CN110878720A - 一种基于滑模控制的柴油机调速控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于滑模控制的柴油机调速控制方法调速方法。包括：步骤一，建立用于调速控制的柴油机全工况非线性模型，采用实测数据对模型参数进行参数辨识；步骤二，确定反馈线性化环节中相关参数，将步骤一中所建立的柴油机非线性模型转换为伪线性模型；步骤三，基于步骤二确定的伪线性模型，设计滑模控制器；步骤四，调节滑模控制器参数，实现柴油机调速控制。本发明能够在全工况范围内完成柴油机调速，具有调节时间短，响应速度快和抗干扰能力强等优点，可为船舶航向航速控制、航迹规划、动力定位及船舶喷水推进智能矢量控制等提供技术支撑。

Description

一种基于滑模控制的柴油机调速控制方法

技术领域

本发明涉及柴油机调速控制技术领域中一种船舶喷水推进系统的柴油机调速方法，具体地，涉及一种基于滑模控制的柴油机调速控制方法。

背景技术

喷水推进技术具有较高的推进效率和操纵性，广泛应用于各类高性能船舶。船舶喷水推进装置中多采用柴油机作为动力来源，因此，柴油机调速系统的控制性能对船舶高效、稳定和安全运行具有重要意义。目前在船舶喷水推进系统中柴油机多采用机械调速器，简单可靠，但是调速控制精度不高。

柴油机运行过程中通常存在未知干扰和不确定性，包括建模误差、外部干扰和测量噪声等，导致控制系统性能下降甚至失稳。反馈线性化是一种逆系统方法，通过将状态变量以非线性形式反馈到输入的方式，是实现非线性模型线性化的一种方法，具有保留高阶非线性、全局适用、线性化精确等优点，从而可利用线性滑模控制方法设计柴油机调速控制器。

对现有技术的检索发现：

1、申请号为：201410117081.3，申请日为：2014-3-27，公开了《一种船舶双燃料发动机调速系统及调速方法》，采用转速闭环计算发动机每循环所需的当量燃料喷射量，再查询燃油燃气分配比MAP图分配给燃油和燃气，最后控制器控制供油量调整执行器和燃气喷射执行器实现给定燃油量和燃气量喷射，该发明需要配备大量的辅助传感器如进气管温度压力传感器，上止点位置传感器，排气管温度压力传感器等，实施难度大。

2、申请号为：201210183885.4，申请日为：2012-11-21，公开了《基于强化学习PID控制器的柴油机电子调速方法》，通过实时评估和更新PID参数，实现了柴油机调速控制，但强化学习收敛速度慢，且由于缺少机理模型，控制器设计易受样本数据干扰，并不适用于工程应用。

经过对现有文献检索后发现：

李俊舟等在《微电脑应用》(2017年05期第33卷)提到了一种基于反馈线性化的柴油机PID控制策略，与常规PID及机械调速器相比，具有响应速度快，超调量小等优点，然而PID控制算法鲁棒性较差，对实际船舶运行中的低频高频噪声的抗干扰能力较差，在一定程度上影响了柴油机转速控制效果。

综上所述，到目前为止，使用反馈线性化与滑模控制器相结合的柴油机调速方法未见报道，上述检索到的间接相关研究成果，均不适用于全工况下柴油机的快速稳定调速。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足，本发明的目的是提供一种基于滑模控制的柴油机调速控制方法，能够实现全工况下柴油机的快速稳定调速，具有一定的抗干扰能力，且实施成本低。

