構感知到控制主機的調度需求后，附屬單片機同時釋放所有已存儲的控制信號參量，從而使得傳感器內部的電信號保持絕對穩定的存在狀態，為隔離驅動芯片的接入提供保障[11-12]。自適應傳感器示意圖如圖3所示。

圖3 自適應傳感器示意圖

分析圖3所示的自適應傳感器結構可知，主傳感器元件只能對底層信號控制單元傳輸調節信號，而對于發動機轉速調節結構發出的運行指令則不能進行任何的加工與處理。

1.4 隔離驅動芯片

在發動機轉速雙閉環自適應控制系統中，隔離驅動芯片負責將擴張狀態觀測器與控制器、傳感器元件分離開來，使得雙閉環集成電路能夠對其進行分別供電，從而最大化保證發動機旋轉運動空間的獨立性與完整性。作為隔離驅動芯片的核心應用結構，MC33152板件同時調配壓力感知主板、轉速感知主板與壓感電阻，從功能性角度來看，該結構的運行能力直接決定了發動機設備的實時轉速水平，屬于一種可控性連接元件[13]。壓感電阻接入部分的阻值水平決定了隔離驅動芯片的作用能力，通常情況下，隨著發動機轉速水平的改變，電阻元件的接入電阻數值也會發生變化，單體上滿足前者轉速越快、后者阻值越大的規律。適配調試主板的連接等級較高，可更改壓力感知主板與轉速感知主板間的限制約束能力，但在實際應用過程中，其具體作用能力也是由驅動芯片內的MC33152板件決定的。

在實際應用過程中，隔離驅動芯片對于發動機轉速的控制能力越強，MC33152板件對于傳輸電量信號的單位調度頻率也就越快。

1.5 觀測器驅動管

觀測器驅動管負責對隔離驅動芯片進行調試，作為擴張狀態觀測器的下級附屬結構，可管控發動機的實時轉速水平，從而實現對雙閉環控制回路的按需協調[14]。主彈簧集中分布在主氣門結構上部，負責對銜接鐵棒的連接緊密度進行調試，一方面能夠避免發動機轉動速度過快的情況出現，另一方面也可將主氣門結構固定在既定連接位置處。主氣門外同時套接兩個鐵芯與兩個線圈，在發動機保持轉動狀態的情況下，由于兩者之間存在一定的轉速差，所以銜接鐵棒的連接位置總是來回變動，這也是擴張狀態觀測器作用能力并不能保持完全穩定狀態的主要原因[15]。具體結構如圖4所示。

圖4 觀測器驅動管示意圖

固定彈簧存在于主彈簧下部，僅負責調節氣門結構的連接緊密程度，不對發動機轉速起到直接影響。

2 擴張狀態觀測器的頻域參數配置

2.1 擴張狀態觀測器結構分析

擴張狀態觀測器主控元件放置于底部支撐框架之上，在傳輸通路保持非閉合狀態的情況下，擴張片元件的橫截面積持續增大，直至觀測器結構可以顯示出主控元件所捕獲到的所有發動機轉動影像。在實際觀測過程中，邊框結構始終保持絕對穩定的連接狀態，隨著擴張片結構的不斷運動，傳輸通路的存在狀態也在不斷改變，此時為使觀測器的連接行為趨于穩定，應控制結構體在豎直方向上的運動幅度，一方面使得擴張狀態觀測器能夠準確監視發動機的實時轉速水平，另一方面也可以輔助雙閉環集成電路對自適應電感信號進行按需捕獲與處理[16]。一般情況下，擴張狀態觀測器底部支架及外部邊框所處位置不會隨發動機轉速的改變而發生變化。

2.2 微分跟蹤器

微分跟蹤器能夠監管擴張狀態觀測器的連接行為，能夠根據自適應前饋模型，分析當前情況下發動機元件的實時轉速水平，并可將已獲取信息反饋至發動機控制器結構中，以便于系統雙閉環集成電路的直接調取與利用[17]。

設w0表示自適應電控信號的原始輸出參量，χ表示發動機元件的轉速參量，ΔT表示單位轉動周期，聯立上述物理量，可將微分跟蹤器對于擴張狀態觀測器的約束性行為標準表示為：

(1)

根據微分跟蹤器約束原則，核心控制主機可確定擴張狀態觀測器的實時行為狀態，并可以此為基礎，完成對發動機轉速水平的按需調節。

2.3 ESO參數選取

在發動機轉速雙閉環自適應控制系統中，ESO參數能夠決定擴張狀態觀測器中電感信號的最大輸出量，若默認自適應傳輸行為的存在，則可認為ESO參數取值結果越大，擴張狀態觀測器中電感信號的單位輸出量越大[18-19]。在選取控制指標時，ESO參數的取值受到雙閉環集成電路波動系數、觀測信號數值標量兩項物理指標的直接影響。對于發動機轉速雙閉環自適應控制系統而言，集成電路波動系數可表示為ξ，作為一項矢量指標，該參量的數值水平不會隨著系統運行時間的延長而出現變化。觀測信號數值標量可表示為α，在考慮微分跟蹤器約束原則的前提下，該項指標的取值結果始終處于(1,e)的物理區間之內。在上述物理量的支持下，聯立公式(1)，可將ESO參數選取條件定義為：

