CN113848724B - 基于pd-adrc的燃-燃联合动力装置串级控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供基于PD‑ADRC的燃‑燃联合动力装置串级控制方法，包括外环PD控制回路和内环ADRC控制回路，外环PD控制回路采集燃气轮机反馈的燃油流量和轴转速，通过map图插值计算当前燃机输出功率与系统总功率；通过设定功率分配比例，计算设定功率；基于设定功率与插值计算得到的输出功率的偏差计算设定转速；内环ADRC控制回路采集燃气轮机的实际转速，基于外环PD控制回路计算得到的设定转速与实际转速的偏差，通过线性ADRC算法调节燃机燃油流量，实现功率转移及加减速过程。本发明无需切换控制即可完成燃‑燃联合动力装置的功率转移、加减速等不同动态过程的控制。由于采用了ADRC作为控制回路的一环，轴转速的控制不存在稳态误差，系统具有更强的鲁棒性。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种船舶动力装置控制方法，具体地说是船舶燃-燃联合动力装置控制方法。
背景技术
近年来，随着世界各国对海洋资源的深度开发和对海洋权益的高度重视，船舶领域技术得到了迅速的发展。燃-燃联合动力装置作为一种功率大、机动性好，工作模式灵活的动力形式被广泛应用于船舶推进。对于燃-燃联合动力装置，控制系统影响着装置整体的运行性能。
现有的燃-燃联合动力装置控制主要基于PID实现，即使是改进也是在其基础上进行控制参数优化。PID的控制原理是被动地基于误差反馈来消除误差，这样的控制算法使其自身的调节滞后于扰动，当控制力过大时，系统可能出现振荡与超调现象，而且容易出现积分饱和现象。自抗扰控制(ADRC)技术是韩京清研究员于1999年正式提出的控制算法。其将控制系统简化为积分串联型系统，其余未建模部分及系统不确定因素均被归结为总扰动。ADRC算法具有较强的鲁棒性和天然的解耦性，而且建模方法简单，非常适合燃-燃联合动力装置控制系统设计。
发明内容
本发明的目的在于提供可实现系统不同燃气轮机间的功率平衡以及无稳态误差的转速控制，具有良好的转速跟踪性与抗干扰性的基于PD-ADRC的燃-燃联合动力装置串级控制方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明基于PD-ADRC的燃-燃联合动力装置串级控制方法，其特征是：包括外环PD控制回路和内环ADRC控制回路，所述外环PD控制回路采集燃气轮机反馈的燃油流量和轴转速，通过map图插值计算当前燃机输出功率与系统总功率；通过设定功率分配比例，计算设定功率；基于设定功率与插值计算得到的输出功率的偏差计算设定转速；所述内环ADRC控制回路采集燃气轮机的实际转速，基于外环PD控制回路计算得到的设定转速与实际转速的偏差，通过线性ADRC算法调节燃机燃油流量，实现功率转移及加减速过程。
本发明还可以包括：
1、所述外环PD控制回路控制过程具体为：
采集燃油流量u1与轴转速np1，通过特性曲线map图插值得到当前输出功率Ne1，依照上述方法得到不同燃机的功率相加得系统总功率，将总功率与设定的功率分配比例系数相乘，得到不同燃机的目标功率Ne_r1，将目标功率与插值计算得到的功率相减，得到功率偏差值，将偏差值输入到PD控制器中，控制器输出为转速变化率项，与期望的运行转速相加，得到相应设定转速，控制率可表示为：
其中：np_r为设定转速、np_exp为期望转速、Kp为比例系数、Kd为微分系数、Ne_r为目标功率、Ne为插值计算得到的功率。
2、在内环线性ADRC回路，通过外环计算的设定转速与反馈转速的偏差，计算燃油流量，表示为：
其中np为燃机转速、u为燃油流量、t为时间、w为外部扰动、b为增益系数；
将b分解为估计值b0和估计偏差(b-b0)这两部分，可表示为：
其中f＝h+(b-b0)u，表示总扰动；
ADRC算法的思路是对总扰动进行估计，从而在设计控制器时将这部分抵消，设置控制率为：
其中u0为状态误差反馈控制率，为总扰动的估计；
转速变化率表示为：
系统简化为：
利用P控制实现：
u0＝kp(np_r-np)
np_r为设定转速；
令x1＝np，x2＝f，燃机系统的状态空间方程的形式表示为：