本发明是通过以下技术方案实现的。

一种基于滑模控制的柴油机调速控制方法，包括以下步骤：

S1，建立用于调速控制的柴油机全工况非线性模型，采用柴油机调速输入输出实测数据对模型参数进行辨识；

S2，确定柴油机调速系统反馈线性化环节中相关参数，将S1中所建立的柴油机全工况非线性模型转换为伪线性模型；

S3，基于S2中确定的伪线性模型，设计滑模控制器；

S4，调节滑模控制器参数，实现柴油机调速控制。

优选地，所述S1中，建立的柴油机全工况非线性模型为：

其中，M_i为指示转矩，单位为N·m；M_f为摩擦转矩，单位为N·m；M_l为负载转矩，单位为N·m；J_c为柴油机的当量转动惯量，单位为kg·m²；n为柴油机转速，单位为rpm；q_mf为循环喷油量，单位为kg/s；H_L为燃油热值为常量，单位为kJ/kg；u为柴油机油门位置经模数转换后得到的无量纲数字量；η_i为燃油效率；C_m为活塞平均速度，单位为m/s；k₁，k₂，k₃，k₄分别为比例系数；

为了便于参数辨识，将式(1)整理为如下形式：

则：

其中：n为主机转速，α₁～α₇分别为待辨识参数。需要说明的是，α₁～α₇没有实际物理意义，只是为了便于辨识而将原公式整理为采用待辨识参数进行表示的形式，α₁～α₇中包含的有物理含义通过其组成参数的含义得到表示。

优选地，将式(2)离散化并进行模型参数辨识，得到模型的最优化目标函数为：

-10≤α₁≤10

-1≤α₂≤1

-0.1≤α₃≤0.1

-100≤α₄≤100

-10≤α₅≤10

-0.0001≤α₆≤0.0001

-0.01≤α₇≤0.01

式中：L为最优化问题的目标函数；y_m(i)和y(i)分别是i时刻的柴油机转速测量值和模型计算值，α₁～α₇分别为待辨识参数。

优选地，所述柴油机调速输入输出实测数据通过柴油机数据采集系统测量柴油机主机转速和油门位置角度获得；

所述柴油机数据采集系统，包括：单片机以及与单片机相连的油门控制电机；其中：

油门位置角度数据通过油门控制电机角度信号经AD转换后得到无量纲数字量来表示；主机转速数据通过定时间测量法(“基于滑模变结构理论的电控柴油机速度控制研究”,易小兵.武汉理工大学博士学位论文,2013.)得到；主机转速数据和油门位置角度数据均通过单片机计算完成。

优选地，所述油门控制电机角度信号的变化范围为：75°～105°，相应地，无量纲数字量变化范围为：1131～2180。

优选地，通过单片机计算完成的主机转速数据和油门位置角度数据，按照固定的数据帧格式通过RS232串口传回PC机端保存。

优选地，所述S2中，根据S1建立的模型，取f(n)＝α₄n+α₅+α₆n²，g(n)＝α₁+α₂n+α₃n²，根据反馈线性化方法，将调速系统中反馈线性化环节设计为

其中v为等效控制变量，则柴油机全工况非线性模型转换为伪线性模型为：

优选地，所述S3中，滑模控制器包括如下两部分：

-柴油机调速系统在连续控制下的正常运动部分，该部分在状态空间中的运动轨迹全部位于切换线以外或有限的穿过切换面；该部分用于约束调速系统状态到达滑模面的运动速度，以减小滑模控制抖振，同时保证趋近速度；

-柴油机调速系统沿滑模面渐进稳定地运动到平衡点的滑动模态部分。

优选地，所述S3中，设计滑模控制器的方法，包括如下步骤：

定义滑模控制器的控制误差e为：

e＝r-y (4)

其中，r为柴油机模型转速输出，y为柴油机期望转速输入；

根据线性系统中滑模切换线选择偏差及其导数的线性组合的原则，取：

S＝ME＝0 (5)

其中，r为柴油机模型转速输出，y为柴油机期望转速输入；

根据线性系统中滑模切换线选择偏差及其导数的线性组合的原则，取：

S＝ME＝0 (5)

