CN115016261A - 一种柴油机转速串级自抗扰控制系统、柴油机及机车 - Google Patents

一种柴油机转速串级自抗扰控制系统、柴油机及机车 Download PDF

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王怀宽
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Abstract

本公开涉及一种柴油机转速串级自抗扰控制系统、柴油机及机车，所述系统包括：依次连接的前馈控制器、内环自抗扰控制器和外环自抗扰控制器；其中，所述内环自抗扰控制器具体包括：非线性误差反馈控制器和扩张状态观测器；所述扩张状态观测器用于观测模型偏差及外部扰动，根据总扰动的观测值对控制量实时反馈补偿；所述非线性误差反馈控制器用于追踪外环传来的信号；其中，所述外环控制器包括：用于跟踪目标转速的误差反馈控制器和扩张状态观测器。

Description

一种柴油机转速串级自抗扰控制系统、柴油机及机车
技术领域
本公开涉及柴油机控制技术领域，更为具体来说，本公开涉及一种柴油机转速串级自抗扰控制系统、柴油机及机车。
背景技术
非道路发电用柴油机精确转速控制是影响电能供给品质的关键。发电用柴油机在实际使用以及出厂验证时均会遇到突变、大负荷接入的情况，传统的纯反馈控制在大负荷突加的情况下，其控制鲁棒性较差，转速会出现大幅的波动，难以适应发电要求。
发明内容
为解决现有技术纯反馈控制在大负荷突加的情况下，其控制鲁棒性较差，转速会出现大幅的波动，难以适应发电要求的技术问题。
为实现上述技术目的，本公开提供了一种柴油机转速串级自抗扰控制系统，包括：
依次连接的前馈控制器、内环自抗扰控制器和外环控制器；
其中，所述内环自抗扰控制器具体包括：非线性误差反馈控制器和扩张状态观测器；
所述扩张状态观测器用于观测模型偏差及外部扰动，根据总扰动的观测值对控制量实时反馈补偿；
所述非线性误差反馈控制器用于追踪外环传来的信号；
其中，所述外环控制器包括：用于跟踪目标转速的误差反馈控制器和扩张状态观测器。
进一步，所述前馈控制器具体通过构建发电用柴油机转速动态模型得到；
所述发电用柴油机转速动态模型由指示扭矩模型、摩擦扭矩模型、泵气扭矩模型以及负载扭矩模型组成。
进一步，所述发电用柴油机转速动态模型表示为：
Figure BDA0003654806000000021
其中，W为转速，Mi为指示扭矩模型，MFri为摩擦扭矩模型，Mp为泵气扭矩模型，Mload为负载扭矩模型，将指示扭矩模型、摩擦扭矩模型、泵气扭矩模型以及负载扭矩模型代入发电用柴油机转速动态模型，得到如下表达式：
Figure BDA0003654806000000022
其中，HHLV为低热值，ηi为指示热效率，Ci为自学习参数，i＝1，2，……，5，Toil为油温；
并将所述表达式整理得到：
Figure BDA0003654806000000023
进一步，将所述表达式整理后设计所述扩张状态观测器；
Figure BDA0003654806000000024
其中a0，b0，f0根据所述表达式整理得到，f为未知表达式；
设定f为连续可微且有界；
Figure BDA0003654806000000031
ω为f的微分，对系统设计扩张状态观测器：
Figure BDA0003654806000000032
Figure BDA0003654806000000033
其中z1，z2分别观测W和f，e1＝z1-W，β1,β2代表的是两个可以调节的观测器的非时变参数，δ1为给定的参数。
Figure BDA0003654806000000034
进一步，所述非线性误差反馈控制器通过如下公式构造得到：
u＝(a1fal(ξ,0.5,δ1)-f0-z2)/b0；
其误差值为ξ＝ν-z1，其中ν为外环传递加速度值，z1为扩张状态观测器对加速度的观测值，式中a1表示非线性控制器的增益，z2/b0为f的补偿量。
进一步，所述外环控制器的输出值是内环自抗扰控制器的输入目标值；
将模型改写为：
Figure BDA0003654806000000035
其中，a0，b1，f0可以通过公式变形求得；
定义e3＝z3-x1并设计扩张状态观测器为
z3＝z4-β1e3+f+b1u；
z4＝-β2fal(e3,0.5,δ2)；
式中z3,z4为状态x1,x2的观测值，δ2为给定参数。