X＝[x1，x2]T，BE＝[b0，0]T，E＝[0，1]T，CE＝[1，0]；
设计扩张状态观测器：
为X的估计值；L＝[β1，β2]T为观测器增益向量；
基于状态观测器的估计值，控制率表示为：
其中为燃气轮机转速的估计值，为总扰动的估计值，np_r为目标转速，np为燃气轮机转速，u为燃油流量，kp和b0为控制器需要设定的参数；
控制器参数kp和b0根据系统开环传递函数计算；
外环PD回路与内环线性ADRC回路组成PD-ADRC串级控制结构，通过更改PD回路的功率分配比例系数，实现并车解列过程，通过更改PD回路的期望运行转速，实现加减速控制。
本发明的优势在于：
1、无需切换控制即可完成燃-燃联合动力装置的功率转移及加减速过程的连续控制。
2、由于采用了在控制回路中采用了ADRC算法，轴转速的控制不存在稳态误差，不会出现功率震荡及超调现象，系统具有更强的鲁棒性。
3、与传统的PID控制相比，发明的PD-ADRC串级控制方法可以减少功率转移时间，提高系统机动性。
附图说明
图1为本发明燃-燃联合动力装置串级控制原理图；
图2为燃-燃联合动力装置并车及负荷分配过程响应特性；
图3为负荷分配过程本发明与传统PID算法的对比；
图4为本发明的流程图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1-4，外环PD(比例-微分控制)回路需要采集系统总功率及相应燃机的输出功率。由于燃-燃联合动力系统的扭矩无法准确采集，需要通过其他方式获取功率。在燃机出厂时均会进行性能测试，得到运行特性线，燃油流量、轴转速与功率的匹配关系。在外环控制回路中可以采集燃油流量u1与轴转速npl，通过特性曲线map图插值得到当前输出功率Ne1。依照上述方法得到不同燃机的功率相加得系统总功率。将总功率与设定的功率分配比例系数相乘，得到不同燃机的目标功率Ne_r1。将目标功率与插值计算得到的功率相减，得到功率偏差值，将偏差值输入到PD控制器中。控制器输出为转速变化率项，与期望的运行转速相加，得到相应设定转速。控制率可表示为：
其中：np_r为设定转速(rpm)；np_exp为期望转速(rpm)；Kp为比例系数；Kd为微分系数；Ne_r为目标功率(kw)；Ne为插值计算得到的功率(kw)。
在内环线性ADRC(自抗扰控制)回路，通过外环计算的设定转速与反馈转速的偏差，计算燃油流量，需要设计相应的算法。通过辨识可得燃气轮机为一阶动态系统，可表示为：
其中：np为燃机转速(rpm)；u为燃油流量(kg/s)；t为时间(s)；w为外部扰动；b为增益系数。
可以将b分解为估计值b0和估计偏差(b-b0)这两部分。可表示为：
其中：f＝h+(b-b0)u，表示总扰动。
ADRC算法的思路是对总扰动进行估计，从而在设计控制器时将这部分抵消，简化需要控制系统的结构。设置控制率为：
其中：u0为状态误差反馈控制率；为总扰动的估计。
转速变化率可表示为：
如果总扰动的估计准确，系统则可以简化为：
可以利用简单的P控制实现：
u0＝kp(np_r-np)
其中：np_r为设定转速。
令x1＝np，x2＝f，燃机系统的状态空间方程的形式可表示为：
其中：X＝[x1，x2]T，BE＝[b0，0]T，E＝[0，1]T，CE＝[1，0]。
设计扩张状态观测器：
其中：为X的估计值；L＝[β1，β2]T为观测器增益向量。
基于状态观测器的估计值，控制率可表示为：
其中：为燃气轮机转速的估计值(rpm)；为总扰动的估计值；np_r为目标转速(rpm)；np为燃气轮机转速(rpm)；u为燃油流量(kg/s)；kp和b0为控制器需要设定的参数。
控制器参数kp和b0可以根据系统开环传递函数计算得到。
外环PD回路与内环线性ADRC回路组成了PD-ADRC串级控制结构。可以更改PD回路的功率分配比例系数，实现系统的并车解列过程；可以更改PD回路的期望运行转速，实现系统加减速控制。
Claims (2)
1.基于PD-ADRC的燃-燃联合动力装置串级控制方法，其特征是包括外环PD控制回路和内环ADRC控制回路，所述外环PD控制回路采集燃气轮机反馈的燃油流量和轴转速，通过map图插值计算当前燃机输出功率与系统总功率；通过设定功率分配比例，计算设定功率；基于设定功率与插值计算得到的输出功率的偏差计算设定转速；所述内环ADRC控制回路采集燃气轮机的实际转速，基于外环PD控制回路计算得到的设定转速与实际转速的偏差，通过线性ADRC算法调节燃机燃油流量，实现功率转移及加减速过程；