其中，S为滑模面；M＝[m 1],

m＞0，

为控制误差的倒数；

采用基于趋近律的设计方法，其中指数趋近律为：

其中，

为滑膜面的倒数，ε和λ为滑模控制器参数，ε>0，λ>0；联立式(3)～(6)可得滑模控制器的滑模控制律：

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明提供的一种基于滑模控制的柴油机调速控制方法，可以实现全工况范围内柴油机调速，与纯机械调速器控制和常规PID+机械调速器控制策略相比，响应速度快，调节时间短，抗干扰能力强，对实现船舶的航向航速协调控制具有重要应用价值。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例中柴油机调速系统示意图；

图2为本发明一实施例中柴油机数据采集系统示意图；

图3为本发明一实施例中反馈线性化环节示意图；

图4为本发明一实施例中三种调速方法突降负载柴油机转速响应曲线；

图5为本发明一实施例中三种调速方法突加负载柴油机转速响应曲线；

图6为本发明一实施例中三种调速方法在外界干扰下转速阶跃响应曲线；

图7为本发明一实施例中基于滑模控制的柴油机调速控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供了一种基于滑模控制的柴油机调速控制方法，包括以下步骤：

步骤一、建立用于调速控制的柴油机全工况下的非线性模型，采用柴油机调速输入输出实测数据对柴油机全工况下的非线性模型参数进行辨识；

柴油机全工况下的非线性数学模型可表示为：

其中，M_i为指示转矩，单位为N·m；M_f为摩擦转矩，单位为N·m；M_l为负载转矩，单位为N·m；J_c为柴油机的当量转动惯量，单位为kg·m²；n为柴油机转速，单位为rpm；q_mf为循环喷油量，单位为kg/s；H_L为燃油热值为常量，单位为kJ/kg；u为柴油机油门位置经模数转换后得到的无量纲数字量；η_i为燃油效率主要受空燃比影响，受转速影响较小；C_m为活塞平均速度，单位为m/s；k₁，k₂，k₃，k₄为比例系数。

为了便于参数辨识，将式(1)整理为如下形式：

则：

进一步地，将式(2)写成离散化形式并进行模型参数辨识，其最优化目标函数可设计为：

-10≤α₁≤10

-1≤α₂≤1

-0.1≤α₃≤0.1

-100≤α₄≤100

-10≤α₅≤10

-0.0001≤α₆≤0.0001

-0.01≤α₇≤0.01

式中：y_m(i)和y(i)分别是i时刻的柴油机转速测量值和模型计算值，α₁～α₇分别为用于辨识的待辨识参数。

使用柴油机数据采集系统获得参数辨识所需要的输入输出数据，其中，油门位置的测量值(即角度数据)是用油门控制电机角度信号经AD转换后得到无量纲数字量来表示，角度信号的变化范围是75°～105°，相应的数字量变化范围为1131～2180，主机转速和油门控制电机角度的测量值计算都是在C8051F040单片机内计算完成，然后按照固定的数据帧格式通过RS232串口传回到PC机端保存。

步骤二、确定调速系统反馈线性化环节中相关参数，将步骤一中所建立的柴油机全工况非线性模型转换为伪线性模型；

根据步骤一所建立的模型，取f(n)＝α₄n+α₅+α₆n²，g(n)＝α₁+α₂n+α₃n²，根据反馈线性化方法(“Nonlinear control systems”,Isodori Alberto.Springer Verlag,1995)，取反馈线性化环节为

v为等效控制变量，则柴油机全工况非线性模型可转换为伪线性模型：

步骤三、基于步骤二确定的伪线性模型，设计滑模控制器。

滑模控制器的设计包括两部分：第一部分是系统在连续控制下的正常运动部分，它在状态空间中的运动轨迹全部位于切换线以外，或者有限的穿过切换面。正常运动段用于约束系统状态到达滑模面的运动速度，以减小滑模控制固有的抖振现象，同时保证一定的趋近速度。第二部分是系统沿滑模面渐进稳定地运动到平衡点的滑动模态部分。

滑模控制器的具体设计方法，包括以下步骤：

定义滑模控制器的滑模控制误差为：

e＝r-y (4)

