陳路明， 廖自力， 劉春光， 項(xiàng) 宇

(裝甲兵工程學(xué)院控制工程系， 北京 100072)

自抗擾控制器在車載發(fā)電控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

陳路明， 廖自力， 劉春光， 項(xiàng) 宇

(裝甲兵工程學(xué)院控制工程系， 北京 100072)

為抑制車載發(fā)電控制系統(tǒng)在發(fā)電過程中的轉(zhuǎn)速波動(dòng)、負(fù)載變化及參數(shù)時(shí)變等擾動(dòng)，提高穩(wěn)壓輸出精度，將自抗擾控制器應(yīng)用到車載發(fā)電控制系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)施加干擾條件并進(jìn)行仿真。與傳統(tǒng)PID控制器的仿真對(duì)比結(jié)果表明：應(yīng)用自抗擾控制器的車載發(fā)電控制系統(tǒng)能夠有效補(bǔ)償外界擾動(dòng)，具有很高的穩(wěn)壓輸出性能。

自抗擾控制器；PID控制器；永磁同步電機(jī)；穩(wěn)壓發(fā)電

隨著車輛電氣化程度的不斷提高，車載用電設(shè)備對(duì)電力系統(tǒng)供電能力和品質(zhì)提出了更高的要求。大力發(fā)展電傳動(dòng)車輛成為應(yīng)對(duì)電氣化挑戰(zhàn)的有效手段[1]，車載發(fā)電控制系統(tǒng)則是電傳動(dòng)車輛電力系統(tǒng)的核心單元。車載發(fā)電控制系統(tǒng)通過控制電機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)拖動(dòng)下發(fā)電，實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量的轉(zhuǎn)化，同時(shí)盡量保證系統(tǒng)輸出電壓的相對(duì)穩(wěn)定，為用電設(shè)備源源不斷地提供高品質(zhì)電能，保證用電設(shè)備工作精度和使用壽命[2]。但車輛工作環(huán)境比較復(fù)雜，存在較多不確定性擾動(dòng)因素，如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩脈振、負(fù)載突加突卸以及轉(zhuǎn)速跳變等，會(huì)對(duì)輸出電壓穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，限制其在大功率電傳動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用。

為解決這個(gè)問題，研究者進(jìn)行了大量研究工作，提出了多種不同的擾動(dòng)抑制方法，其中：林楠等[3]針對(duì)高速永磁同步電機(jī)在負(fù)載或轉(zhuǎn)速變化時(shí)難以穩(wěn)定輸出電壓的問題，提出了一種混合勵(lì)磁的發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)方案，并通過一臺(tái)10 kW混合勵(lì)磁原理樣機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)；程木軍等[4]針對(duì)船舶發(fā)電機(jī)在大負(fù)荷突變時(shí)的端電壓穩(wěn)定問題，提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了參數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。但受當(dāng)前電機(jī)制造水平等因素限制，電機(jī)固有結(jié)構(gòu)已接近改變極限，改進(jìn)空間不大；而PID控制系統(tǒng)雖然能夠有效處理線性控制系統(tǒng)，但面對(duì)非線性系統(tǒng)高質(zhì)量穩(wěn)壓控制的要求有很大局限性，迫切需要提出高效的擾動(dòng)抑制方法，以提高發(fā)電機(jī)穩(wěn)壓輸出性能。

自抗擾控制器(Auto Disturbance Rejection Controller, ADRC)是一種非線性控制器，其繼承了傳統(tǒng)PID控制器對(duì)模型精度要求不高、能夠有效補(bǔ)償模型擾動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，并與現(xiàn)代控制理論成果緊密結(jié)合，在控制對(duì)象參數(shù)發(fā)生變化或存在擾動(dòng)時(shí)具有良好的控制效果，能夠有效提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)壓輸出特性[5-7]。筆者以某型電傳動(dòng)裝甲車輛發(fā)電控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，采用自抗擾控制器改進(jìn)車載發(fā)電控制系統(tǒng)，以提高擾動(dòng)條件下的穩(wěn)壓輸出特性。

1 車載發(fā)電控制系統(tǒng)特性分析

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

車載發(fā)電控制系統(tǒng)由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、永磁同步電機(jī)、控制器、整流功率變換器、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器和儲(chǔ)能元件(主要為動(dòng)力電池和超級(jí)電容復(fù)合電源)等組成[8]，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 車載發(fā)電控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

