CN111987952B - 一种基于扰动观测器的航空三级式变频交流发电系统电压稳定控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于扰动观测器的航空三级式变频交流发电系统电压稳定控制方法。以比例积分控制器为控制器主体，提升了系统的响应速度；基于扰动观测器的控制器设计能够有效地抑制负载和频率变化带来的扰动，使调压系统能够准确地到达稳态，具有较高的稳态精度，同时在发生扰动时能够快速恢复到稳态。进行预调压控制，在系统负载变化前对系统进行调压，同时调节负载启动的时间差，很好的补偿了由于系统的计算延迟造成的影响，此外由于设置的延迟很小，基本不影响用电设备的使用。

Description

一种基于扰动观测器的航空三级式变频交流发电系统电压稳 定控制方法

技术领域

本发明涉及电气设备及电气工程领域，具体涉及一种以扰动观测器为基础的应用于民用航空领域的高压变频交流三级式发电系统的电压稳定控制方法。

背景技术

随着多电飞机的发展，现代变频机载发电系统由于其优越的性能逐渐被现代飞机所采用，但是其宽范围的频率变化导致传统的模拟式发电机调压器(Generator ControlUnit,GCU)不能有效控制变频电源的输出，使变频电源的供电性能下降。

现代变频机载发电系统是一个非线性系统，存在不可避免、不可测量的扰动和参数变化，而且也会受负载和转速的影响，传统的控制方法不能迅速地对这些扰动进行抑制，消除扰动带来的不利影响。这样的动态过程中存在大量的扰动，包括系统外部环境的扰动，被控对象的不确定性，以及未建模的动力学、参数扰动和多变量系统的非线性耦合。这些扰动对于传统的控制器都是难以处理的，这些不确定因素的存在对控制系统的性能产生很大不利影响，传统控制器没有针对这些扰动和不确定性的控制策略，因而在复杂的控制场合很难达到较高的控制精度要求。因此，传统的控制方法很难保证变频电源系统在整个工况范围内取得令人满意的性能。

目前，大多数同步发电机调压系统采用传统的PID控制，控制器参数整定的方法主要是人工手动调整的工程整定法，可能造成整定失误。且同步发电机调压系统是非线性系统，存在未建模的动力学、负载、转速和因温度引起的参数变化等扰动，影响调压系统的数学模型，降低PID控制下的系统稳定性，对系统性能造成影响。

申请号201710119607.5的方案公开了一种基于扰动观测的虚拟并网同步逆变器控制方法及系统，从接有三相逆变器的三相电路实时采集三相电压和电流；将所述三相电压和电流进行坐标的3/2变换，通过功率的计算公式得出有功功率和无功功率；从所述有功功率和无功功率通过VSG控制算法得出三相调制波信号；通过所述三相电压和电流计算干扰补偿量；S5：所述三相调制信号减去所述干扰补偿量得到补偿后的控制信号；将所述补偿后的控制信号与三角载波进行比较，产生SPWM波控制所述三相逆变器的工作状态。

申请号201810300440.7的方案公开了一种多电飞机的直流供电系统，系统包括：发电机、PWM整流器和线性扰动观测器；发电机与PWM整流器连接,线性扰动观测器与PWM整流器连接；其中,发电机输出交流电，PWM整流器将发电机输出的交流电转换为直流电，线性扰动观测器将目标扰动电流注入PWM整流器，其中，目标扰动电流为PWM整流器的输出变量与Q(s)P-1(s)的乘积和发电机定子侧q轴电流与Q(s)的乘积的差值电流，其中，Q(s)为低通滤波器，P(s)为PWM整流器的传递函数，实现提升电力系统的稳定性和控制性能。

然而上述方案一方面其虽然对PI控制的调压进行了补偿，但是补偿效果并不理想，另一方面，其补偿时由于计算量的增加难免引起调压的延迟，而系统的电压跳跃往往产生在负载变化的最开始的时间，如果抓住第一时间进行系统反馈控制，那么调节效果将更加稳定，同时由于电压的不稳定对用电设备的影响也会降至最小。

发明内容

针对上述内容，为解决上述问题提出一种基于扰动观测器的航空三级式变频交流发电系统电压稳定控制方法，包括：

三级式变频交流发电系统的三级分别为永磁机、励磁机和主发电机；使用PWM调节励磁回路的励磁电流从而实现对发电机电压的调节；

调压方法为检测输入信号为负载端三相电压瞬时值计算得到的有效值Ut，设定基准值为三相电压有效值调压点U0；求出Ut与U0的误差后，将其输入比例积分控制器，得到系统第一调节量；

