馬建忠

（江蘇航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通226010）

1 概述

航空電源車是機(jī)場(chǎng)上的移動(dòng)發(fā)電站，其具備發(fā)電、供電功能。按照類型劃分電源車分為有三種，分別為自行電源車、拖帶電源車和固定電源車[1]。如果采用動(dòng)力區(qū)分其則可分為兩種，分別為動(dòng)力型電源車和發(fā)動(dòng)機(jī)電源車。目前航空使用的電源車以上述類型中的自行電源車為主，并且為發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力[2]。其主要的作用是飛機(jī)起飛前用于啟動(dòng)以及對(duì)飛機(jī)的各種電源進(jìn)行檢查，其對(duì)于飛機(jī)的性能和安全飛行起到直接的影響。因此，本文針對(duì)PI 控制器在航空電源車電力穩(wěn)定控制過程中使用情況，研究基于自適應(yīng)參數(shù)調(diào)整的航空電源車電力穩(wěn)定控制方法，對(duì)PI 控制器參數(shù)實(shí)行優(yōu)化，確定最佳參數(shù)，以此保證電源車電力的穩(wěn)定。

2 基于自適應(yīng)參數(shù)調(diào)整的航空電源車電力穩(wěn)定控制

2.1 航空電源車電流控制系統(tǒng)

2.1.1 控制系統(tǒng)框架

控制航空電源車電流，是保證其電力穩(wěn)定的主要手段。設(shè)電流整定值、實(shí)際值和測(cè)量值分別用Ido、Id和Idmeas表示；整流器觸發(fā)角和電壓值分別用α 和Ud(0)表示，且后者屬于空載直流，并在有相空理想狀態(tài)下[3]。

開環(huán)傳遞函數(shù)的描述公式，其為：

式中：G(s)、G1(s)、G2(s)、G3(s)分別表示四種環(huán)節(jié)，依次分別對(duì)應(yīng)PI 控制、換流器、直流線路和測(cè)量。

2.1.2 PI 控制

PI 控制環(huán)節(jié)是控制系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)，PI 控制器在對(duì)航空電源車電流控制過程中，發(fā)生動(dòng)作的條件是Ido小于Idmeas、α 變大。其傳遞函數(shù)求解公式為：

式中：PI 的比例系數(shù)用Kp表示；積分系數(shù)用Ki表示，且兩者均為可調(diào)整參數(shù)。

2.2 參數(shù)調(diào)整優(yōu)化原理

在保證航空電源車電力穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，確定最優(yōu)控制參數(shù)，可提升系統(tǒng)的相應(yīng)性能，該參數(shù)的尋找范圍是在Kp和Ki的可行域空間中完成[4]。

由于時(shí)間和絕對(duì)誤差積分的乘積性能指標(biāo)J 具備良好的實(shí)用性，因此將其作為PI 參數(shù)的最佳調(diào)整方法，J 作為衡量穩(wěn)態(tài)誤差和調(diào)節(jié)時(shí)間的綜合性能指標(biāo)，其計(jì)算公式為：

其中：系統(tǒng)的輸入用r(t)表示，e(t)表示其與實(shí)際輸出的差值；u(t)和y(t)分別表示控制系統(tǒng)的控制量和輸出。

2.3 基于自適應(yīng)量子粒子群算法的參數(shù)調(diào)整

傳統(tǒng)粒子群算法在執(zhí)行過程中，存在收斂性較慢、穩(wěn)定性較差等問題，是由于其自動(dòng)默認(rèn)全部粒子的慣性權(quán)重w 等同導(dǎo)致。因此，為提升收斂性和穩(wěn)定性，w 的選擇需依據(jù)粒子自身和全局最佳結(jié)果的距離差異實(shí)行確定[5]，則w 的調(diào)整公式為：

式中：最大和最小慣性權(quán)值分別用wmax和wmin表示；fit(x)、fitw和fitb分別表示三種適應(yīng)度，依次對(duì)應(yīng)為粒子、最差粒子以及最佳粒子。利用上述調(diào)整公式，完成參數(shù)w 的調(diào)整，可在較大程度上提升算法的性能，使控制系統(tǒng)的控制性能更佳。

