基于自適應參數調整的航空電源車電力穩定控制方法

馬建忠

（江蘇航運職業技術學院，江蘇 南通226010）

1 概述

航空電源車是機場上的移動發電站，其具備發電、供電功能。按照類型劃分電源車分為有三種，分別為自行電源車、拖帶電源車和固定電源車[1]。如果采用動力區分其則可分為兩種，分別為動力型電源車和發動機電源車。目前航空使用的電源車以上述類型中的自行電源車為主，并且為發動機動力[2]。其主要的作用是飛機起飛前用于啟動以及對飛機的各種電源進行檢查，其對于飛機的性能和安全飛行起到直接的影響。因此，本文針對PI 控制器在航空電源車電力穩定控制過程中使用情況，研究基于自適應參數調整的航空電源車電力穩定控制方法，對PI 控制器參數實行優化，確定最佳參數，以此保證電源車電力的穩定。

2 基于自適應參數調整的航空電源車電力穩定控制

2.1 航空電源車電流控制系統

2.1.1 控制系統框架

控制航空電源車電流，是保證其電力穩定的主要手段。設電流整定值、實際值和測量值分別用Ido、Id和Idmeas表示；整流器觸發角和電壓值分別用α 和Ud(0)表示，且后者屬于空載直流，并在有相空理想狀態下[3]。

開環傳遞函數的描述公式，其為：

式中：G(s)、G1(s)、G2(s)、G3(s)分別表示四種環節，依次分別對應PI 控制、換流器、直流線路和測量。

2.1.2 PI 控制

PI 控制環節是控制系統的主要環節，PI 控制器在對航空電源車電流控制過程中，發生動作的條件是Ido小于Idmeas、α 變大。其傳遞函數求解公式為：

式中：PI 的比例系數用Kp表示；積分系數用Ki表示，且兩者均為可調整參數。

2.2 參數調整優化原理

在保證航空電源車電力穩定的基礎上，確定最優控制參數，可提升系統的相應性能，該參數的尋找范圍是在Kp和Ki的可行域空間中完成[4]。

由于時間和絕對誤差積分的乘積性能指標J 具備良好的實用性，因此將其作為PI 參數的最佳調整方法，J 作為衡量穩態誤差和調節時間的綜合性能指標，其計算公式為：

其中：系統的輸入用r(t)表示，e(t)表示其與實際輸出的差值；u(t)和y(t)分別表示控制系統的控制量和輸出。

2.3 基于自適應量子粒子群算法的參數調整

傳統粒子群算法在執行過程中，存在收斂性較慢、穩定性較差等問題，是由于其自動默認全部粒子的慣性權重w 等同導致。因此，為提升收斂性和穩定性，w 的選擇需依據粒子自身和全局最佳結果的距離差異實行確定[5]，則w 的調整公式為：

式中：最大和最小慣性權值分別用wmax和wmin表示；fit(x)、fitw和fitb分別表示三種適應度，依次對應為粒子、最差粒子以及最佳粒子。利用上述調整公式，完成參數w 的調整，可在較大程度上提升算法的性能，使控制系統的控制性能更佳。

2.4 尋優步驟

基于自適應量子粒子群算法的參數調整的詳細步驟如下所述：

2.4.1 粒子群初始化：該過程包含w 調整、η2的調整、Kp、Ki、Kd的調整。

2.4.2 對粒子的位置和速度實施更新。

2.4.3 計算粒子的函數適應度值Ji。如果Ji的位置比最佳粒子位置好，那么用Ji替換最佳粒子位置；如果Ji的位置比最佳適應值好，那么用Ji替換最佳適應值。

2.4.4 判斷算法是否符合停止條件，符合轉至步驟2.4.7 ，反之轉至下一步。

2.4.5 對算法的停滯實行判斷，如果停止轉至下一步，反之回轉至步驟2.4.3 。

2.4.6 w 的調整需根據粒子適應度值的差異而確定各自的自適應調整策略。

2.4.7 輸出最優值。

3 測試分析

選取某機場使用的發電機類型航空電源車為研究對象，測試本文方法在參數調整后的電力穩定控制效果。該研究對象的交流為115V、直流為28V，電壓為220V，頻率為400Hz，且為三相交流電系統。電力穩定控制標準為：整流側直流電流整定值的控制波動范圍標準為小于0.2；階躍控制波動范圍標準為小于0.25。

實驗采用Matlab/Simulink 軟件完成，粒子群規模55，最大迭代次數120，加速常數為2.5，慣性權重范圍（0.51，0.97），粒子維數2。

3.1 參數調整后的電流階躍響應測試

為分析本文方法參數調整后的控制性能，整流側和逆變側直流電流階躍響應變化曲線，結果見圖1。

圖1 控制結果曲線變化測試結果

根據圖1 測試結果可知：參數調整前的整流側和逆變側直流電流階躍響應變化曲線均波動顯著，波動范圍均超出標準期望范圍；參數調整后的整流側和逆變側直流電流階躍響應變化曲線變化相對平穩，波動范圍均在期望標準范圍內。該結果表明：本文方法在對相應參數實行調整后，可顯著保障航空電源車電流階躍穩定性。

3.2 電力穩定控制效果測試

電力的穩定控制是方法最終的實現目標，為衡量本文方法對電力穩定性的最終控制結果，以參數調整前后研究對象的直流電流和電壓為衡量指標，測試本文方法的電力穩定控制結果，見圖2。

圖2 電力穩定性測試結果

根據圖2 測試結果可知：參數調整前控制后的電壓和電流的波動明顯，范圍較大；參數調整后的電壓和電流的波動范圍明顯減小，均在標準的電壓值220V 和電流值28A 上下波動。該結果表明參數調整后，對于航空電源車電力穩定性的控制效果更佳，滿足控制期望需求。

結束語

PI 控制器在實行航天電源車電力穩定控制過程中，其參數的取值對于控制效果具備直接影響，本文提出基于自適應參數調整的航空電源車電力穩定控制方法，提升PI 控制器對于電力穩定控制的性能，并對其的實際應用進行測試，結果表明：參數調整后，PI 控制器的相關控制參數均為全局最佳值，顯著提升控制器的控制性能，最大程度保證電力穩定性的控制。