控制器接收來自永磁同步電機(jī)、動(dòng)力電池、超級(jí)電容和發(fā)動(dòng)機(jī)等部件的多路檢測(cè)信號(hào)，根據(jù)駕駛意圖進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，輸出控制信號(hào)到功率變換器以控制電機(jī)工作狀態(tài)；功率變換器接收來自控制器的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)三相交流電到直流電的整流變換以及直流電到三相交流電的逆變換；轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速信號(hào)通過內(nèi)置式旋轉(zhuǎn)變壓器進(jìn)行檢測(cè)，并將結(jié)果反饋給控制器；儲(chǔ)能元件由動(dòng)力電池和超級(jí)電容構(gòu)成，能夠滿足負(fù)載在能量和功率2方面的需求。

1.2 電機(jī)數(shù)學(xué)模型

永磁同步電機(jī)是發(fā)電過程的主要執(zhí)行單元,為簡(jiǎn)化電機(jī)模型和便于理論分析，作以下假設(shè)： 1)忽略電機(jī)鐵芯飽和及磁滯損耗； 2)忽略轉(zhuǎn)子和永磁體阻尼作用； 3)轉(zhuǎn)子氣隙磁場(chǎng)在氣隙空間分布為正弦波； 4)電機(jī)三相繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為正弦波且對(duì)稱。

永磁同步電機(jī)通常采用d-q坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，從電壓、磁鏈、轉(zhuǎn)矩和運(yùn)動(dòng)方程4個(gè)方面描述內(nèi)部和外部工作特性[9]，表達(dá)式分別如下：

定子電壓方程為

(1)

定子磁鏈方程為

(2)

電磁轉(zhuǎn)矩方程為

(3)

機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程為

(4)

在車載發(fā)電控制系統(tǒng)中，永磁同步電機(jī)的主要參數(shù)如表1所示。

表1 永磁同步電機(jī)主要參數(shù)

1.3 發(fā)電控制策略

為滿足系統(tǒng)高效發(fā)電的要求,車載發(fā)電控制系統(tǒng)通常采用矢量控制來實(shí)現(xiàn)定子電流的解耦控制。

從結(jié)構(gòu)上來看，電機(jī)輸出電壓作為被控制量，給定電壓與反饋電壓的差值作為PID調(diào)節(jié)量，作用于控制對(duì)象?；赑ID控制器的車載發(fā)電控制系統(tǒng)原理如圖2所示。電壓調(diào)節(jié)器中的PID結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 基于PID控制器的車載發(fā)電控制系統(tǒng)原理

圖3 電壓調(diào)節(jié)器中的PID結(jié)構(gòu)

在發(fā)電階段，電機(jī)運(yùn)行于高速恒功率區(qū)域，通常采取弱磁控制來維持輸出電壓的平衡，此時(shí)受逆變器容量以及電機(jī)電壓額定值限制，電機(jī)能輸出的最大相電流矢量幅值ismax和最大相電壓矢量幅值usmax滿足如下約束關(guān)系[10]：

(5)

(6)

由式(5)可知：電流約束條件在iq-id平面上形成一個(gè)圓，其表達(dá)式為

(7)

由式(6)可知：電壓約束條件在iq-id平面上形成一個(gè)橢圓，其表達(dá)式為

(8)

2 自抗擾控制器設(shè)計(jì)

2.1 自抗擾控制器結(jié)構(gòu)

自抗擾控制器主要包括3個(gè)方面[11]：跟蹤微分器(Tracking Differentiator，TD)、擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器(Extended State Observer，ESO)和非線性狀態(tài)誤差反饋控制律(Nonlinear State Error Feedback，NLSEF)。設(shè)受到未知擾動(dòng)作用的非線性不確定對(duì)象為

(9)

式(9)對(duì)應(yīng)的自抗擾控制器結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中：TD主要用于快速無超調(diào)地跟蹤系統(tǒng)給定輸入，并安排合理的過渡過程，得到給定輸入的各階微分信號(hào)；ESO是自抗擾控制器的核心控制部分，主要用于觀測(cè)系統(tǒng)及其各階導(dǎo)數(shù)的輸出，還需要對(duì)系統(tǒng)總擾動(dòng)進(jìn)行觀測(cè)預(yù)估；NLSEF主要用于對(duì)系統(tǒng)的廣義誤差信號(hào)以及ESO預(yù)估出的擾動(dòng)進(jìn)行非線性組合，從而能夠使其得到相應(yīng)的補(bǔ)償。

