張奇志，王 釗

（西安石油大學(xué) 鉆機(jī)控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安 71003）

0 引言

在當(dāng)今社會(huì)，人們對(duì)柴油機(jī)的要求越來越高，因此在柴油機(jī)的研究過程中，對(duì)其進(jìn)行電子控制已經(jīng)成為迫在眉睫的任務(wù)。而如今，柴油機(jī)的電子調(diào)速系統(tǒng)大多數(shù)還是采用PID控制器，但是當(dāng)柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速突然跳變時(shí)，由于輸出的慣性作用，使得輸出值不能跟隨躍變，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)速產(chǎn)生誤差；另外，由于PID控制的微分環(huán)節(jié)會(huì)對(duì)噪聲產(chǎn)生放大作用，因而實(shí)際系統(tǒng)中并無微分環(huán)節(jié)，因此我們一般都是采用PI控制，使得系統(tǒng)產(chǎn)生超調(diào)或者震蕩，從而無法達(dá)到正常的校正效果[1]。針對(duì)PID控制器效果的不理想，本文主要介紹了自抗擾控制技術(shù)，并且根據(jù)自抗擾控制技術(shù)設(shè)計(jì)了切實(shí)可行的ADRC控制器，通過PID和ADRC兩種控制方法的仿真測(cè)試，結(jié)果顯示，利用自抗擾控制理論設(shè)計(jì)的控制器，能夠有效地提高調(diào)速系統(tǒng)的精度和準(zhǔn)確度，同時(shí)也增強(qiáng)了柴油機(jī)的抗擾動(dòng)能力。

1 自抗擾控制原理

自抗擾控制技術(shù)(ADRC)是中國科學(xué)院研究員韓京清提出的一種不依賴系統(tǒng)模型的新型控制技術(shù)[2]。它是從PID控制演變過來的，吸取了經(jīng)典PID“基于誤差來消除誤差”的控制策略，其發(fā)展始于一篇討論如何統(tǒng)一處理線性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和反饋系統(tǒng)計(jì)算問題的論文中的一個(gè)重要結(jié)論；一個(gè)系統(tǒng)的積分器串聯(lián)型結(jié)構(gòu)不僅是線性系統(tǒng)在線性反饋?zhàn)儞Q下的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，也是一類非線性系統(tǒng)在非線性反饋?zhàn)儞Q下的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)[3]。換句話說，就是利用“自抗擾控制器”進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，可以把系統(tǒng)中的許多不同因素歸類為對(duì)系統(tǒng)的這種或那種“擾動(dòng)”，然后用“擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器”進(jìn)行估計(jì)、補(bǔ)償，使其變?yōu)榫€性系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)形、積分器串聯(lián)型，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)反饋線性化。自抗擾控制器是由跟蹤微分器（Tracking Differentiator，TD）、擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器（Extended State Observer，ESO）和非線性狀態(tài)誤差反饋(Nonlinear State Error Feedback)控制規(guī)律構(gòu)成[4]，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 自抗擾控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 柴油機(jī)轉(zhuǎn)速自抗擾控制器的設(shè)計(jì)

2.1 柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的控制策略

常規(guī)PID控制是最早出現(xiàn)的控制器類型，因其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)從而被廣泛用于過程控制中，但是PID控制需要被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，而且難以處理非線性復(fù)雜控制系統(tǒng)[5]。自抗擾控制器由于它是由3個(gè)控制規(guī)律組成，對(duì)不同因素進(jìn)行處理，補(bǔ)償，反饋從而使其對(duì)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型要求不高，而柴油機(jī)調(diào)速控制具有非線性、時(shí)變性和不確定性等特點(diǎn)，采用常規(guī)PID控制與自抗擾控制器相比，后者顯得更加具有優(yōu)勢(shì)。

2.2 柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制的數(shù)學(xué)模型

本文以某大型的船只柴油機(jī)為實(shí)際進(jìn)行參考[5-6]，這種柴油機(jī)速度控制的數(shù)學(xué)模型為：

式中：Ka為電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)的比例系數(shù)，Ka=1；Ta為時(shí)間常數(shù)，Ta=0.35 s；τa為純滯后環(huán)節(jié)，τa=0.05 s。