扰动观测器的输入值为负载端三相电压的瞬时值和上述系统第一调节量，通过对400Hz、额定负载工作条件下的标称函数进行反变换后得到的第二调节量的值；此处第二调节量为比例积分控制器调节量和系统受到的扰动的和；设计低通滤波器进行滤波；经过滤波器后的信号反馈至比例积分控制器的输出端，补偿扰动对系统产生的影响，实现前馈闭环控制。

上述方法还可以包括预调压控制：

在每一个用电设备上安装触发传感器和启动控制器，触发传感器和启动控制器安装在相邻的位置，触发传感器用于检测是否有用电设备的启动和关闭信号，启动控制器用于在接收到启动信号后延迟一定时间t1启动对应的用电设备，并且在接收到关闭信号后延迟一定时间t2关闭对应的用电设备；

设置参数分析器，参数分析器设置在比例积分控制器之前；

参数分析器用于收集触发传感器发来的检测信号以及获取当前发电机实时负载P0和实时电压U0’，并且参数分析器内存储有每个触发传感器对应的用电设备的额定功率；参数分析器将当前发电机实时负载P0和收到的触发传感器对应的用电设备的功率P1进行加和；当触发传感器检测到的是启动信号时，计算方式为P＝P0+P1，当触发传感器检测到的是关闭信号时，计算方式为P＝P0-P1；然后参数分析器根据系统的内阻以及当前启动的用电设备的内阻计算功率由P0变化为P时，电压从U0’变化到达的变化值Ut’；

将参数分析器得到的Ut’代替Ut作为PI控制和扰动观测器的检测输入，进行调压控制。

当安装触发传感器没有检测到启动或者关闭信号时P1＝0，所以不必调压；

对于延迟启动和关闭的时间可以设置不同的t1和t2的取值，并对每个用电设备进行启动和关闭实验，实时检测整个系统负载端的电压；获取对应的用电设备启动和关闭时造成的电压变化的最大值dU，并绘制以t1为横坐标，用电设备启动对应的dU为纵坐标的曲线，以及并绘制以t2为横坐标，用电设备关闭对应的dU为纵坐标的曲线；

实际工作中，取每个用电设备的dU最小值对应的t1和t2作为实际工作时该用电设备对应的t1和t2，从而将系统的电压跳跃降至最小。

t1和t2的取值范围为：1ms<t1<100ms,1ms<t2<100ms；U0＝115V。

本发明的有益效果为：

1)以比例积分控制器为控制器主体，提升了系统的响应速度；2)基于扰动观测器的控制器设计能够有效地抑制负载和频率变化带来的扰动，使调压系统能够准确地到达稳态，具有较高的稳态精度，同时在发生扰动时能够快速恢复到稳态。3)进行预调压控制，在系统负载变化前对系统进行调压，同时调节负载启动的时间差，很好的补偿了由于系统的计算延迟造成的影响，此外由于设置的延迟很小，基本不影响用电设备的使用。

附图说明

被包括来提供对所公开主题的进一步认识的附图，将被并入此说明书并构成该说明书的一部分。附图也阐明了所公开主题的实现，以及连同详细描述一起用于解释所公开主题的实现原则。没有尝试对所公开主题的基本理解及其多种实践方式展示超过需要的结构细节。

图1为基于扰动观测器的电压稳定控制方法结构示意图；

图2为航空三级式发电机系统基于扰动观测器电压稳定控制方法示意图；

图3为三级式同步发电机调压系统仿真模型；

图4为400Hz时三级式同步发电机调压系统突加、突卸负载仿真结果；

图5为800Hz时三级式同步发电机调压系统突加、突卸负载仿真结果。

具体实施方式

本发明的优点、特征以及达成所述目的的方法通过附图及后续的详细说明将会明确。

实施例1：

在不同的频率和不同负载的情况下，发电机调压系统都是不稳定的，对系统添加比例-积分控制器，以提升系统的稳定性。控制器通过接收起动发电机的工作时的模拟信号，通过快速响应实现对电压的稳定控制。本发明中的控制器输入信号为三相电压瞬时计算得到的有效值，基准值为三相电压有效值调压点。求出误差后，经过比例积分控制器，得到系统调节量，输入被控对象中实现对发电机发电状态的控制。