进一步，所述误差反馈控制器通过如下方式构建获得：
令误差信号为ε＝ρ-z3，其中ρ为目标转速，z3为扩张状态观测器的角度观测值，构造非线性误差反馈控制器为：
ν＝(a2fal(ε,0.5,δ3)-f-z4)/b1。，式中a2为非线性控制器的增益，z4/b1是f的补偿量。
为实现上述技术目的，本公开还能够提供一种柴油机，搭载了上述的柴油机转速串级自抗扰控制系统。
为实现上述技术目的，本公开还提供了一种机车，搭载了上述的柴油机。
本公开的有益效果为：
本公开将基于转速动态模型的串级自抗扰控制方法，充分利用系统的模型信息，使控制过程更加精确；设计扩张状态观测器，将总扰动看做系统的扩张状态进行估计预测，主动抑制扰动，提高了抗扰能力；降低产品开发成本，总体上实现发电用柴油机精确转速控制。
本公开的方法设计方便，调参简便且鲁棒性强，标定时间较现有算法降低80％以上，抗扰能力提升30％以上，有效提高系统的转速控制精度。
附图说明
图1示出了本公开的实施例1的示意图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
实施例一：
本公开中涉及的专业术语解释:
ESO:Extended State Observer扩张状态观测器；
主动抗扰控制：通过状态观测器观测估计系统总扰动进行实时补偿，从而构建扰动抑制器，并设计误差反馈控制对系统输出的实际值与真实值的偏差进行修正。
如图1所示：
本公开提供了一种柴油机转速串级自抗扰控制方法，包括：
一种柴油机转速串级自抗扰控制系统，包括：
依次连接的前馈控制器、内环自抗扰控制器和外环控制器；
其中，所述内环自抗扰控制器具体包括：非线性误差反馈控制器和扩张状态观测器；
所述扩张状态观测器用于观测模型偏差及外部扰动，根据总扰动的观测值对控制量实时反馈补偿；
所述非线性误差反馈控制器用于追踪外环转速传来的信号；
其中，所述外环控制器包括：用于跟踪目标转速的误差反馈控制器和扩张状态观测器。
进一步，所述前馈控制器具体通过构建发电用柴油机转速动态模型得到；
所述发电用柴油机转速动态模型由指示扭矩模型、摩擦扭矩模型、泵气扭矩模型以及负载扭矩模型组成。
进一步，所述发电用柴油机转速动态模型表示为：
Figure BDA0003654806000000061
其中，W为转速，Mi为指示扭矩模型，MFri为摩擦扭矩模型，Mp为泵气扭矩模型，Mload为负载扭矩模型，将指示扭矩模型、摩擦扭矩模型、泵气扭矩模型以及负载扭矩模型代入发电用柴油机转速动态模型，得到如下表达式：
Figure BDA0003654806000000062
其中，HHLV为低热值，ηi为指示热效率，Ci为自学习参数，i＝1，2，……，5，Toil为油温；
并将所述表达式整理得到：
Figure BDA0003654806000000063
进一步，将所述表达式整理后设计所述扩张状态观测器；
Figure BDA0003654806000000064
其中a0，b0，f0根据所述表达式整理得到，f为未知表达式；
设定f为连续可微且有界；
Figure BDA0003654806000000071
ω为f的微分，对系统设计扩张状态观测器：
Figure BDA0003654806000000072
Figure BDA0003654806000000073
其中z1，z2分别观测W和f，e1＝z1-W，β1,β2代表的是两个可以调节的观测器的非时变参数，δ1为给定的参数。
Figure BDA0003654806000000074
进一步，所述非线性误差反馈控制器通过如下公式构造得到：
u＝(a1fal(ξ,0.5,δ1)-f0-z2)/b0；
其误差值为ξ＝ν-z1，其中ν为外环传递加速度值，z1为扩张状态观测器对加速度的观测值，式中a1表示非线性控制器的增益，z2/b0为f的补偿量。
进一步，所述外环控制器的输出值是内环自抗扰控制器的输入目标值；
将模型改写为：
Figure BDA0003654806000000075
其中，a0，b1，f0可以通过公式变形求得；
定义e3＝z3-x1并设计扩张状态观测器为
z3＝z4-β1e3+f+b1u；
z4＝-β2fal(e3,0.5,δ2)；
式中z3,z4为状态x1,x2的观测值，δ2为给定参数。
进一步，所述误差反馈控制器通过如下方式构建获得：
令误差信号为ε＝ρ-z3，其中ρ为目标转速，z3为扩张状态观测器的角度观测值，构造非线性误差反馈控制器为：