对于线性系统，滑模切换线一般选择偏差及其导数的线性组合(“不确定非线性系统的鲁棒滑模控制方法”,李杨,吴学礼,张建华.国防工业出版社,2014)，以使滑动模态能够实现按指数迅速趋于平衡点，这里取：

S＝ME＝0 (5)

式中，M＝[m 1],

m＞0。这里模态运动为指数趋近，因此m应该选得大些，以便加快指数趋近平衡点过程。

滑模控制器的设计采用基于趋近律的设计方法，采用指数趋近律(“变结构控制的理论及设计方法”,高为炳.北京:科学出版社,1996)：

式中，ε>0，k>0。根据滑模控制理论可知，ε要选的小些，λ选的适当大些，一方面可以减小到达滑模面的速度，削弱抖振现象，另一方面可以加快正常运动段的趋近速度。ε若选择的过小，变结构切换不明显；λ若过大，将引起超调。联立式(4)～(6)可得滑模控制律：

步骤四、调节滑模控制器参数，实现柴油机调速控制。

基于MATLAB中的Simulink建立基于反馈线性化滑模控制(FeedbackLinearization based Sliding Mode Control,FLSMC)的柴油机全工况非线性仿真模型，如果直接采用标准的指数趋近律，可以取得较好的控制效果，但是控制变量抖振现象较为严重，因此本发明实施例采用饱和函数代替符号函数，在不损失控制品质的基础上，改善柴油机系统抖振现象，故滑膜控制规律更新为：

下面结合一具体应用实例对本发明上述实施例提供的技术方案进一步详细描述。

本具体应用实例中涉及的装备为在某喷水推进快艇上的柴油机，型号为D683ZLCA9B，直列、六缸四冲程、水冷、ω型燃烧室、直喷、增压、中冷型式，气缸直径为114mm，活塞行程135mm，活塞总排量8.27L，压缩比16:1，最大转速2500rpm。

基于以上设备实施的基于滑模控制的柴油机调速控制方法，如图7所示，包括以下步骤：

步骤一、建立用于调速控制的柴油机全工况下的非线性模型，采用柴油机调速输入输出实测数据对模型参数进行辨识；

柴油机非线性数学模型可表示为：

其中，M_i为指示转矩，单位为N·m；M_f为摩擦转矩，单位为N·m；M_l为负载转矩，单位为N·m；J_c为柴油机的当量转动惯量，单位为kg·m²；n为柴油机转速，单位为rpm；q_mf为循环喷油量，单位为kg/s；H_L为燃油热值为常量，单位为kJ/kg；u为柴油机油门位置经模数转换后得到的无量纲数字量；η_i为燃油效率主要受空燃比影响，受转速影响较小；C_m为活塞平均速度，单位为m/s；k₁，k₂，k₃，k₄为比例系数。

将(1)整理为如下形式：

其中

将式(2)写成离散化形式并进行模型参数辨识，其最优化目标函数可设计为：

-10≤α₁≤10

-1≤α₂≤1

-0.1≤α₃≤0.1 (3)

-100≤α₄≤100

-10≤α₅≤10

-0.0001≤α₆≤0.0001

-0.01≤α₇≤0.01

式中：y_m(i)和y(i)分别是i时刻的柴油机转速测量值和模型计算值，a₁～a₆是将非线性模型写成离散化形式后的待辨识参数。

使用如图2所示的柴油机数据采集系统获得参数辨识所需要的输入输出数据，其中，油门位置的测量值是用油门控制电机角度信号经AD转换后得到无量纲数字量来表示，角度信号的变化范围是75°～105°，相应的数字量变化范围为1131～2180，主机转速和油门控制电机角度的测量值计算都是在C8051F040单片机内计算完成，然后按照固定的数据帧格式通过RS232串口传回到PC机端保存