扰动观测器能够有效地估计并补偿集总扰动，包括模型不确定性、参数扰动、未建模动力学以及外部扰动，从而达到较强的鲁棒性，获得非常优秀的动静态性能。本发明中扰动观测器的输入值为经过被控对象后的瞬时值，通过被控对象标称函数进行反变换后得到的调节量计算值。此处的调节量可以看作是比例积分控制器调节量和系统受到的扰动的和，外部扰动影响系统真正输入被控对象的调节量，而内部扰动体现在被控对象的标称函数与实际函数的区别。为了提升扰动观测器的性能，在反变换后设计低通滤波器进行滤波。经过滤波器后的信号通过与比例积分控制器输出的调节量进行比较，反馈至比例积分控制器的输出端，补偿扰动对系统产生的影响，实现前馈闭环控制，提升系统的整体精度。

图1中扰动观测器中有两个模块，分别是低通滤波器模块和反变换模块。反变换模块的作用是将励磁机的实际励磁电流值利用标称函数的逆函数进行反变换，计算在标称函数下对励磁机进行控制的控制信号的大小。标称函数是描述被控对象在无扰动条件下的表征函数，这一步计算的结果包含比例积分控制器的调节量和扰动对系统的影响两个部分。将该结果与比例积分控制器的调节量作差，即可求出扰动对系统的影响值。将该影响值输入至被控对象输入端，并与实时调节量做差，即对实施扰动进行了补偿，从而实现了对扰动的采集和抑制。另外，为了提升补偿精度，在观测器的输出端加入低通滤波器。

图2中比例积分控制器的输入信号为实时计算的三相电压有效值，调压点基准值为115V。求出误差后进入比例积分控制器，求出调节值。调节值经过补偿后输入作为被控对象的励磁机，通过调节励磁机的励磁电流实现对三级式航空发电机的电压稳定控制。

为了证明扰动观测器能够有效地观测调压系统的扰动，并进行抑制，在Simulink中搭建三级式同步发电机调压系统仿真模型，如图3所示。在设计扰动观测器时，将励磁机、旋转整流器、主发电机和PWM执行回路一起视为被控对象，并将在400Hz、额定负载工作条件下的模型视为名义模型，在此基础上进行PID整定设计。

表1为调压系统在不同工作条件下，PID控制和基于扰动观测器的控制的仿真结果。在PID控制器调节下，随着频率的增加，由于系统开环传递函数增益变大，发电机输出电压超调和电压调制也随之增加，并且在同一频率时，低载条件下的发电机输出电压超调和电压调制都会更大。因此，400Hz、额定负载时整定得到的PID参数明显不适用于其它工作条件。加入扰动观测器后，输出电压的超调和电压调制都明显减小，表明扰动观测器可以抑制扰动对系统的影响，使调压系统在不同的工作条件下均能具有较好的稳态性能。

由于发电机调压系统在工作的时候，频率和负载会随时变化，除了要保证调压系统在各个工作条件下的稳态性能，也要保证在工作条件发生变化时发电机输出电压能够快速恢复稳态，具有良好的动态性能。对不同频率下的调压系统进行突加、突卸负载的仿真。发电机带载情况如下表2所示，在0.5s时突加负载，1s时突卸负载。其仿真结果如下图4、图5所示。

在不同频率下，调压系统都能在负载变化时实现调压功能，能够快速调节输出电压至稳态。对比加入扰动观测器前后调压系统的仿真结果可得，基于扰动观测器的调压系统在突加、突卸负载时的过压和欠压比单一的PID调节小得多，而且能够在负载变化时更快地恢复到稳态，动态响应时间短。这表明扰动观测器在动态响应时也能有效地抑制扰动的影响，使系统具有良好的动态性能。

表1 PID和扰动观测器仿真结果

表2发电机负载变化情况

实施例2：

三级式变频交流发电系统的三级分别为永磁机、励磁机和主发电机；使用PWM调节励磁回路的励磁电流从而实现对发电机电压的调节；

调压方法为检测输入信号为负载端三相电压瞬时值计算得到的有效值Ut，设定基准值为三相电压有效值调压点U0；求出Ut与U0的误差后，将其输入比例积分控制器，得到系统第一调节量；

扰动观测器的输入值为负载端三相电压的瞬时值和上述系统第一调节量，通过对400Hz、额定负载工作条件下的标称函数进行反变换后得到的第二调节量的值；此处第二调节量为比例积分控制器调节量和系统受到的扰动的和；设计低通滤波器进行滤波；经过滤波器后的信号反馈至比例积分控制器的输出端，补偿扰动对系统产生的影响，实现前馈闭环控制。

上述方法还可以包括预调压控制：

在每一个用电设备上安装触发传感器和启动控制器，触发传感器和启动控制器安装在相邻的位置，触发传感器用于检测是否有用电设备的启动和关闭信号，启动控制器用于在接收到启动信号后延迟一定时间t1启动对应的用电设备，并且在接收到关闭信号后延迟一定时间t2关闭对应的用电设备；

