基于自抗擾控制器的柴油機轉速控制

張奇志，王 釗

（西安石油大學 鉆機控制技術重點實驗室， 西安 71003）

0 引言

在當今社會，人們對柴油機的要求越來越高，因此在柴油機的研究過程中，對其進行電子控制已經成為迫在眉睫的任務。而如今，柴油機的電子調速系統大多數還是采用PID控制器，但是當柴油機的轉速突然跳變時，由于輸出的慣性作用，使得輸出值不能跟隨躍變，從而導致轉速產生誤差；另外，由于PID控制的微分環節會對噪聲產生放大作用，因而實際系統中并無微分環節，因此我們一般都是采用PI控制，使得系統產生超調或者震蕩，從而無法達到正常的校正效果[1]。針對PID控制器效果的不理想，本文主要介紹了自抗擾控制技術，并且根據自抗擾控制技術設計了切實可行的ADRC控制器，通過PID和ADRC兩種控制方法的仿真測試，結果顯示，利用自抗擾控制理論設計的控制器，能夠有效地提高調速系統的精度和準確度，同時也增強了柴油機的抗擾動能力。

1 自抗擾控制原理

自抗擾控制技術(ADRC)是中國科學院研究員韓京清提出的一種不依賴系統模型的新型控制技術[2]。它是從PID控制演變過來的，吸取了經典PID“基于誤差來消除誤差”的控制策略，其發展始于一篇討論如何統一處理線性系統結構和反饋系統計算問題的論文中的一個重要結論；一個系統的積分器串聯型結構不僅是線性系統在線性反饋變換下的標準結構，也是一類非線性系統在非線性反饋變換下的標準結構[3]。換句話說，就是利用“自抗擾控制器”進行系統設計時，可以把系統中的許多不同因素歸類為對系統的這種或那種“擾動”，然后用“擴張狀態觀測器”進行估計、補償，使其變為線性系統的標準形、積分器串聯型，從而實現動態系統的動態反饋線性化。自抗擾控制器是由跟蹤微分器（Tracking Differentiator，TD）、擴張狀態觀測器（Extended State Observer，ESO）和非線性狀態誤差反饋(Nonlinear State Error Feedback)控制規律構成[4]，其結構圖如圖1所示。

圖1 自抗擾控制系統結構框圖

2 柴油機轉速自抗擾控制器的設計

2.1 柴油機調速系統的控制策略

常規PID控制是最早出現的控制器類型，因其具有結構簡單，實時性好等優點從而被廣泛用于過程控制中，但是PID控制需要被控對象的精確數學模型，而且難以處理非線性復雜控制系統[5]。自抗擾控制器由于它是由3個控制規律組成，對不同因素進行處理，補償，反饋從而使其對控制系統的數學模型要求不高，而柴油機調速控制具有非線性、時變性和不確定性等特點，采用常規PID控制與自抗擾控制器相比，后者顯得更加具有優勢。

2.2 柴油機轉速控制的數學模型

本文以某大型的船只柴油機為實際進行參考[5-6]，這種柴油機速度控制的數學模型為：

式中：Ka為電液執行機構的比例系數，Ka=1；Ta為時間常數，Ta=0.35 s；τa為純滯后環節，τa=0.05 s。

2.3 自抗擾控制器的設計

我們以上述柴油機的數學模型為被控對象：

而對f(x1,x2,ω(t),t)這個被控對象進行估計時需要使用一種典型的自抗擾控制器算法[2,4]如下：

非線性跟蹤微分器的過渡過程：

擴張狀態觀測器：

非線性校正組合：

對于函數fhan和fal的定義如下：

2.4 仿真模型的建立

根據以上建立的控制對象數學模型，利用MATLAB中的Simulink平臺，同時搭建PID和ADRC柴油機轉速控制系統[7]，其仿真框圖如圖2所示。

圖2 ADRC控制模型和PID控制模型

3 仿真結果及分析

在我們整定好PID參數，實驗設定柴油機的啟動轉速為100 r/min，系統穩定運行的情況下，在t=10 s時，給柴油機突加擾動，如圖3所示。

從仿真圖中我們可以看出，與PID控制相比較，自抗擾控制器在外界環境出現擾動時能夠降低10%的超調，使系統維持在穩定運行狀態，這是因為ADRC中擴張狀態觀測器將系統中含有的非線性動態，建模過程中出現的不確定性和外部環境變化都看成對系統的各種“擾動”，然后進行估計，補償使其變為線性系統的標準型，實現動態反饋線性化，使之達到對干擾很好的擬制作用[8]。

圖3 突加擾動時ADRC和PID仿真結果比較

當柴油機以100 r/min啟動后，在t=10 s時轉速增大為200 r/min，仿真圖如圖4（a）所示。

當柴油機以200 r/min運行時，在t=2 s后將轉速降低為50 r/min，等穩定運行后在t=16 s又將轉速調整為140 r/min，其仿真圖如圖4（b）所示。

圖4 轉速改變時ADRC和PID仿真結果比較

在圖4（a）、（b）中，自抗擾控制器分別使超調減少了將近9%和7%。經典PID控制器采用的是將比例，積分，微分3者之間進行簡單的加權求和，當輸入轉速短時間跳變，系統由于慣性繼續運行，輸出轉速只能逐漸過渡，無法躍變，繼而出現偏差，這種偏差經PID加權求和后放大，從而使得系統出現超調和震蕩； ADRC引入非線性環節構造出的非線性跟蹤微分器能夠克服由于輸入信號不連續、不可微導致微分信號失真的缺點，將輸入和輸出產生的誤差進行非線性處理，減小其控制量，從而減小了系統的穩態誤差和調高了系統的動態特性。

4 結論

柴油機轉速控制系統具有非線性，多變量，時變和強耦合的特點，本文通過對自抗擾控制器的簡單說明，提出了一種控制具有這些特點被控對象的新思路。通過仿真實驗，與傳統的PID控制器比較，可以看出基于自抗擾控制器的柴油機轉速控制系統能夠有效地減小系統的穩態誤差和改善系統的動態性能，使系統在外界擾動作用下能夠基本保持在穩定運行狀態，顯示其良好的應用前景。

[1]郭松山.電動機自抗擾控制技術研究綜述[J].機電技術,2009.

[2]韓京清.自抗擾控制技術[J].前沿科學季刊,2007,1(1):24-31.

[3]韓京清.從PID技術自抗擾控制技術[J].控制工程,2002(9).

[4]李玉東,胡大斌,夏極.自抗擾控制器在柴油機轉速控制中的應用[J].艦船科學技術,2010(11).

[5]戴花林,吳文海.柴油機數字式調速系統模型建立及仿真分析[J].自動化技術與應用,2007(09).

[6]江國和,劉西全,楊松林.船舶柴油機轉速智能控制系統仿真[J].柴油機,2005(7).

[7]顏純林.柴油機電子調速系統仿真設計[J].農機化研究,2006(9).

[8]馬幼捷,劉曾高,周雪松,王新志.基于自抗擾控制技術的發電機勵磁控制系統[J].控制工程,2008(11).

[9]周風余,單金明,王偉,陳景帥,阮久宏.基于ADRC的船舶航向控制器設計與仿真研究[J].山東大學學報:工學版,2009(01).