步骤二、根据步骤一所建立的模型，取f(n)＝α₄n+α₅+α₆n²，g(n)＝α₁+α₂n+α₃n²，根据反馈线性化的理论，取图3所示的反馈线性化环节(框线内)为

v为等效控制变量，则原柴油机模型可转换为伪线性模型：

步骤三、基于步骤二确定的伪线性模型，设计滑模控制器，滑模控制器的设计包括两部分：第一部分是系统在连续控制下的正常运动，它在状态空间中的运动轨迹全部位于切换线以外，或者有限的穿过切换面。正常运动段约束系统状态到达滑模面的运动速度，以减小滑模控制固有的抖振现象，同时保证一定的趋近速度。第二部分是系统沿滑模面渐进稳定地运动到平衡点的滑动模态。

定义控制误差为：

e＝r-y (5)

对于线性系统，滑模切换线一般选择偏差及其导数的线性组合，以使滑动模态能够实现按指数迅速趋于平衡点，这里取：

S＝ME＝0 (6)

式中，M＝[m 1],

m＞0。这里模态运动为指数趋近，因此m应该选得大些，以便加快指数趋近平衡点过程。

滑模控制器的设计采用基于趋近律的设计方法，采用指数趋近律：

式中，ε>0，k>0。根据滑模控制理论可知，ε要选的小些，λ选的适当大些，一方面可以减小到达滑模面的速度，削弱抖振现象，另一方面可以加快正常运动段的趋近速度。ε若选择的过小，变结构切换不明显；λ若过大，将引起超调。联立(4)～(5)可得滑模控制律：

步骤四、调节滑模控制器参数，实现柴油机调速控制。

基于MATLAB中的Simulink建立基于反馈线性化滑模控制(FeedbackLinearization based Sliding Mode Control,FLSMC)的柴油机全工况非线性仿真模型，如果直接采用标准的指数趋近律，可以取得较好的控制效果，但是控制变量抖振现象较为严重，因此本发明实施例采用饱和函数代替符号函数，在不损失控制品质的基础上，改善柴油机系统抖振现象，故滑膜控制规律更新为：

本具体应用实例中，控制方法的仿真平台是MATLAB Simulink，本具体应用实例给出了使用纯机械调速器、常规PID+机械调速器控制以及反馈线性化的滑模控制+机械调速器三种调速方法的仿真对比结果。图4为突降负载时三种调速方法的调速效果对比；图5为突加负载时三种调速方法的调速效果对比；图6为在油门位置处添加频率为2Hz，强度为稳定工况下油门位置采样值的1％，即d＝14sin(2t))的干扰信号，三种方法的调速控制对比效果。

本发明上述实施例提供的一种基于滑模控制的柴油机调速控制方法，根据柴油机转速设定值和转速测量值之间的偏差计算得到脉宽宽度调制(Pulse-Width Modulation，PWM)波的占空比，由PWM控制信号驱动电机执行器改变柴油机输入变量v，从而改变柴油机转速。本方法实现过程包括以下步骤：步骤一，建立用于调速控制的柴油机全工况非线性模型，采用实测数据对模型参数进行参数辨识；步骤二，确定反馈线性化环节中相关参数，将步骤一中所建立的柴油机非线性模型转换为伪线性模型；步骤三，基于步骤二确定的伪线性模型，设计滑模控制器；步骤四，调节滑模控制器参数，实现柴油机调速控制。本发明上述实施例提供的方法，能够在全工况范围内完成柴油机调速，具有调节时间短，响应速度快，实施成本低和抗干扰能力强等优点，可为船舶航向航速控制、航迹规划、动力定位及船舶喷水推进智能矢量控制等提供技术支撑。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (8)

1.一种基于滑模控制的柴油机调速控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，建立用于调速控制的柴油机全工况非线性模型，采用柴油机调速输入输出实测数据对模型参数进行辨识；

S2，确定柴油机调速系统的反馈线性化环节中相关参数，将S1中所建立的柴油机全工况非线性模型转换为伪线性模型；

S3，基于S2中确定的伪线性模型，设计滑模控制器；

S4，调节滑模控制器参数，实现柴油机调速控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于滑模控制的柴油机调速控制方法，其特征在于，所述S1中，建立的柴油机全工况非线性模型为：

