燃-燃聯(lián)合動(dòng)力系統(tǒng)并車(chē)控制方法優(yōu)化

李健, 王志濤, 李鐵磊, 李淑英

(1.哈爾濱工程大學(xué) 動(dòng)力與能源工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001; 2.哈爾濱工程大學(xué) 工程訓(xùn)練中心,黑龍江 哈爾濱 150001)

燃-燃聯(lián)合動(dòng)力(combined gas turbine and gas turbine, COGAG)系統(tǒng)是指多臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)通過(guò)協(xié)調(diào)控制共同工作的動(dòng)力裝置。此裝置功率大、機(jī)動(dòng)性好,主要用于船舶推進(jìn)[1-2]。COGAG系統(tǒng)的工作模式靈活,為保證系統(tǒng)的機(jī)動(dòng)性及經(jīng)濟(jì)性,針對(duì)不同船速可選用不同的運(yùn)行模式。并車(chē)、解列為不同運(yùn)行模式切換時(shí)必需的動(dòng)態(tài)操作,此過(guò)程的控制效果直接影響船舶整體的動(dòng)態(tài)性能。國(guó)內(nèi)外專家對(duì)并車(chē)控制策略進(jìn)行了廣泛研究,主要包括:并列式、主從式和平行功率反饋式控制[3-4]。張振海[5]基于C++編程語(yǔ)言建立了燃?xì)廨啓C(jī)及其控制系統(tǒng)模型,采用仿真的方法驗(yàn)證了功率反饋控制方法的有效性。陳虞濤[6-7]基于雙機(jī)并車(chē)實(shí)驗(yàn)臺(tái)建立了其仿真模型,通過(guò)仿真的方法對(duì)比了主從控制、平行功率反饋控制和單調(diào)速控制這3種控制策略的優(yōu)劣。黎振宇[8]采用比例-積分-微分(proportional integral derivative, PID)控制算法設(shè)計(jì)了燃-燃聯(lián)合動(dòng)力裝置的并車(chē)控制器,通過(guò)仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了控制策略及控制算法的正確性。Xiros[9]基于從螺旋槳擾動(dòng)到輸出軸轉(zhuǎn)速的閉環(huán)傳遞函數(shù),設(shè)計(jì)了一種船舶系統(tǒng)魯棒PID控制方法,為并車(chē)過(guò)程主機(jī)調(diào)速器的設(shè)計(jì)提供了方法。Guillemette[10]利用卡爾曼濾波估計(jì)了當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)載擾動(dòng),將擾動(dòng)以一定增益比例放大后,與轉(zhuǎn)速信號(hào)一同反饋到調(diào)速器,降低了擾動(dòng)對(duì)調(diào)速器的影響。Van[11]提出多輸入、多輸出H無(wú)窮控制的調(diào)速器設(shè)計(jì)方法可有效防止船舶發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)載,降低轉(zhuǎn)速波動(dòng)。多數(shù)算法的設(shè)計(jì)與改進(jìn)主要是針對(duì)調(diào)速器部分,在與并車(chē)控制策略結(jié)合時(shí),不能很好地實(shí)現(xiàn)兼容。現(xiàn)有并車(chē)控制主要基于PID算法實(shí)現(xiàn),即使是改進(jìn)也是在其基礎(chǔ)上進(jìn)行控制參數(shù)優(yōu)化。PID被動(dòng)地基于誤差反饋來(lái)消除誤差,這樣的控制算法使其自身的調(diào)節(jié)滯后于擾動(dòng),當(dāng)控制力過(guò)大時(shí),系統(tǒng)可能出現(xiàn)振蕩與超調(diào)現(xiàn)象,而且容易出現(xiàn)積分飽和現(xiàn)象。自抗擾控制(active disturbance rejection control, ADRC)將控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化為積分串聯(lián)型系統(tǒng),其余未建模部分及系統(tǒng)不確定因素均被歸結(jié)為總擾動(dòng)[12]。ADRC算法具有較強(qiáng)的魯棒性和天然的解耦性,而且建模方法簡(jiǎn)單,非常適合COGAG系統(tǒng)并車(chē)控制設(shè)計(jì)。