圖4 自抗擾控制器結(jié)構(gòu)

2.2 自抗擾控制器數(shù)學(xué)模型

TD數(shù)學(xué)模型為

(10)

ESO數(shù)學(xué)模型為

(11)

NLSEF數(shù)學(xué)模型為

(12)

式中：v1為輸入信號(hào)的跟蹤值；v為輸入信號(hào)的給定值；r為速度因子，其決定跟蹤的速度；h為濾波因子，其對(duì)噪聲起濾波作用；e為系統(tǒng)輸出量觀測(cè)值與輸出值之間差值；z1、z2分別為系統(tǒng)輸出量觀測(cè)值及其微分估計(jì)值；β1、β2、β為表達(dá)式的可調(diào)參數(shù)，需要被整定；α1、α2、α為濾波因子；δ為線性區(qū)間的寬度；e1為輸入信號(hào)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；fal(·)為非線性濾波函數(shù)，其表達(dá)式為

(13)

該控制器內(nèi)部包含較多參數(shù)，應(yīng)用前需要根據(jù)系統(tǒng)控制要求和已知的被控對(duì)象特點(diǎn)等進(jìn)行參數(shù)整定，得到適應(yīng)被控對(duì)象的自抗擾控制器模型。

2.3 自抗擾控制器仿真模型

傳統(tǒng)車載發(fā)電控制系統(tǒng)具有雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，控制效果主要依賴外環(huán)的電壓調(diào)節(jié)器，因此將其作為主要研究變量，用自抗擾控制器替換基于PID的電壓調(diào)節(jié)器，得到改進(jìn)后的車載發(fā)電控制系統(tǒng)，其原理如圖5所示。

圖5 基于自抗擾控制器的車載發(fā)電控制系統(tǒng)原理

據(jù)此，在MATLAB/Simulink中建立基于自抗擾控制器的車載發(fā)電控制系統(tǒng)仿真模型[13]，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 基于自抗擾控制器的車載發(fā)電控制系統(tǒng)仿真模型

3 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

傳統(tǒng)車載發(fā)電系統(tǒng)的PID控制參數(shù)包括比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)，通過工程整定法得到最優(yōu)參數(shù)組合：若比例系數(shù)P設(shè)置過大，則容易導(dǎo)致響應(yīng)超調(diào)，反之則會(huì)降低穩(wěn)態(tài)誤差精度，因此設(shè)定P=10；若積分系數(shù)I取值過小，則容易導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)，反之則會(huì)降低響應(yīng)速度，因此設(shè)定I=150；微分系數(shù)D取值越大，微分作用越強(qiáng)，但在誤差快速變化時(shí)，響應(yīng)曲線容易產(chǎn)生“毛刺”，因此設(shè)定D=0.8。由此得到PID控制器的實(shí)際應(yīng)用模型。

自抗擾控制器模型包含較多參數(shù)，通常按以下規(guī)則進(jìn)行整定：TD中速度因子r初始設(shè)計(jì)盡量大些，因此設(shè)定r=100，考慮濾波效果及安排過渡過程，設(shè)定濾波因子h=0.1；ESO中fal(·)中的參數(shù)，取α1=0.5，α2=0.25,δ=0.05，控制量擾動(dòng)補(bǔ)償參數(shù)b=1.5pnψf(JLq)-1作為參考值進(jìn)行設(shè)置，參數(shù)β1=120，β2=2 500；NLSEF中取α=0.1，β=80。由此得到自抗擾控制器的實(shí)際應(yīng)用模型。