其中，M_i为指示转矩，单位为N·m；M_f为摩擦转矩，单位为N·m；M_l为负载转矩，单位为N·m；J_c为柴油机的当量转动惯量，单位为kg·m²；n为柴油机转速，单位为rpm；q_mf为循环喷油量，单位为kg/s；H_L为燃油热值为常量，单位为kJ/kg；u为柴油机油门位置经模数转换后得到的无量纲数字量；η_i为燃油效率；C_m为活塞平均速度，单位为m/s；k₁，k₂，k₃，k₄分别为比例系数；

为便于参数辨识，将式(1)整理为如下形式：

其中：

其中：n为主机转速，α₁～α₇分别为待辨识参数。

3.根据权利要求2所述的一种基于滑模控制的柴油机调速控制方法，其特征在于，S1中，将式(2)离散化并进行模型参数辨识，得到模型的最优化目标函数为：

-10≤α₁≤10

-1≤α₂≤1

-0.1≤α₃≤0.1

-100≤α₄≤100

-10≤α₅≤10

-0.0001≤α₆≤0.0001

-0.01≤α₇≤α0.01

式中：L为最优化问题的目标函数；y_m(i)和y(i)分别是i时刻的柴油机转速测量值和模型计算值，α₁～α₇分别为待辨识参数。

4.根据权利要求1或3所述的一种基于滑模控制的柴油机调速控制方法，其特征在于，所述柴油机调速输入输出实测数据通过柴油机数据采集系统测量柴油机主机转速和油门位置角度获得；

所述柴油机数据采集系统，包括：单片机以及与单片机相连的油门控制电机；其中：

油门位置角度数据通过油门控制电机角度信号经AD转换后得到无量纲数字量来表示；主机转速数据通过定时间测量法得到；主机转速数据和油门位置角度数据均通过单片机计算完成。

5.根据权利要求4所述的一种基于滑模控制的柴油机调速控制方法，其特征在于，所述柴油机数据采集系统还包括如下任意一项或任意多项：

-所述油门控制电机角度信号的变化范围为：75°～105°，相应地，无量纲数字量变化范围为：1131～2180；

-通过单片机计算完成的主机转速数据和油门位置角度数据，按照固定的数据帧格式通过RS232串口传回PC机端保存。

6.根据权利要求2述的一种基于滑模控制的柴油机调速控制方法，其特征在于，所述S2中，根据S1建立的模型，取f(n)＝α₄n+α₅+α₆n²，g(n)＝α₁+α₂n+α₃n²，根据反馈线性化方法，将调速系统中反馈线性化环节设计为

其中v为等效控制变量，则柴油机全工况非线性模型转换为伪线性模型为：

7.根据权利要求1所述的一种基于滑模控制的柴油机调速控制方法，其特征在于，所述S3中，滑模控制器包括如下两部分：

-柴油机调速系统在连续控制下的正常运动部分，该部分在状态空间中的运动轨迹全部位于切换线以外或有限的穿过切换面；该部分用于约束调速系统状态到达滑模面的运动速度，以减小滑模控制抖振，同时保证趋近速度；

-柴油机调速系统沿滑模面渐进稳定地运动到平衡点的滑动模态部分。

8.根据权利要求1或7所述的一种基于滑模控制的柴油机调速控制方法，其特征在于，所述S3中，设计滑模控制器的方法，包括如下步骤：

定义滑模控制器的控制误差e为：

e＝r-y (4)

其中，r为柴油机模型转速输出，y为柴油机期望转速输入；

根据线性系统中滑模切换线选择偏差及其导数的线性组合的原则，取：

S＝ME＝0 (5)

其中，S为滑模面；M＝[m 1],

m＞0，

为控制误差的倒数；

采用基于趋近律的设计方法，其中指数趋近律为：

其中，

为滑膜面的倒数，ε和λ为滑模控制器参数，ε>0，λ>0；联立式(3)～(6)可得滑模控制器的滑模控制律：

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