由于傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,離合器、齒輪箱等部件機(jī)械耦合現(xiàn)象明顯,0維模型精度不足,本文采用多平臺(tái)聯(lián)合仿真的方法,對(duì)系統(tǒng)不同模塊分別建立不同維度仿真模型,通過(guò)開(kāi)發(fā)接口模塊集成建立COGAG系統(tǒng)模型。對(duì)線性ADRC算法進(jìn)行研究,設(shè)計(jì)了PD-ADRC串級(jí)并車(chē)控制器,基于模型模擬系統(tǒng)并車(chē)、解列過(guò)程,驗(yàn)證控制方法的有效性和優(yōu)越性。

1 燃-燃聯(lián)合動(dòng)力系統(tǒng)仿真模型

COGAG裝置左舷側(cè)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。燃?xì)廨啓C(jī)各自通過(guò)一臺(tái)SSS離合器與傳動(dòng)系統(tǒng)相連接,燃?xì)廨啓C(jī)經(jīng)由齒輪箱減速將功率傳遞至螺旋槳。螺旋槳產(chǎn)生推力,克服阻力推動(dòng)船舶前進(jìn)。裝置左右舷側(cè)為對(duì)稱結(jié)構(gòu),本文以裝置左舷側(cè)為對(duì)象進(jìn)行控制方法研究。

圖1 COGAG左舷側(cè)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic of the port side of COGAG

1.1 燃?xì)廨啓C(jī)模型

分別對(duì)壓氣機(jī)、渦輪、燃燒室進(jìn)行模塊化建模,采用容積慣性法集成建立燃?xì)廨啓C(jī)模型[13-15]。

1)壓氣機(jī)及渦輪模型。

建立壓氣機(jī)特性計(jì)算模塊時(shí),確定折合流量、壓比、效率、折合轉(zhuǎn)速這4個(gè)參數(shù)中的2個(gè),壓氣機(jī)的工作狀態(tài)就可以確定,進(jìn)而得到其他2個(gè)特性參數(shù)。

折合流量Gcor、工作效率ηc分別為:

(1)

(2)

采用變比熱法建立壓氣機(jī)熱力性能計(jì)算模塊,以理想氣體特性處理壓氣機(jī)中的空氣可得:

Scout,s=Scin+Rgln(pcout/pcin)

(3)

式中:Scout,s為絕熱條件下壓氣機(jī)出口熵函數(shù);Scin為壓氣機(jī)進(jìn)口熵函數(shù);Rg為空氣的氣體常數(shù)。熵函數(shù)為工作的狀態(tài)參數(shù),只與溫度有關(guān),進(jìn)而根據(jù)熱力特性計(jì)算壓氣機(jī)進(jìn)出口工質(zhì)的溫度和焓值。

渦輪部件的建模方法與壓氣機(jī)類似,不再贅余。需要說(shuō)明,本文所采用的壓氣機(jī)及渦輪的特性線數(shù)據(jù)均取自于Gasturb商業(yè)軟件。

2)燃燒室模型。

考慮燃燒室的容積慣性與熱慣性,根據(jù)質(zhì)量能量守恒定律可得:

(4)

hBout(GBin+Gf-GBout)]/(PBoutVCp)

(5)

式中:PBout為燃燒室出口壓力;TBout為出口燃?xì)鉁囟?VB為燃燒室容積;GBin、Gf、GBout分別為進(jìn)口空氣流量、燃油流量、出口燃?xì)饬髁?hBin為進(jìn)口空氣焓值;hBout為出口燃?xì)忪手?Cp為燃?xì)獗葻?k為絕熱系數(shù);V為體積。

3)轉(zhuǎn)子模塊。

在渦輪驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)及輸出功率的過(guò)程中,轉(zhuǎn)子動(dòng)力方程可表示為:

(6)

式中:n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速;NA、NL分別為主動(dòng)功率和負(fù)載功率;I為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;τ為時(shí)間。

4)容積模塊。

容積慣性表征了有限空間中質(zhì)量積累效應(yīng),一般在部件連接部分及氣體流通管路部分給予考慮。根據(jù)質(zhì)量守恒定律,容積慣性模塊可表示為:

(7)