ν＝(a2fal(ε,0.5,δ3)-f-z4)/b1。，式中a2为非线性控制器的增益，z4/b1是f的补偿量。
针对当前发电用柴油机使用PID算法仅通过反馈调节控制转速时，遇到突变、大负荷接入的情况，转速会出现大幅的波动，且系统调节时间长的问题，本发明采用基于转速动态模型的串级自抗扰控制方法，实现发电用柴油机精确转速控制。
图1为串级自抗扰控制算法的整体框图，在图1中，ρ(t)是目标转速，ε(t)是目标转速与实际转速的偏差，ζ(t)是目标加速度与当前加速度的偏差，W(t)为实际得到的转速。
具体实施方案如下：
1.构建基于转速动态模型的前馈控制器
建立发电用柴油机转速动态模型，该模型主要有4部分组成：指示扭矩模型、摩擦扭矩模型、泵气扭矩模型以及负载扭矩模型。
Figure BDA0003654806000000081
其中，W为转速，Mi为指示扭矩模型，MFri为摩擦扭矩模型，Mp为泵气扭矩模型，Mload为负载扭矩模型，将指示扭矩模型、摩擦扭矩模型、泵气扭矩模型以及负载扭矩模型代入转速动态模型，得到如下表达式：
Figure BDA0003654806000000082
其中，HHLV为低热值，ηi为指示热效率，Ci为自学习参数，Toil为油温。
为了便于控制器设计，将(2)式进行重新整理，转换成式(3)的表达式：
Figure BDA0003654806000000091
2.内环自抗扰控制器设计
1)扩张状态观测器设计
转速动态模型的建立过程中存在模型的偏差，因此前馈模型的扭矩补偿不能完全表征实际的扭矩需求。再者，对于电力负荷扭矩部分无法通过物理建模的仿真进行精确的表述。因此，设计扩张状态观测器，实时观测模型偏差及外部扰动，根据总扰动的观测值对控制量实时反馈补偿。
为便于观测器设计，将(2)式进行重新整理，得到转速动态一阶表达式：
Figure BDA0003654806000000092
其中，a0、b0、f0根据(3)式可以得到，
Figure BDA0003654806000000093
Figure BDA0003654806000000094
主要是模型偏差和负载力矩等。f是未知的，无从知道其值为多少、表达式是什么。假设非线性部分f连续可微有界，
Figure BDA0003654806000000095
ω为f的微分，对系统设计扩张状态观测器，
Figure BDA0003654806000000096
Figure BDA0003654806000000097
其中z1，z2分别观测W和f，e1＝z1-W，β1,β2代表的是两个可以调节的观测器的非时变参数，δ1为给定的参数。
Figure BDA0003654806000000101
2)非线性误差反馈控制器设计
为了追踪外环转速传来的信号，本节设计一个非线性误差反馈控制器，其误差值为ξ＝ν-z1，其中ν为外环传递加速度值，z1为扩张状态观测器对加速度的观测值，构造如下的非线性状态误差反馈控制器
u＝(a1fal(ξ,0.5,δ1)-f0-z2)/b0 (7)
式中a1表示非线性控制器的增益，z2/b0为f的补偿量。
2.外环控制器设计
此控制系统外环也是采用的自抗扰控制器，ρ是通过给定的转速，ε是目标转速与实际转速的偏差值，即
ε＝ρ-W (8)
有图1可得，外环的输出值是内环的输入目标值，外环将上述模型改写为
Figure BDA0003654806000000102
定义e3＝z3-x1并设计扩张状态观测器为
z3＝z4-β1e3+f+b1u (10)
z4＝-β2fal(e3,0.5,δ2) (11)
式中z3,z4为状态x1,x2的观测值，δ2为给定参数。
为了跟踪目标转速，由此设计了一个误差反馈控制器。令误差信号为ε＝ρ-z3，其中ρ为目标转速，z3为扩张状态观测器的角度观测值，构造非线性误差反馈控制器为
ν＝(a2fal(ε,0.5,δ3)-f-z4)/b1 (12)
式中a2为非线性控制器的增益，z4/b1是f的补偿量。
为实现上述技术目的，本公开还能够提供一种柴油机，搭载了上述的柴油机转速串级自抗扰控制系统。
为实现上述技术目的，本公开还提供了一种机车，搭载了上述的柴油机。
以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。本公开的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。