设置参数分析器，参数分析器设置在比例积分控制器之前；

参数分析器用于收集触发传感器发来的检测信号以及获取当前发电机实时负载P0和实时电压U0’，并且参数分析器内存储有每个触发传感器对应的用电设备的额定功率；参数分析器将当前发电机实时负载P0和收到的触发传感器对应的用电设备的功率P1进行加和；当触发传感器检测到的是启动信号时，计算方式为P＝P0+P1，当触发传感器检测到的是关闭信号时，计算方式为P＝P0-P1；然后参数分析器根据系统的内阻以及当前启动的用电设备的内阻计算功率由P0变化为P时，电压从U0’变化到达的变化值Ut’；

将参数分析器得到的Ut’代替Ut作为PI控制和扰动观测器的检测输入，进行调压控制。

当安装触发传感器没有检测到启动或者关闭信号时P1＝0，所以不必调压；

对于延迟启动和关闭的时间可以设置不同的t1和t2的取值，并对每个用电设备进行启动和关闭实验，实时检测整个系统负载端的电压；获取对应的用电设备启动和关闭时造成的电压变化的最大值dU，并绘制以t1为横坐标，用电设备启动对应的dU为纵坐标的曲线，以及并绘制以t2为横坐标，用电设备关闭对应的dU为纵坐标的曲线；

实际工作中，取每个用电设备的dU最小值对应的t1和t2作为实际工作时该用电设备对应的t1和t2，从而将系统的电压跳跃降至最小。

t1和t2的取值范围为：1ms<t1<100ms,1ms<t2<100ms；U0＝115V。

以上所述，仅为本发明的优选实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种基于扰动观测器的航空三级式变频交流发电系统电压稳定控制方法，其特征在于：

三级式变频交流发电系统的三级分别为永磁机、励磁机和主发电机；使用PWM调节励磁回路的励磁电流从而实现对发电机电压的调节；

调压方法为检测输入信号为负载端三相电压瞬时值计算得到的有效值Ut，设定基准值为三相电压有效值调压点U0；求出Ut与U0的误差后，将其输入比例积分控制器，得到系统第一调节量；

扰动观测器的输入值为负载端三相电压的瞬时值和上述系统第一调节量，通过对400Hz、额定负载工作条件下的标称函数进行反变换后得到的第二调节量的值；此处第二调节量为比例积分控制器调节量和系统受到的扰动的和；设计低通滤波器进行滤波；经过滤波器后的信号反馈至比例积分控制器的输出端，补偿扰动对系统产生的影响，实现前馈闭环控制；

还包括预调压控制：

在每一个用电设备上安装触发传感器和启动控制器，触发传感器和启动控制器安装在相邻的位置，触发传感器用于检测是否有用电设备的启动和关闭信号，启动控制器用于在接收到启动信号后延迟一定时间t1启动对应的用电设备，并且在接收到关闭信号后延迟一定时间t2关闭对应的用电设备；

设置参数分析器，参数分析器设置在比例积分控制器之前；

参数分析器用于收集触发传感器发来的检测信号以及获取当前发电机实时负载P0和实时电压U0’，并且参数分析器内存储有每个触发传感器对应的用电设备的额定功率；参数分析器将当前发电机实时负载P0和收到的触发传感器对应的用电设备的功率P1进行加和；当触发传感器检测到的是启动信号时，计算方式为P＝P0+P1，当触发传感器检测到的是关闭信号时，计算方式为P＝P0-P1；然后参数分析器根据系统的内阻以及当前启动的用电设备的内阻计算功率由P0变化为P时，电压从U0’变化到达的变化值Ut’；

将参数分析器得到的Ut’代替Ut作为PI控制和扰动观测器的检测输入，进行调压控制。

2.根据权利要求1所述的基于扰动观测器的航空三级式变频交流发电系统电压稳定控制方法，其特征在于：

设置不同的t1和t2的取值，并对每个用电设备进行启动和关闭实验，实时检测整个系统负载端的电压；获取对应的用电设备启动和关闭时造成的电压变化的最大值dU，并绘制以t1为横坐标，用电设备启动对应的dU为纵坐标的曲线，以及并绘制以t2为横坐标，用电设备关闭对应的dU为纵坐标的曲线；

实际工作中，取每个用电设备的dU最小值对应的t1和t2作为实际工作时该用电设备对应的t1和t2，从而将系统的电压跳跃降至最小。

3.根据权利要求2所述的基于扰动观测器的航空三级式变频交流发电系统电压稳定控制方法，其特征在于：

t1和t2的取值范围为：1ms<t1<100ms,1ms<t2<100ms；U0＝115V。

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