式中:P為容積內(nèi)氣體平均壓力;Tout為出口溫度;Gin、Gout分別為容積進(jìn)出口流量。

1.2 螺旋槳及船體模型

螺旋槳相對(duì)于水的軸向速度稱為進(jìn)速,可表示為:

VA=Vs(1-ω)

(8)

式中:VA為螺旋槳進(jìn)速;Vs為船速;ω為伴流分?jǐn)?shù)。

螺旋槳進(jìn)速系數(shù)J為:

(9)

式中:hp為螺旋槳進(jìn)程;nsp為螺旋槳轉(zhuǎn)速;D為螺旋槳直徑。

基于進(jìn)速系數(shù)J與螺距比H,通過(guò)相應(yīng)函數(shù)關(guān)系可求解推力系數(shù)KT與扭矩系數(shù)KQ為:

KT=g1(J,H)

(10)

KQ=g2(J,H)

(11)

螺旋槳推力Tp和扭矩Mp為:

(12)

(13)

螺旋槳提供的有效推力Te為:

Te=(1-tp)Tp

(14)

式中tp為推力減額系數(shù)。

本文采用Holtrop-Menner法計(jì)算相應(yīng)船舶阻力,基于動(dòng)量定律建立船速模型為:

(15)

式中:R為船舶阻力;ms為船體質(zhì)量。

1.3 傳動(dòng)系統(tǒng)模型

傳動(dòng)系統(tǒng)的仿真模型主要包括SSS離合器、齒輪箱與必要的連接軸。

1)SSS離合器。

同步自動(dòng)切換離合器,簡(jiǎn)稱SSS離合器,主要由主動(dòng)件、中間件和從動(dòng)件3部分組成[16-17]。當(dāng)主動(dòng)件轉(zhuǎn)速高于從動(dòng)件轉(zhuǎn)速,離合器自動(dòng)接合;當(dāng)主動(dòng)件轉(zhuǎn)速低于從動(dòng)件轉(zhuǎn)速,離合器自動(dòng)脫開(kāi)。主動(dòng)件、中間件以及從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程可表示為:

(16)

(17)

(18)

式中:Md為輸入動(dòng)力矩;Mr1為主動(dòng)件的阻力矩,主要包括螺旋齒上阻力矩、齒面摩擦力矩、結(jié)合面處摩擦力矩;Mr2為中間件阻力矩,主要包括從動(dòng)件施加的阻力矩和驅(qū)動(dòng)齒嚙合產(chǎn)生的摩擦力矩;Ml為負(fù)載力矩;I1、I2、I3分別為主動(dòng)件、中間件與從動(dòng)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;w1、w2、w3為主動(dòng)件、中間件與從動(dòng)件角速度。

中間件相對(duì)主動(dòng)件做螺旋運(yùn)動(dòng),中間件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律為:

(19)

(20)

式中:v2為中間件軸向速度;L2為中間件軸向位移;Dt為螺旋齒分度圓直徑;β為螺旋齒螺旋角。

2)齒輪箱。

多輸入齒輪箱用于減速與傳遞扭矩,運(yùn)動(dòng)學(xué)方程可表示為:

(Mi1ni1+Mi2ni2)ηg=Mo1no1

(21)

式中:Mi1與Mi2為輸入扭矩;Mo1為輸出扭矩;ni1與ni2為輸入軸轉(zhuǎn)速;no1為輸出軸轉(zhuǎn)速;ηg為效率。

傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行原理復(fù)雜,存在明顯的機(jī)械耦合現(xiàn)象。為保證仿真精度,本文建立了COGAG裝置的傳動(dòng)裝置,如圖2所示三維動(dòng)力學(xué)模型。在CREO軟件建立各部件的三維模型,進(jìn)行裝配集成后,導(dǎo)入到動(dòng)力學(xué)軟件Adams中。模型的屬性及約束設(shè)置參見(jiàn)文獻(xiàn)[2]的方法實(shí)現(xiàn)。