Claims (9)

1.一种柴油机转速串级自抗扰控制系统，其特征在于，包括：
依次连接的前馈控制器、内环自抗扰控制器和外环控制器；
其中，所述内环自抗扰控制器具体包括：非线性误差反馈控制器和扩张状态观测器；
所述扩张状态观测器用于观测模型偏差及外部扰动，根据总扰动的观测值对控制量实时反馈补偿；
所述非线性误差反馈控制器用于追踪外环传来的信号；
其中，所述外环控制器包括：用于跟踪目标转速的误差反馈控制器和扩张状态观测器。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述前馈控制器具体通过构建发电用柴油机转速动态模型得到；
所述发电用柴油机转速动态模型由指示扭矩模型、摩擦扭矩模型、泵气扭矩模型以及负载扭矩模型组成。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述发电用柴油机转速动态模型表示为：
Figure FDA0003654805990000011
其中，W为转速，Mi为指示扭矩模型，MFri为摩擦扭矩模型，Mp为泵气扭矩模型，Mload为负载扭矩模型，将指示扭矩模型、摩擦扭矩模型、泵气扭矩模型以及负载扭矩模型代入发电用柴油机转速动态模型，得到如下表达式：
Figure FDA0003654805990000012
其中，HHLV为低热值，ηi为指示热效率，Ci为自学习参数，i＝1，2，……，5，Toil为油温；mf为发动机燃油质量流量，ncy1为冲程数量；
并将所述表达式整理得到：
Figure FDA0003654805990000021
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，将所述表达式整理后设计所述扩张状态观测器；
Figure FDA0003654805990000022
其中a0，b0，f0根据所述表达式整理得到，f为未知表达式；u为控制量；
设定f为连续可微且有界；
Figure FDA0003654805990000023
ω为f的微分，对系统设计扩张状态观测器：
Figure FDA0003654805990000024
Figure FDA0003654805990000025
其中z1，z2分别观测W和f，e1＝z1-W，β1,β2代表的是两个可以调节的观测器的非时变参数，δ1为给定的参数；e(t)为误差值；
Figure FDA0003654805990000026
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述非线性误差反馈控制器通过如下公式构造得到：
u＝(a1fal(ξ,0.5,δ1)-f0-z2)/b0；
其误差值为ξ＝ν-z1，其中ν为外环传递加速度值，z1为扩张状态观测器对加速度的观测值，式中a1表示非线性控制器的增益，z2/b0为f的补偿量。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述外环控制器的输出值是内环自抗扰控制器的输入目标值；
将模型改写为：
Figure FDA0003654805990000031
其中，a0，b1，f0可以通过公式变形求得；
定义e3＝z3-x1并设计扩张状态观测器为
z3＝z4-β1e3+f+b1u；
z4＝-β2fal(e3,0.5,δ2)；
式中z3,z4为状态x1,x2的观测值，δ2为给定参数。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述误差反馈控制器通过如下方式构建获得：
令误差信号为ε＝ρ-z3，其中ρ为目标转速，z3为扩张状态观测器的角度观测值，构造非线性误差反馈控制器为：
ν＝(a2fal(ε,0.5,δ3)-f-z4)/b1，式中a2为非线性控制器的增益，z4/b1是f的补偿量。
8.一种柴油机，搭载了如权利要求1～7任一项中所述的柴油机转速串级自抗扰控制系统。
9.一种机车，搭载了如权利要求9所述的柴油机。
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