2.3 自抗擾控制器的設(shè)計(jì)

我們以上述柴油機(jī)的數(shù)學(xué)模型為被控對(duì)象：

而對(duì)f(x1,x2,ω(t),t)這個(gè)被控對(duì)象進(jìn)行估計(jì)時(shí)需要使用一種典型的自抗擾控制器算法[2,4]如下：

非線性跟蹤微分器的過渡過程：

擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器：

非線性校正組合：

對(duì)于函數(shù)fhan和fal的定義如下：

2.4 仿真模型的建立

根據(jù)以上建立的控制對(duì)象數(shù)學(xué)模型，利用MATLAB中的Simulink平臺(tái)，同時(shí)搭建PID和ADRC柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)[7]，其仿真框圖如圖2所示。

圖2 ADRC控制模型和PID控制模型

3 仿真結(jié)果及分析

在我們整定好PID參數(shù)，實(shí)驗(yàn)設(shè)定柴油機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)速為100 r/min，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的情況下，在t=10 s時(shí)，給柴油機(jī)突加擾動(dòng)，如圖3所示。

從仿真圖中我們可以看出，與PID控制相比較，自抗擾控制器在外界環(huán)境出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)能夠降低10%的超調(diào)，使系統(tǒng)維持在穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，這是因?yàn)锳DRC中擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器將系統(tǒng)中含有的非線性動(dòng)態(tài)，建模過程中出現(xiàn)的不確定性和外部環(huán)境變化都看成對(duì)系統(tǒng)的各種“擾動(dòng)”，然后進(jìn)行估計(jì)，補(bǔ)償使其變?yōu)榫€性系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)型，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)反饋線性化，使之達(dá)到對(duì)干擾很好的擬制作用[8]。

圖3 突加擾動(dòng)時(shí)ADRC和PID仿真結(jié)果比較

當(dāng)柴油機(jī)以100 r/min啟動(dòng)后，在t=10 s時(shí)轉(zhuǎn)速增大為200 r/min，仿真圖如圖4（a）所示。

當(dāng)柴油機(jī)以200 r/min運(yùn)行時(shí)，在t=2 s后將轉(zhuǎn)速降低為50 r/min，等穩(wěn)定運(yùn)行后在t=16 s又將轉(zhuǎn)速調(diào)整為140 r/min，其仿真圖如圖4（b）所示。

圖4 轉(zhuǎn)速改變時(shí)ADRC和PID仿真結(jié)果比較

在圖4（a）、（b）中，自抗擾控制器分別使超調(diào)減少了將近9%和7%。經(jīng)典PID控制器采用的是將比例，積分，微分3者之間進(jìn)行簡(jiǎn)單的加權(quán)求和，當(dāng)輸入轉(zhuǎn)速短時(shí)間跳變，系統(tǒng)由于慣性繼續(xù)運(yùn)行，輸出轉(zhuǎn)速只能逐漸過渡，無法躍變，繼而出現(xiàn)偏差，這種偏差經(jīng)PID加權(quán)求和后放大，從而使得系統(tǒng)出現(xiàn)超調(diào)和震蕩； ADRC引入非線性環(huán)節(jié)構(gòu)造出的非線性跟蹤微分器能夠克服由于輸入信號(hào)不連續(xù)、不可微導(dǎo)致微分信號(hào)失真的缺點(diǎn)，將輸入和輸出產(chǎn)生的誤差進(jìn)行非線性處理，減小其控制量，從而減小了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差和調(diào)高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。

4 結(jié)論

柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)具有非線性，多變量，時(shí)變和強(qiáng)耦合的特點(diǎn)，本文通過對(duì)自抗擾控制器的簡(jiǎn)單說明，提出了一種控制具有這些特點(diǎn)被控對(duì)象的新思路。通過仿真實(shí)驗(yàn)，與傳統(tǒng)的PID控制器比較，可以看出基于自抗擾控制器的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)能夠有效地減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差和改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，使系統(tǒng)在外界擾動(dòng)作用下能夠基本保持在穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，顯示其良好的應(yīng)用前景。

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