(2)

2.4 擾動補償向量

(3)

在發動機轉速雙閉環自適應控制系統中，擾動補償向量計算值越大，表示擴張狀態觀測器當前所處工作狀態越穩定，因此為實現對發動機轉速的準確監控，應盡可能避免ESO參數取值結果對擾動補償向量的影響，使其計算實值不斷趨近理想化最大值。

3 實例分析

以圖5所示發動機元件作為實驗對象，同時打開進氣口、進氣門與排氣口，使發動機設備進入正常工作狀態，在確保鏈條進入勻速轉動狀態后，將曲軸與測速裝置相連，不斷調節火花塞的打火頻率，使得發動機轉速與外接飛輪轉速保持一致。

圖5 實驗用發動機設備

在實驗過程中，由于火花塞存在打火行為，所以直接計數發動機轉速存在一定的危險性，而外接飛輪轉速始終與發動機轉速相等，故而可用前者代替后者。

首先，應用基于擴張狀態觀測器的作用程序對計數器裝置進行控制，將所得轉速值作為實驗組變量；其次，應用基于非諧波傅里葉變換的作用程序對計數器裝置進行控制，將所得轉速值作為對照組變量；然后，控制進氣口打開程度，人為制造不同的氣動壓力環境；最后，分析實驗組、對照組發動機轉速在不同壓力環境下的數值水平，將其與理想數值對比。實驗隨機參數為0.5 MPa、0.8 MPa、1.3 MPa三種不同的壓力環境，3、6、9、12、15、18 s的取樣時間，實驗中所用參數為飛輪轉速及氣動壓力取值。

圖6記錄了外接飛輪轉速在3種不同壓力環境下的具體數值情況。

圖6 外接飛輪轉速的理想數值

分析圖6可知，在0.5 MPa的壓力環境，外接飛輪轉速始終保持絕對穩定的數值存在狀態，外接飛輪轉速理想數值為1000 r/min，；在0.8 MPa的壓力環境，外接飛輪轉速理想數值為750 r/min，能保持絕對穩定的數值存在狀態，但相較于0.5 MPa的壓力環境，其均值水平下降了250 r/min；在1.3 MPa的壓力環境，外接飛輪轉速理想數值呈現出先上升、再下降、最后趨于穩定的數值變化趨勢，其最大取值結果達到700 r/min，最小為500 r/min，與0.8 MPa壓力環境下的平均值相比，下降了50 r/min，除“0”取樣節點外，其全局最小值為553 r/min，與其全局最大值相比，下降了147 r/min。

表1記錄了實驗組、對照組外接飛輪轉速在0.5 MPa、0.8 MPa、1.3 MPa三種不同壓力環境下的數值變化情況。

表1 外接飛輪轉速的實驗數值

分析實驗組飛輪轉速水平可知，在0.5 MPa的壓力環境，除第3 s的取樣節點外，外接飛輪轉速始終保持相對穩定的數值變化狀態，其最大值與理想均值相比，下降了12 r/min；在0.8 MPa的壓力環境，外接飛輪轉速數值經過短時間的波動狀態后，開始趨于完全穩定的形式，其穩定數值與理想均值相比，下降了8 r/min；在1.3 MPa的壓力環境，外接飛輪轉速的變化形式也與理想轉速值變化趨勢保持一致，其最大值結果始終沒有超過理想轉速的最大值。

分析對照組飛輪轉速水平可知，在0.5 MPa的壓力環境，外接飛輪轉速值呈現先上升、再下降的變化趨勢，且其最大值達到了1 126 r/min，超過了理想轉速值；在0.8 MPa的壓力環境，外接飛輪轉速呈現持續上升的變化形式，至實驗結束，其最大值達到了796 r/min，也超過了理想轉速值；在1.3 MPa的壓力環境，外接飛輪轉速值經過持續上升狀態后，開始大幅下降，其最大值達到了800 r/min，超過了理想轉速值。

綜上可知：

1)應用實驗組系統，外接飛輪轉速在3種不同壓力環境下的數值水平始終低于理想轉速值，且其數值變化趨勢始終與理想轉速曲線一致；

2)應用對照組系統，外接飛輪轉速在3種不同壓力環境下的數值水平均不能與理想轉速曲線保持一致，且其數值變化規律極不穩定；

3)實驗組系統能夠較好控制外接飛輪轉速，使其在不同壓力水平下均呈現出理想化的工作狀態，即應用基于擴張狀態觀測器的雙閉環自適應控制系統，更有利于調節發動機轉速水平，使其長時間保持相對穩定的工作狀態。

4 結束語

在擴張狀態觀測器的作用下，發動機轉速控制系統從雙閉環集成電路入手，構造完整的硬件應用環境，借助發動機控制器、自適應傳感器等設備結構，在選取ESO參數的同時，對擾動補償向量指標進行準確計算。與非諧波傅里葉變換測量系統相比，擴張狀態觀測器作用下的控制系統，能夠保證發動機轉速始終維持在合理的低水平狀態，對于促進發動機元件的穩定工作，具有較強的促進性影響作用。