為驗(yàn)證自抗擾控制器在車載發(fā)電控制系統(tǒng)中的作用效果，需要考慮系統(tǒng)在外部擾動(dòng)下主要參數(shù)指標(biāo)的變化情況，本文以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速突變作為擾動(dòng)控制量，對(duì)比研究自抗擾控制器和傳統(tǒng)PID控制器對(duì)轉(zhuǎn)速擾動(dòng)的應(yīng)對(duì)效果，仿真結(jié)果如圖7所示。從圖7(a)、(b)可以看出：車載發(fā)電控制系統(tǒng)從開始工作到進(jìn)入穩(wěn)壓狀態(tài)，應(yīng)用不同的控制器得到的結(jié)果存在差異，在初始時(shí)刻，傳統(tǒng)PID控制器電壓上升較快，但存在一定超調(diào)，0.6 s左右輸出電壓能夠達(dá)到 750 V穩(wěn)定電壓輸出狀態(tài)，自抗擾控制器電壓上升相對(duì)較慢，但不存在超調(diào)，0.3 s左右即達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；在1.5 s時(shí)刻，轉(zhuǎn)速由1 900 r/min突降到1 400 r/min，傳統(tǒng)PID控制器電壓先降后升，經(jīng)過0.4 s左右重新達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，自抗擾控制器先降后緩升，經(jīng)過0.2 s左右即達(dá)到先前的穩(wěn)定狀態(tài)；在3 s時(shí)刻，轉(zhuǎn)速由1 400 r/min突升到1 900 r/min，傳統(tǒng)PID控制器電壓先升后降，經(jīng)過0.5 s左右重新達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，自抗擾控制器先升后緩降，經(jīng)過0.2 s左右即達(dá)到先前的穩(wěn)定狀態(tài)。由此可見：在電壓控制方面，自抗擾控制器能夠有效解決快速性和超調(diào)性之間的矛盾，在避免超調(diào)的情況下快速穩(wěn)定輸出電壓。

由圖7(c)可見：車載發(fā)電控制系統(tǒng)應(yīng)用自抗擾控制器后，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)幅值明顯小于傳統(tǒng)PID控制器，在擾動(dòng)跟隨時(shí)，能夠以較小的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)代價(jià)快速抑制擾動(dòng)影響。由圖7(d)可見：自抗擾控制器電流波動(dòng)幅值和頻率均小于傳統(tǒng)PID控制器。整體而言，在車載發(fā)電控制系統(tǒng)方面，自抗擾控制器比傳統(tǒng)PID控制器具有更好的控制效果，能夠有效抑制各種外部擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的穩(wěn)壓發(fā)電過程。

圖7 轉(zhuǎn)速擾動(dòng)下不同控制器效果對(duì)比分析

4 結(jié)論

筆者針對(duì)某型車載發(fā)電控制系統(tǒng)，搭建了基于MATLAB/Simulink的系統(tǒng)仿真模型，設(shè)計(jì)了自抗擾控制器，通過仿真實(shí)驗(yàn)研究了外加擾動(dòng)下的輸出電壓變化情況，并與傳統(tǒng)PID控制器的仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的自抗擾控制器的有效性。然而，本文主要從外部擾動(dòng)的角度研究了自抗擾控制器的作用效果，尚未將系統(tǒng)內(nèi)部的擾動(dòng)因素考慮到控制器設(shè)計(jì)過程中，下一步將更加全面地評(píng)估系統(tǒng)內(nèi)外擾動(dòng)因素，優(yōu)化自抗擾控制器結(jié)構(gòu)和參數(shù)，以提升車載發(fā)電控制系統(tǒng)的穩(wěn)壓輸出特性。

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(責(zé)任編輯: 尚彩娟)

Application of Auto Disturbance Rejection Controller in Vehicle Power Generation Control System

CHEN Lu-ming, LIAO Zi-li, LIU Chun-guang, XIANG Yu

(Department of Control Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

To reject speed variations, load changes, time-varying parameters and many other perturbations during the power generation process of vehicle power generation control system, an Auto Disturbance Rejection Controller (ADRC) is introduced into vehicle power generation control system to improve the accuracy of stable power generation. Under interference circumstances, the ADRC simulation results are compared with that of traditional PID controller. The results show that vehicle power generation control system with ADRC has a good performance in compensating external disturbance and stabilizing output voltage.

Auto Disturbance Rejection Controller (ADRC); PID controller; permanent magnet synchronous motor; stable power generation

1672-1497(2016)05-0064-05

2016-07-31

軍隊(duì)科研計(jì)劃項(xiàng)目

陳路明(1991-)，男，碩士研究生。

TP214;TM313

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2016.05.013