所述内环ADRC控制回路，通过所述外环PD控制回路计算设定转速与实际转速的偏差，计算燃油流量，表示为：
其中为转速变化率，np为燃机转速、u为燃油流量、t为时间、w为外部扰动、b为增益系数；
将b分解为估计值b0和估计偏差(b-b0)这两部分，表示为：
其中f＝h+(b-b0)u，表示总扰动；
所述线性ADRC算法的思路是对总扰动进行估计，从而在设计控制器时将这部分抵消，设置控制率为：
其中u0为状态误差反馈控制率，为总扰动的估计；
转速变化率表示为：
系统简化为：
利用P控制实现：
u0＝kp(np_r-np)
np_r为设定转速；
令x1＝np，x2＝f，燃机系统的状态空间方程的形式表示为：
X＝[x1,x2]T，BE＝[b0,0]T，E＝[0,1]T，CE＝[1,0]；
设计扩张状态观测器：
为X的估计值；L＝[β1,β2]T为观测器增益向量；
基于状态观测器的估计值，控制率表示为：
其中为燃机转速的估计值，为总扰动的估计值，np_r为目标转速，np为燃机转速，u为燃油流量，kp和b0为控制器需要设定的参数；
控制器参数kp和b0根据系统开环传递函数计算；
所述外环PD控制回路与所述内环ADRC控制回路组成PD-ADRC串级控制结构，通过更改所述外环PD控制回路的功率分配比例系数，实现并车解列过程，通过更改所述外环PD控制回路的期望运行转速，实现加减速控制。
2.根据权利要求1所述的基于PD-ADRC的燃-燃联合动力装置串级控制方法，其特征是：所述外环PD控制回路控制过程具体为：
采集燃油流量u1与轴转速np1，通过特性曲线map图插值得到当前输出功率Ne1，依照上述方法得到不同燃机的功率相加得系统总功率，将总功率与设定的功率分配比例系数相乘，得到不同燃机的目标功率Ne_r1，将目标功率与插值计算得到的功率相减，得到功率偏差值，将偏差值输入到PD控制器中，控制器输出为转速变化率项，与期望的运行转速相加，得到相应设定转速，控制率表示为：
其中np_r为目标转速、np_exp为期望转速、Kp为比例系数、Kd为微分系数、Ne_r为目标功率、Ne为插值计算得到的功率。
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| CN202111191541.3A CN113848724B (zh) | 2021-10-13 | 基于pd-adrc的燃-燃联合动力装置串级控制方法 |
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| CN202111191541.3A CN113848724B (zh) | 2021-10-13 | 基于pd-adrc的燃-燃联合动力装置串级控制方法 |
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Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101578584A (zh) * | 2005-09-19 | 2009-11-11 | 克利夫兰州立大学 | 控制器、观测器及其应用 |
| CN109116727A (zh) * | 2018-09-05 | 2019-01-01 | 哈尔滨工程大学 | 一种基于低通滤波器的pid型一阶全格式无模型自适应航速控制算法 |
Patent Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
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| CN109116727A (zh) * | 2018-09-05 | 2019-01-01 | 哈尔滨工程大学 | 一种基于低通滤波器的pid型一阶全格式无模型自适应航速控制算法 |
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