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原文传递基于自抗扰控制理论的船舶柴油机转速控制技术研究

论文题名：	基于自抗扰控制理论的船舶柴油机转速控制技术研究
关键词：	船舶柴油机;转速控制;自抗扰控制;时间尺度;曲轴转角
摘要：	柴油机具有热效率高、功率范围广、机动性好、安全、可靠等突出优点，被广泛用作船舶推进和辅助发电。由于柴油机结构复杂、运行环境多变、工况范围广，且工作时涉及燃油喷射、油气混合、燃烧、传热、做功等复杂物理和化学过程，使得船用柴油机具有强非线性、时变性和强耦合性特征，且易受状态变化和负载扰动影响，这将增加船舶柴油机转速控制的难度。转速控制的效果不但影响柴油机的经济性、动力性和排放性能，且事关柴油机工作的安全性和可靠性，若转速失控甚至会造成机毁人亡的重大事故。为保证柴油机转速控制的稳定性和准确性，通常采用全工况转速闭环控制技术。传统的PID转速控制方法，存在控制参数适应范围小、抗干扰能力弱、整定困难等突出问题。而高度依赖控制对象数学模型的现代控制理论，受制于难以建立兼顾实时性的柴油机全工况精准模型，在应用于柴油机转速控制时，还面临未建模动态和鲁棒性等技术难题。自抗扰控制理论具有不依赖被控对象数学模型、抗干扰能力强、控制参数整定简单等突出特点，比较适合应用于船舶柴油机转速控制。柴油机转速控制具有其特殊性，为此，针对柴油机转速控制的特点，开展适应性、鲁棒性更强的基于自抗扰控制理论的船舶柴油机转速控制策略设计研究非常必要。论文的主要研究内容如下: 　　(1)搭建船舶柴油机转速控制仿真模型和试验系统。针对柴油机间歇性做功和转速循环波动的特点，为提高仿真的准确性，本文在平均值模型的基础上，建立了能够体现柴油机间歇性扭矩产生过程和循环转速波动的高速柴油机分缸平均值模型。为了验证所设计控制器具有跨机型参数移植的能力，建立了低速二冲程柴油机模型。同时，为验证所设计转速控制策略的性能，基于自动代码生成技术研制了嵌入式自抗扰控制器，搭建了高、低速柴油机兼容的半物理仿真平台以及柴油机试验台。　　(2)时域自抗扰控制器及其参数设计方法研究。在带宽化自抗扰控制器与PID进行等价性分析的基础上，研究了该等效PID在复平面内零点的分布规律，借此确定了观测带宽与控制带宽比值的选择方法。研究了以对阶跃扰动的恢复时间为基础的自抗扰控制器参数设计方法，并通过参数根轨迹方法研究了自抗扰控制器中各参数对闭环控制系统性能的影响规律。采用频域分析方法比较了三种常见扩张状态观测器增益的取值方式，确定了船舶柴油机转速控制中扩张状态观测器增益参数的取值方案。为实现多机型柴油机转速控制器之间控制参数的快捷迁移，对现有基于时间尺度的自抗扰控制策略进行改进，将时间尺度和关键增益参数b0解绑实现了控制参数的空间伸缩变换。仿真试验结果表明:与传统的方法相比，设计的基于时间尺度的自抗扰控制器不但具有良好的鲁棒性和抗扰性，而且伸缩变换得到的控制参数能够满足不同被控对象对不同调节时间的要求，满足了柴油机转速控制中对不同工况、不同机型需要设置不同调节时间的需求。　　(3)基于曲轴转角域的自抗扰控制器设计。为适应船舶柴油机转速大范围变化、间歇脉动工作的特点，在曲轴转角域设计了自抗扰控制器，并将时域中基于阶跃扰动过程调节时间的带宽化参数设计方法扩展至曲轴转角域，定义了曲轴转角域的控制带宽和观测带宽，开展了曲轴转角域带宽化参数的设计研究。探讨了关键增益参数b0的获取问题，并推广至曲轴转角域。同时，将改进的时间尺度方法扩展至曲轴转角域，定义了曲轴转角域转角尺度，通过曲轴转角域转角尺度的伸缩变换实现了跨机型控制参数快捷整定。系统地分析了所设计的曲轴转角域自抗扰控制器特点，揭示了其在船舶柴油机转速控制上的优势。　　(4)基于曲轴转角域的自抗扰控制器试验验证。首先，在半物理硬件在环仿真平台上，对所设计的曲轴转角域自抗扰控制器进行了全面的性能测试，试验表明:相较于时域自抗扰控制器，曲轴转角域自抗扰控制器在全工况都具有优良的转速控制效果，稳态工况下，转速稳态波动率最多可减少41.9％，负载突变情况下转速超调量最多可减少8.7％，恢复时间最多可缩短8.3％，且对于不同柴油机机型，仅通过曲轴转角域转角尺度的伸缩变换和关键增益参数b0的调节即可完成控制参数的迁移，实现了跨越机型的参数快速整定。最后，在柴油机台架上进行了典型工况试验测试，测试结果表明:在转速1200r/min时，将自抗扰控制器和PID控制器的转速控制性能调成一致，转速升高至1600r/min后，自抗扰控制器相比PID控制器，转速稳态波动率减少了31.6％，负载突变时，转速超调量减少了17.4％，恢复时间减少了87.5％，保持控制参数不变，在低速进行加/减速测试时，前者几乎无超调且调节时间减少0.5～1s，进一步证明了曲轴转角域自抗扰控制器在实际应用中具有较强的鲁棒性、良好的对转速变化的适应性、较强的对外部扰动的抑制能力以及良好的稳、动态兼顾能力。
作者：	王润芝
专业：	动力工程及工程热物理
导师：	马修真
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2022