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摘要： 为提升发电机组用发动机的抗干扰能力，增强其竞争优势，从发动机转速控制角度设计一种基于扩张状态观测器变结构自抗扰控制器，来满足发电机组非线性、时变的工作特性。通过试验验证其设计的自抗扰控制算法与传统PID控制算法对发动机转速的控制效果。试验结果表明：发动机转速自抗扰控制算法能够满足发电机组稳态及动态频率特性需求，相对传统控制在抗扰性能上有所提高，满足跟踪需求。
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.
关键词： 发电机组;扩张状态观测器;变结构;自抗扰控制器
Key words： generator set;extended state observer;variable structure;active disturbance rejection controller
中圖分类号：U664.121 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）17-0026-03
0 引言
目前，随着市场对发电机组行业性能要求的不断提高，发电机产生交流电压及频率的稳定性指标已成为衡量行业性能优势的重要指标之一。发电机组是由发动机拖动发电机向外部负载供电，其电压及频率的稳定性能除受自身电压调节器控制影响外，还跟发动机转速控制能力有关。发动机转速对负载变化的响应将严重影响发电机组交流电压及频率的稳定性。在其它条件不变的情况下，发动机转速控制地越好，发电机组输出电压及频率就越稳定。因此，对于发电机组用发动机来说，发动机转速控制抗干扰能力将直接影响产品竞争力。
现阶段，发动机转速控制系统采用比例积分微分（PID）控制算法[1]，通过发动机转速的闭环控制来实现。PID控制算法具有结构简单、稳定性好，可靠性高等优点，适用于变化不大的系统[2]。其在发电机组运行工况中对负载变化的抗扰效果一般。为提高发动机对负载变化的响应性，提升转速控制的抗干扰能力，使发动机转速能够迅速平稳地针对负载变化做出响应，从而提升整个发电机组的工作效率和输出电源的品质。为此，本文在发动机转速控制系统中设计了一种基于扩张状态观测器[3]的变结构自抗扰控制器，旨在提升发动机转速抗干扰能力。
1 柴油机转速控制
发电用柴油机主要包含两部分，分别是柴油机和发电机。其中，柴油机就其总体构造而言，由机体组、曲柄连杆机构、配气机构、进排气系统、燃油系统、冷却系统、润滑系统、起动系统和有害排放物控制装置组成[4]。基于转速控制的柴油机整体扭矩传递则可以概述为：从油量输入气缸开始，柴油机燃烧做功产生扭矩输出，产生的扭矩一部分被附件所消耗，剩下的扭矩部分作为输出，输送给发电机产生电能。系统工作原理结构如图1所示。现阶段柴油机针对转速闭环采用PID控制，其控制架构如图2所示。
2 柴油机转速控制数学模型
柴油发动机转速动态预测模型以牛顿第二定律为基础，以喷油量作为输入，在发动机工作温度和进排气压力的边界条件下，对发动机的转速进行预测，转速模型包括指示扭矩（Mi）、摩擦扭矩（MFri）。模型的总体表达式如下所示：
3 变结构自抗扰控制
自抗扰控制（ADRC）技术[5]是在典型PID控制的基础上，结合现代控制理论，利用对状态变量的实时观测，对扰动进行实时估计和补偿，并构造具有“主动抗扰”能力的控制器。自抗扰控制器主要由跟踪微分器、扩展状态观测器和非线性状态误差反馈控制律三部分组成。扩展状态观测器通过设计扩展的状态量来估计未知扰动和控制对象未建模部分，实现动态系统的反馈线性化;非线性误差反馈控制律给出被控对象的控制策略[6]。自抗扰控制器最大的优势在于不依赖控制对象的具体数学模型，对系统的未知干扰因素有着良好的抑制能力，同时在改善系统控制品质，如稳定性、鲁棒性方面等都有优良的效果[7]。发动机转速可通过转速传感器获得，本文将发动机转速视为可获取信息，选取扰动f与扰动变化率f作为状态变量，重新构建自抗扰控制器。得到二阶状态方程为： 其控制系统整体框图如图3。
4 试验测试
为测试本文提出的基于自抗扰算法的跟踪和抗扰性能，模拟发电机组瞬态试验，采用PID控制和自抗扰控制进行测试，验证两种控制方式控制效果。发动机基本参数如表1所示。在发动机转速稳定在额定转速1500rpm/min进行突加50%及突卸100%负载试验，分别采用PID控制及变结构自抗扰控制，图4和图5给出了负载突加50%和突卸100%时，发动机转速在额定转速下的跟踪效果及跟踪误差。验证了自抗扰控制方法的有效性。
在不同负载变化下发动机转速控制动态性能指标对比结果如表2、表3。从试验结果来看，发电机组在负载突加50%或突卸100%时，相对于PID控制具有明显的控制优势，系统响应更快，超调量最小且调节时间更短，转速抗干扰能力强，能够快速地控制系统稳定。
5 结论
本文基于牛顿第二定律建立发动机转速控制动态模型，并设计发动机转速变结构自抗扰控制器。通过试验测试验证了所涉及的发动机转速自抗扰控制的有效性，即在负载变化（突加、突卸）时，系统响应速度及相对稳定性较传统PID控制有明显控制优势，大大提升了发电机组用发动机的竞争优势。对发电机组瞬态特性性能提升方面具有一定的参考意义。
参考文献：
[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.基于扩张状态观测器的滑膜控制在空间光通信的应用[J/OL].光通信技术，2021.
[3]韩京清.一类不确定对象的扩张扩张状态观测器[J].控制与决策，1995，10（1）：85-88.
[4]张俊红，张纪元，高文志.汽车发动机构造.天津：天津大学出版社，2006.
[5]韩京清.自抗扰控制技术-估计补偿不确定因素的控制技术[M].北京：国防工业出版社，2009.