圖2 傳動(dòng)裝置仿真模型Fig.2 Simulation model of transmission device

1.4 協(xié)同仿真

燃?xì)廨啓C(jī)模型與螺旋槳船體模型均是基于數(shù)學(xué)模型編程建立,傳動(dòng)系統(tǒng)模型是在Adams軟件中基于三維模型建立的,需要將不同部件模塊進(jìn)行集成。本文在Adams中利用C語(yǔ)言編譯生成接口模塊,利用德國(guó)TLK-Thermo GmbH公司的TISC軟件實(shí)現(xiàn)接口調(diào)用與協(xié)同仿真。設(shè)置傳動(dòng)系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)為各臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩;系統(tǒng)的輸出參數(shù)為SSS離合器滑移距離、SSS離合器扭矩、螺旋槳轉(zhuǎn)速。在Adams中生成接口模塊時(shí),需要保證設(shè)置的仿真步長(zhǎng)與TICS仿真平臺(tái)通訊步長(zhǎng)一致,同時(shí)保證各部件模塊的初始相互匹配。接口模塊如圖3所示。

圖3 傳動(dòng)裝置接口模塊Fig.3 Interface module of transmission device

1.5 模型驗(yàn)證

在額定工況下,三軸燃?xì)廨啓C(jī)的仿真值與試驗(yàn)值對(duì)比如表1所示。與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比,各部件的仿真數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差均在3.2%以內(nèi),本文建立的燃-燃聯(lián)合動(dòng)力系統(tǒng)的準(zhǔn)確性得到驗(yàn)證。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比Table 1 Comparison of experiment data and simulation data

2 并車(chē)控制方法研究

2.1 線性ADRC算法

燃?xì)廨啓C(jī)為一階動(dòng)態(tài)系統(tǒng)[18],可表示為:

(22)

式中:y為輸出變量;u為輸入變量;t為時(shí)間;w為外部擾動(dòng);b為增益。可以將其分解為b的估計(jì)值b0和估計(jì)偏差(b-b0)共2部分。式(22)可表示為:

(23)

式中:f=h+(b-b0)u,表示總擾動(dòng)。

ADRC算法的思路是對(duì)總擾動(dòng)進(jìn)行估計(jì),從而在設(shè)計(jì)控制器時(shí)將這部分抵消,簡(jiǎn)化需要控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。設(shè)置控制率為:

(24)

(25)

由式(25)可以看出,如果總擾動(dòng)的估計(jì)準(zhǔn)確,系統(tǒng)則可以簡(jiǎn)化為:

(26)

式(26)可以利用簡(jiǎn)單的P控制實(shí)現(xiàn):

u0=kp(r-y)

(27)

式中r為控制目標(biāo)設(shè)定值。

為得到總擾動(dòng)的估計(jì)值,令x1=y,x2=f,式(23)可改寫(xiě)成狀態(tài)空間方程的形式:

(28)

為式(28)系統(tǒng)設(shè)計(jì)狀態(tài)觀測(cè)器:

(AE-LCE)Z+BEu+Ly

(29)

基于狀態(tài)觀測(cè)器的估計(jì)值,式(24)控制率為:

(30)

式中:KE=[kp/b01/b0],N=kp/b0。

分別將式(30)代入到式(28)與式(29),可得閉環(huán)系統(tǒng)與補(bǔ)償系統(tǒng)的特征方程:

det(sI-(AE-BEKE))=0

(31)

det(sI-(AE-BEKE-LCE))=0

(32)

式中s分別為各自特征方程的根。

分別求解式(31)與(32),采用帶寬參數(shù)化調(diào)節(jié)方法[19],可得:

kp=wc

(33)

(34)

式中:wc表示閉環(huán)系統(tǒng)的帶寬;w0表示狀態(tài)觀測(cè)器的帶寬。所以在針對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)線性ADRC控制器時(shí),只需調(diào)節(jié)wc、w0和b0即可。

2.2 并車(chē)控制策略

并車(chē)過(guò)程可分為2個(gè)階段,首先空載機(jī)提升轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)速略高于工作機(jī)的轉(zhuǎn)速時(shí),輕載機(jī)通過(guò)SSS離合器進(jìn)入系統(tǒng),這一過(guò)程稱為轉(zhuǎn)速同步;隨后工作機(jī)將部分功率轉(zhuǎn)移至空載機(jī),直至功率分配平衡,這一過(guò)程稱為負(fù)荷轉(zhuǎn)移。平行功率反饋策略下的2個(gè)控制器不分主從,同時(shí)反饋各自的轉(zhuǎn)速、功率參數(shù)到控制器中。可以控制并車(chē)前后的轉(zhuǎn)速與功率平衡,穩(wěn)定性較好,本文采用此種控制策略。

