[发明专利]一种带扰动补偿和有限时间收敛的自抗扰控制方法

说明书

本发明主要提供了一种带扰动补偿和有限时间收敛的自抗扰控制方法，包括扰动补偿和有限时间收敛两部分，其中：扰动补偿就是将死区和抗饱和环节引入控制率设计中，并将误差扰动通过观测器进行补偿，以抑制负载扰动；有限时间收敛为设计基于有限时间收敛的自抗扰误差反馈控制率。

技术领域：

本发明涉及船用柴油机控制，尤其涉及带扰动补偿和有限时间收敛的自抗扰控制方法。

背景技术：

复杂海况引起的负载扰动常常导致船舶控制系统波动频繁，不仅加大控制系统执行机构的磨损，而且导致柴油机转速振荡，转速振荡又使喷油量剧烈波动，而增压器增压压力滞后于喷油量的变化，最终会恶化柴油机燃烧性能，加大污染物排放；如果处于极端负载扰动时，甚至出现控制输入饱和现象，这会引起超调加大、控制滞后、调节时间变长等问题，严重时使系统不稳定。目前，柴油机转速控制规律主要采用PID控制，但PID控制参数需随工况变化而变化，否则控制效果有限。因此，部分学者将模糊控制、神经网络等与PID相结合，提高其自适应性能；部分学者跳出PID控制框架，采用现代控制理论，如滑膜控制，无模型控制等设计控制方法，提高了控制效果。上述文献都未对负载扰动引起控制系统动作频繁、甚至控制输入饱和现象进行研究。对于控制系统动作频繁的问题，文献在控制输入量中引入死区控制，控制效果较好，但只适用于离散控制；对控制输入饱和现象最简单的处理办法是降低控制系统增益，避免饱和现象的发生，但此方法因未充分利用控制系统容量，降低了执行器的实际性能，最终导致控制系统性能下降。因此，研究和设计抑制控制系统动作频繁和控制输入饱和现象的方法具有很重要的理论和实际意义。

发明内容：

为了解决上述问题，本发明提供了一种带扰动补偿和有限时间收敛的自抗扰控制方法，将死区和抗饱和扰动补偿模块引入观测器，以降低负载扰动时推进控制系统的动作频率，提高控制输入饱和时的控制性能；自抗扰的误差反馈环节采用有限时间收敛的滑模反馈控制律，降低了误差反馈控制环节的收敛性证明难度。

技术方案：

一种带扰动补偿和有限时间收敛的自抗扰控制方法，包括扰动补偿和有限时间收敛两部分，其中：

扰动补偿就是将死区和抗饱和环节引入控制率设计中，并将误差扰动通过观测器进行补偿，以抑制负载扰动；

有限时间收敛为设计基于有限时间收敛的自抗扰误差反馈控制率。

所述扰动补偿的具体步骤为：

步骤一、建立负载扰动下控制系统的数学模型：

并根据公式(1)推断得到：

其中，k₁、k₂是拟合函数的系数，V_d为气缸每循环排空容积，K_Q是扭矩系数，N_st是冲程数，ρ是海水密度，D是螺旋桨直径，η_i是指示热效率，是每循环流入气缸的燃油平均质量，I是柴油机、轴系和螺旋桨各桨叶总的转动惯量，H_u是燃油低热值，n_e(t)是柴油机转速，

设定船用电控柴油机系统状态量为：x₁(t)＝∫n_e(t)dt，x₂(t)＝n_e(t)，则公式(1)可以写成：

其中，f(x₁(t)，x₂(t))+g(x₁(t)，x₂(t))u(t)-b₀u(t)为推进进系统总和扰动，且有界，u(t)是推进系统的输入量，y(t)是推进系统的输出量，b₀＞0是估计值；