[6]冯美玉.改善汽车发动机转速跟踪暂态性能的控制策略研究[D].燕山大学，2017.
[7]韩京清.扩张状态观测器参数与菲波纳奇数列[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.
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.
关键词： 发电机组;扩张状态观测器;变结构;自抗扰控制器
Key words： generator set;extended state observer;variable structure;active disturbance rejection controller
中圖分类号：U664.121 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）17-0026-03
0 引言
目前，随着市场对发电机组行业性能要求的不断提高，发电机产生交流电压及频率的稳定性指标已成为衡量行业性能优势的重要指标之一。发电机组是由发动机拖动发电机向外部负载供电，其电压及频率的稳定性能除受自身电压调节器控制影响外，还跟发动机转速控制能力有关。发动机转速对负载变化的响应将严重影响发电机组交流电压及频率的稳定性。在其它条件不变的情况下，发动机转速控制地越好，发电机组输出电压及频率就越稳定。因此，对于发电机组用发动机来说，发动机转速控制抗干扰能力将直接影响产品竞争力。
现阶段，发动机转速控制系统采用比例积分微分（PID）控制算法[1]，通过发动机转速的闭环控制来实现。PID控制算法具有结构简单、稳定性好，可靠性高等优点，适用于变化不大的系统[2]。其在发电机组运行工况中对负载变化的抗扰效果一般。为提高发动机对负载变化的响应性，提升转速控制的抗干扰能力，使发动机转速能够迅速平稳地针对负载变化做出响应，从而提升整个发电机组的工作效率和输出电源的品质。为此，本文在发动机转速控制系统中设计了一种基于扩张状态观测器[3]的变结构自抗扰控制器，旨在提升发动机转速抗干扰能力。
1 柴油机转速控制
发电用柴油机主要包含两部分，分别是柴油机和发电机。其中，柴油机就其总体构造而言，由机体组、曲柄连杆机构、配气机构、进排气系统、燃油系统、冷却系统、润滑系统、起动系统和有害排放物控制装置组成[4]。基于转速控制的柴油机整体扭矩传递则可以概述为：从油量输入气缸开始，柴油机燃烧做功产生扭矩输出，产生的扭矩一部分被附件所消耗，剩下的扭矩部分作为输出，输送给发电机产生电能。系统工作原理结构如图1所示。现阶段柴油机针对转速闭环采用PID控制，其控制架构如图2所示。
2 柴油机转速控制数学模型
柴油发动机转速动态预测模型以牛顿第二定律为基础，以喷油量作为输入，在发动机工作温度和进排气压力的边界条件下，对发动机的转速进行预测，转速模型包括指示扭矩（Mi）、摩擦扭矩（MFri）。模型的总体表达式如下所示：
3 变结构自抗扰控制
自抗扰控制（ADRC）技术[5]是在典型PID控制的基础上，结合现代控制理论，利用对状态变量的实时观测，对扰动进行实时估计和补偿，并构造具有“主动抗扰”能力的控制器。自抗扰控制器主要由跟踪微分器、扩展状态观测器和非线性状态误差反馈控制律三部分组成。扩展状态观测器通过设计扩展的状态量来估计未知扰动和控制对象未建模部分，实现动态系统的反馈线性化;非线性误差反馈控制律给出被控对象的控制策略[6]。自抗扰控制器最大的优势在于不依赖控制对象的具体数学模型，对系统的未知干扰因素有着良好的抑制能力，同时在改善系统控制品质，如稳定性、鲁棒性方面等都有优良的效果[7]。发动机转速可通过转速传感器获得，本文将发动机转速视为可获取信息，选取扰动f与扰动变化率f作为状态变量，重新构建自抗扰控制器。得到二阶状态方程为： 其控制系统整体框图如图3。
4 试验测试
为测试本文提出的基于自抗扰算法的跟踪和抗扰性能，模拟发电机组瞬态试验，采用PID控制和自抗扰控制进行测试，验证两种控制方式控制效果。发动机基本参数如表1所示。在发动机转速稳定在额定转速1500rpm/min进行突加50%及突卸100%负载试验，分别采用PID控制及变结构自抗扰控制，图4和图5给出了负载突加50%和突卸100%时，发动机转速在额定转速下的跟踪效果及跟踪误差。验证了自抗扰控制方法的有效性。
在不同负载变化下发动机转速控制动态性能指标对比结果如表2、表3。从试验结果来看，发电机组在负载突加50%或突卸100%时，相对于PID控制具有明显的控制优势，系统响应更快，超调量最小且调节时间更短，转速抗干扰能力强，能够快速地控制系统稳定。
5 结论
本文基于牛顿第二定律建立发动机转速控制动态模型，并设计发动机转速变结构自抗扰控制器。通过试验测试验证了所涉及的发动机转速自抗扰控制的有效性，即在负载变化（突加、突卸）时，系统响应速度及相对稳定性较传统PID控制有明显控制优势，大大提升了发电机组用发动机的竞争优势。对发电机组瞬态特性性能提升方面具有一定的参考意义。
参考文献：
[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.基于扩张状态观测器的滑膜控制在空间光通信的应用[J/OL].光通信技术，2021.
[3]韩京清.一类不确定对象的扩张扩张状态观测器[J].控制与决策，1995，10（1）：85-88.
[4]张俊红，张纪元，高文志.汽车发动机构造.天津：天津大学出版社，2006.
[5]韩京清.自抗扰控制技术-估计补偿不确定因素的控制技术[M].北京：国防工业出版社，2009.
[6]冯美玉.改善汽车发动机转速跟踪暂态性能的控制策略研究[D].燕山大学，2017.
[7]韩京清.扩张状态观测器参数与菲波纳奇数列[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.