以圖1的左舷側(cè)2臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)的并車(chē)過(guò)程為例。輸入變量為2臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)的燃油流量,若將2臺(tái)燃機(jī)的功率作為輸出變量,在并車(chē)過(guò)程可以通過(guò)功率偏差控制燃油流量,隨后需要切換到基于轉(zhuǎn)速差控制并車(chē)后系統(tǒng)的加速過(guò)程,涉及到無(wú)擾切換過(guò)程,控制過(guò)程復(fù)雜,系統(tǒng)穩(wěn)定性會(huì)受到挑戰(zhàn)。

本文對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)環(huán)辨識(shí),在0.5船速下(本文所有數(shù)據(jù)均進(jìn)行歸一化處理),2臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)功率分配平衡時(shí),分別對(duì)2臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)的燃油流量作當(dāng)前燃油量1%階躍,比較2#燃機(jī)的功率變化:

ΔNe1-2/ΔNe2-2=1.2%

(35)

式中:ΔNe1-2為1#燃機(jī)燃油流量變化引起的2#燃機(jī)功率變化;ΔNe2-2為2#燃機(jī)燃油流量變化引起的2#燃機(jī)功率變化。

在負(fù)荷分配過(guò)程中,1#燃機(jī)燃油流量變化對(duì)于2#燃機(jī)輸出功率的影響很小,相比于2#燃機(jī)燃油流量引起的功率變化,其影響可以忽略。故而可以分別單獨(dú)設(shè)計(jì)控制回路。

為避免控制切換過(guò)程,同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)并車(chē)及并車(chē)后的控制操作,本文采用PD-ADRC串級(jí)控制設(shè)計(jì)并車(chē)控制器。通過(guò)外環(huán)的PD回路計(jì)算設(shè)定轉(zhuǎn)速,通過(guò)內(nèi)環(huán)線性ADRC回路控制燃?xì)廨啓C(jī)的燃油流量,實(shí)現(xiàn)功率轉(zhuǎn)移。控制回路如圖4所示。

圖4 PD-ADRC控制回路示意Fig.4 Diagram of PD-ADRC control circuit

在并車(chē)過(guò)程中需要保證系統(tǒng)總功率的平穩(wěn),本文將反饋的總功率與相應(yīng)燃機(jī)的功率分配系數(shù)相乘,作為不同燃機(jī)的目標(biāo)功率。由于各燃機(jī)的比例系數(shù)總和為1,這樣即可保證不同燃機(jī)的目標(biāo)功率的總和與系統(tǒng)總功率實(shí)時(shí)相等。可以通過(guò)調(diào)節(jié)功率分配系數(shù)實(shí)現(xiàn)2臺(tái)燃機(jī)的不同功率分配比例。當(dāng)需要2臺(tái)燃機(jī)功率平均分配時(shí),比例系數(shù)設(shè)置為0.5。基于目標(biāo)功率與反饋功率的偏差在PD控制器中計(jì)算設(shè)定轉(zhuǎn)速;基于設(shè)定轉(zhuǎn)速與反饋轉(zhuǎn)速的偏差通過(guò)線性ADRC控制算法實(shí)現(xiàn)燃機(jī)燃油流量的控制,從而完成功率轉(zhuǎn)移過(guò)程。

集成控制器與各部件模型,建立的COGAG系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

3 并車(chē)/解列仿真試驗(yàn)與分析

基于集成建立的COGAG模型及設(shè)計(jì)的控制器,進(jìn)行COGAG系統(tǒng)左舷側(cè)并車(chē)、解列仿真試驗(yàn)。

3.1 并車(chē)仿真試驗(yàn)

仿真實(shí)驗(yàn)操作條件為前20 s時(shí)1#燃機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)螺旋槳,此時(shí)2#燃機(jī)為空載狀態(tài),只發(fā)出小部分功率以克服阻力。在20 s時(shí)給出并車(chē)指令,使2#燃機(jī)并入系統(tǒng);40 s時(shí)給出負(fù)荷分配指令,2臺(tái)燃機(jī)的功率進(jìn)行平均分配,120 s仿真結(jié)束。圖6為并車(chē)過(guò)程系統(tǒng)運(yùn)行特性曲線。