2.4 尋優(yōu)步驟

基于自適應(yīng)量子粒子群算法的參數(shù)調(diào)整的詳細(xì)步驟如下所述：

2.4.1 粒子群初始化：該過程包含w 調(diào)整、η2的調(diào)整、Kp、Ki、Kd的調(diào)整。

2.4.2 對(duì)粒子的位置和速度實(shí)施更新。

2.4.3 計(jì)算粒子的函數(shù)適應(yīng)度值Ji。如果Ji的位置比最佳粒子位置好，那么用Ji替換最佳粒子位置；如果Ji的位置比最佳適應(yīng)值好，那么用Ji替換最佳適應(yīng)值。

2.4.4 判斷算法是否符合停止條件，符合轉(zhuǎn)至步驟2.4.7 ，反之轉(zhuǎn)至下一步。

2.4.5 對(duì)算法的停滯實(shí)行判斷，如果停止轉(zhuǎn)至下一步，反之回轉(zhuǎn)至步驟2.4.3 。

2.4.6 w 的調(diào)整需根據(jù)粒子適應(yīng)度值的差異而確定各自的自適應(yīng)調(diào)整策略。

2.4.7 輸出最優(yōu)值。

3 測(cè)試分析

選取某機(jī)場(chǎng)使用的發(fā)電機(jī)類型航空電源車為研究對(duì)象，測(cè)試本文方法在參數(shù)調(diào)整后的電力穩(wěn)定控制效果。該研究對(duì)象的交流為115V、直流為28V，電壓為220V，頻率為400Hz，且為三相交流電系統(tǒng)。電力穩(wěn)定控制標(biāo)準(zhǔn)為：整流側(cè)直流電流整定值的控制波動(dòng)范圍標(biāo)準(zhǔn)為小于0.2；階躍控制波動(dòng)范圍標(biāo)準(zhǔn)為小于0.25。

實(shí)驗(yàn)采用Matlab/Simulink 軟件完成，粒子群規(guī)模55，最大迭代次數(shù)120，加速常數(shù)為2.5，慣性權(quán)重范圍（0.51，0.97），粒子維數(shù)2。

3.1 參數(shù)調(diào)整后的電流階躍響應(yīng)測(cè)試

為分析本文方法參數(shù)調(diào)整后的控制性能，整流側(cè)和逆變側(cè)直流電流階躍響應(yīng)變化曲線，結(jié)果見圖1。

圖1 控制結(jié)果曲線變化測(cè)試結(jié)果

根據(jù)圖1 測(cè)試結(jié)果可知：參數(shù)調(diào)整前的整流側(cè)和逆變側(cè)直流電流階躍響應(yīng)變化曲線均波動(dòng)顯著，波動(dòng)范圍均超出標(biāo)準(zhǔn)期望范圍；參數(shù)調(diào)整后的整流側(cè)和逆變側(cè)直流電流階躍響應(yīng)變化曲線變化相對(duì)平穩(wěn)，波動(dòng)范圍均在期望標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。該結(jié)果表明：本文方法在對(duì)相應(yīng)參數(shù)實(shí)行調(diào)整后，可顯著保障航空電源車電流階躍穩(wěn)定性。

3.2 電力穩(wěn)定控制效果測(cè)試

電力的穩(wěn)定控制是方法最終的實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，為衡量本文方法對(duì)電力穩(wěn)定性的最終控制結(jié)果，以參數(shù)調(diào)整前后研究對(duì)象的直流電流和電壓為衡量指標(biāo)，測(cè)試本文方法的電力穩(wěn)定控制結(jié)果，見圖2。

圖2 電力穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果

根據(jù)圖2 測(cè)試結(jié)果可知：參數(shù)調(diào)整前控制后的電壓和電流的波動(dòng)明顯，范圍較大；參數(shù)調(diào)整后的電壓和電流的波動(dòng)范圍明顯減小，均在標(biāo)準(zhǔn)的電壓值220V 和電流值28A 上下波動(dòng)。該結(jié)果表明參數(shù)調(diào)整后，對(duì)于航空電源車電力穩(wěn)定性的控制效果更佳，滿足控制期望需求。

結(jié)束語

PI 控制器在實(shí)行航天電源車電力穩(wěn)定控制過程中，其參數(shù)的取值對(duì)于控制效果具備直接影響，本文提出基于自適應(yīng)參數(shù)調(diào)整的航空電源車電力穩(wěn)定控制方法，提升PI 控制器對(duì)于電力穩(wěn)定控制的性能，并對(duì)其的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明：參數(shù)調(diào)整后，PI 控制器的相關(guān)控制參數(shù)均為全局最佳值，顯著提升控制器的控制性能，最大程度保證電力穩(wěn)定性的控制。