圖6 并車(chē)過(guò)程COGAG系統(tǒng)運(yùn)行特性Fig.6 Operation characteristics of COGAG system during the merging operation

在20 s開(kāi)始進(jìn)行并車(chē)時(shí),2#燃機(jī)的燃油流量略有增加,這一側(cè)SSS離合器的主動(dòng)件轉(zhuǎn)速升高,中間件向主動(dòng)件移動(dòng),滑移距離減小。在25 s左右滑移距離變?yōu)?,主動(dòng)件與從動(dòng)件完全接合,2#燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)入系統(tǒng)。本文建立的傳動(dòng)系統(tǒng)模型是通過(guò)施加阻尼力模擬SSS離合器的阻尼油腔結(jié)構(gòu)。在油阻尼的作用下,主動(dòng)件在SSS離合器快要接合之前就需要克服一定的阻力,從而使SSS離合器的傳遞力矩在接合之前就開(kāi)始增大,所以在23 s左右,2#燃機(jī)的功率與扭矩也會(huì)由于克服阻尼力略有變化。隨后在40 s時(shí),開(kāi)始進(jìn)行負(fù)荷分配過(guò)程。在并車(chē)控制器的作用下,1#燃機(jī)的燃油流量減小,2#燃機(jī)的燃油流量增大,1#燃機(jī)逐漸將部分功率轉(zhuǎn)移至2#燃機(jī),直至2臺(tái)燃機(jī)的功率分配平衡。由于此時(shí)兩側(cè)的SSS離合器均一直處于接合狀態(tài),所以傳遞扭矩的變化規(guī)律與功率一致。由圖7可知,2臺(tái)燃機(jī)在負(fù)荷分配完成時(shí),不會(huì)出現(xiàn)功率分配不平衡現(xiàn)象,功率分配控制精度較高。設(shè)計(jì)的PD-ADRC串級(jí)控制回路可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的并車(chē)過(guò)程。

圖7 功率轉(zhuǎn)移過(guò)程COGAG系統(tǒng)運(yùn)行特性Fig.7 Operation characteristics of COGAG system during power transfer process

分別在PD-ADRC控制與傳統(tǒng)的平行功率反饋PID控制[20-21]下,設(shè)置不同的功率分配系數(shù)(系數(shù)設(shè)置為0.5、0.6及0.4)進(jìn)行功率轉(zhuǎn)移仿真試驗(yàn)。前10 s,1#燃機(jī)為系統(tǒng)提供功率,2#燃機(jī)雖然并入系統(tǒng),但尚未承擔(dān)負(fù)載。在10 s時(shí)給出指令進(jìn)行功率轉(zhuǎn)移,直至80 s仿真結(jié)束,功率轉(zhuǎn)移特性如圖7所示。

PD-ADRC可根據(jù)實(shí)際需求實(shí)現(xiàn)不同分配比例的功率轉(zhuǎn)移控制。比例系數(shù)為0.5時(shí),PD-ADRC控制下的2臺(tái)燃機(jī)用時(shí)21 s即可達(dá)到功率平衡,比PID控制的功率轉(zhuǎn)移快了近30 s。雖然功率變化的速度較快,但并未出現(xiàn)功率超調(diào)與振蕩現(xiàn)象。在傳統(tǒng)的PID的控制下,隨著功率轉(zhuǎn)移,功率變化曲線的斜率逐漸減小,轉(zhuǎn)移速度逐漸變慢。PD-ADRC控制下的功率在平衡前一直保持著較快的變化速率。比例系數(shù)為0.6與0.4時(shí),表現(xiàn)出了相同的變化規(guī)律。對(duì)比PID控制,PD-ADRC控制可以縮短功率分配所需時(shí)間,提高系統(tǒng)機(jī)動(dòng)性。

3.2 解列仿真試驗(yàn)

前20 s,2臺(tái)燃機(jī)提供相同的功率共同驅(qū)動(dòng)螺旋槳。在20 s時(shí)給出負(fù)荷轉(zhuǎn)移指令,2#燃機(jī)將功率轉(zhuǎn)移至1#燃機(jī)。在100 s時(shí)給出解列指令,2#燃機(jī)從系統(tǒng)中脫開(kāi),由1#燃機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)負(fù)載,140 s仿真結(jié)束。圖8為解列過(guò)程系統(tǒng)運(yùn)行特性曲線。

圖8 解列過(guò)程COGAG系統(tǒng)運(yùn)行特性Fig.8 Operation characteristics of COGAG system during the separating operation

當(dāng)給出負(fù)荷轉(zhuǎn)移指令后,在并車(chē)控制器的作用下,1#燃機(jī)燃油流量增大,2#燃機(jī)燃油流量減小,2#燃機(jī)迅速將功率轉(zhuǎn)移至1#燃機(jī)。此時(shí)兩側(cè)的SSS離合器均處于接合狀態(tài),離合器傳遞力矩的變化規(guī)律與燃機(jī)功率變化規(guī)律一致。當(dāng)100 s給出解列指令時(shí),2#燃機(jī)的燃油量迅速下降,SSS離合器的主動(dòng)件迅速與從動(dòng)件脫開(kāi),由于此時(shí)2#燃機(jī)還會(huì)承擔(dān)小部分的功率,當(dāng)其從系統(tǒng)脫開(kāi)時(shí),2#燃機(jī)的功率與傳遞力矩均會(huì)發(fā)生小的向下階躍。同時(shí)本由2#燃機(jī)承擔(dān)的這部分功率會(huì)轉(zhuǎn)由1#燃機(jī)承擔(dān),這一不連續(xù)過(guò)程會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊,1#燃機(jī)的功率與傳遞扭矩會(huì)突增,隨著系統(tǒng)將這一突變沖擊消化,系統(tǒng)恢復(fù)平穩(wěn)運(yùn)行。

圖9為雙機(jī)解列時(shí)的功率轉(zhuǎn)移特性對(duì)比。由圖可知,本文設(shè)計(jì)的PD-ADRC控制器同樣可以縮減解列過(guò)程中負(fù)荷轉(zhuǎn)移的所需時(shí)間。

圖9 解列過(guò)程功率轉(zhuǎn)移特性Fig.9 Power transfer characteristic of COGAG system during the separating operation

4 結(jié)論

1)通過(guò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)環(huán)辨識(shí)發(fā)現(xiàn),在負(fù)荷分配過(guò)程中,一臺(tái)燃機(jī)燃油流量變化引起另一臺(tái)燃機(jī)的輸出功率變化很小,相比于由自身燃油流量引起的變化,其影響可以忽略。故而可以為并車(chē)過(guò)程的各燃機(jī)分別單獨(dú)設(shè)計(jì)控制回路。

2)在并車(chē)開(kāi)始階段,SSS離合器在快要接合時(shí)需要克服一定的阻尼力,此時(shí)燃機(jī)的功率與傳遞力矩均會(huì)略有增大;在解列過(guò)程中,當(dāng)輕載機(jī)從系統(tǒng)脫開(kāi)時(shí),本由輕載機(jī)承載的小部分功率瞬間轉(zhuǎn)移至重載機(jī),這一過(guò)程會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊,重載機(jī)的功率及傳遞扭矩會(huì)突增。隨著系統(tǒng)將這一功率沖擊消化,系統(tǒng)恢復(fù)平穩(wěn)運(yùn)行。

3)PD-ADRC串級(jí)控制器可以有效地實(shí)現(xiàn)COGAG系統(tǒng)的并車(chē)、解列過(guò)程,負(fù)荷轉(zhuǎn)移時(shí)不存在功率超調(diào)和振蕩現(xiàn)象。與PID控制相比,可以提高負(fù)荷分配過(guò)程的系統(tǒng)機(jī)動(dòng)性。本文提出的控制結(jié)構(gòu)與方法,不局限于燃-燃聯(lián)合動(dòng)力系統(tǒng),同樣適用于以其他類型主機(jī)作為動(dòng)力源的聯(lián)合動(dòng)力系統(tǒng),為多機(jī)系統(tǒng)控制提供了思路與方法。