太阳能无人机线性自抗扰多环路能源控制

doi:10.7527/S1000-6893.2022.27812

电子电气工程与控制

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太阳能无人机线性自抗扰多环路能源控制

邵嘉琪, 张晓辉(), 席涵宇, 刘子荣

北京理工大学宇航学院，北京　100081

收稿日期:2022-07-14 修回日期:2022-08-01 接受日期:2022-09-30 出版日期:2023-05-15 发布日期:2022-10-14
通讯作者: 张晓辉 E-mail:shelhuei@bit.edu.cn
基金资助:
航空科学基金(2020Z005072001)

Multi⁃loop energy control method of linear active disturbance rejection for solar⁃powered UAVs

Jiaqi SHAO, Xiaohui ZHANG(), Hanyu XI, Zirong LIU

School of Aerospace Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 　100081，China

Received:2022-07-14 Revised:2022-08-01 Accepted:2022-09-30 Online:2023-05-15 Published:2022-10-14
Contact: Xiaohui ZHANG E-mail:shelhuei@bit.edu.cn
Supported by:
Aeronautical Science Foundation of China(2020Z005072001)

摘要/Abstract

摘要：

针对太阳能无人机的太阳能/锂电池混合能源系统高能效管理与控制问题，提出了一种基于线性自抗扰控制（LADRC）的多环路控制方法，动态控制能源系统电压/电流，实现太阳能高效利用的同时，避免锂电池过度充电。其核心思想是采用LADRC方法主动消除系统扰动，提高控制器鲁棒性和稳定性，快速稳定响应太阳能无人机机动过程辐照和载荷动态变化；设计最大功率点跟踪（MPPT）环路、稳压环路和限流环路联合控制方法，实现能源管理控制器多个状态量同时控制；通过引入竞争机制，解决控制器工作模式频繁跳变问题。首先，建立了用于MPPT环路控制的LADRC控制器模型，与PI方法进行了动态响应对比测试。然后，搭建了太阳能机翼所受辐照与飞行姿态耦合的太阳能/锂电池混合能源控制试验平台，对所提出的多环路控制方法进行八边形航线飞行模拟测试。最后，试验结果表明：相比于PI方法，基于LADRC方法的多环路控制系统的最大功率点跟踪时间可减少40%~70%，且控制系统更加稳定，瞬态响应加快；在飞行模拟测试过程中，所提多环路控制方法能够根据飞行载荷和电池电量状态平滑切换控制器工作模式，使光伏系统始终以最佳能效输出，研究结果可以为太阳能无人机的高能效飞行提供一种理论基础和工程技术支持。

关键词: 太阳能, 无人机, 混合动力, 能源控制策略, 多环路控制, 线性自抗扰控制

Abstract:

To achieve high-efficiency management and control of solar cell/lithium battery hybrid energy systems for solar-powered UAVs， we propose a multi-loop control method based on Linear Active Disturbance Rejection Control （LADRC） to dynamically control the voltage/current of the power system， realizing efficient use of solar energy and avoiding overcharging of lithium batteries. The LADRC method is used to actively eliminate the system disturbance， improve the robustness and stability of the controller， and quickly and stably respond to the external dynamic changes during the maneuvering process of the solar UAV. A joint control method combining Maximum Power Point Tracking （MPPT） loop， voltage regulation loop and current limiting loop is designed to realize the simultaneous control of multiple state quantities of the energy management controller. A competition mechanism is introduced to settle the frequent working mode switching of the controller. The LADRC controller mathematical model is first established for the MPPT loop， and the dynamic response is compared with the PID method. A solar cell/lithium battery hybrid energy test platform is then built to couple the irradiation of the solar wing with the flight attitude， and the octagonal flight simulation test conducted for the proposed multi-loop control method. The results show that the maximum power point tracking time of the single/multi-loop control system based on the LADRC method can be reduced by 40%-70%， and the control system is more stable with accelerated transient response. During the flight simulation test， the proposed multi-loop control method can smoothly switch the working mode of the controller according to the flight load and battery power state， so that the photovoltaic system can always output with the best energy efficiency. The research results can provide a theoretical basis and engineering technical support for the high-efficiency flight of solar-powered UAVs.

Key words: solar power, UAVs, hybrid power, energy control strategy, multi-loop control, Linear Active Disturbance Rejection Control (LADRC)

中图分类号:

V242.2

邵嘉琪, 张晓辉, 席涵宇, 刘子荣. 太阳能无人机线性自抗扰多环路能源控制[J]. 航空学报, 2023, 44(10): 327812-327812.

Jiaqi SHAO, Xiaohui ZHANG, Hanyu XI, Zirong LIU. Multi⁃loop energy control method of linear active disturbance rejection for solar⁃powered UAVs[J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2023, 44(10): 327812-327812.

图/表 20

图 1

图 2

图 3

图 4

表 1

动态响应测试工况参数

光伏输入参数					控制器输出参考电压
$V o c$ /V	$I s c$ /A	$V m$ /V	$I m$ /A		$V o u t$ /V
44.78	5.85	36	5.58		25.2

表 1

表 2

单控制环路参数

控制环路	LADRC		PI
MPPT环路	$b 0$	0.8×10¹⁰/3.3	$k p$	0.015
	$h (s)$	5×10^-5	$k i$	0.008
	$ω c$	1.5×10³
稳压环路	$b 0$	0.8×10¹⁰/3.3	$k p$	0.01
	$h (s)$	5×10^-5	$k i$	0.001 5
	$ω c$	0.8×10³

表 2

图 5

表 3

双控制环路参数

控制环路	MPPT环路		稳压环路
方案1	LADRC		PI
	$b 0$	0.8×10¹⁰/3.3	$k p$	0.01
	$h (s)$	5×10^-5	$k i$	0.001 5
	$ω c$	1.5×10³
方案2	PI		PI
	$k p$	0.001 5	$k p$	0.01
	$k i$	0.008	$k i$	0.001 5

表 3

图 6

表 4

三控制环路参数

控制环路	MPPT环路		稳压环路		限流环路
方案1	LADRC		PI		PI
	$b 0$	0.006×10¹⁰/3.3	$k p$	1.5	$k p$	0.02
	$h (s)$	5×10^-5	$k i$	0.2	$k i$	0.002
	$ω c$	1.35×10³
方案2	PI		PI		PI
	$k p$	1.2	$k p$	1.5	$k p$	0.02
	$k i$	0.05	$k i$	0.2	$k i$	0.002

表 4

图 7

图 8

图 9

表 5

图 10

表 6

不同飞行状态辐照度及功率

飞行状态	辐照度/ $(W · m - 2)$	$P m / W$	$P m o u t / W$	跟踪效率/%
0	829	147.7	141.2	95.6
1	846	169.5	161.5	95.3
2	827	165.6	158.1	95.5
3	782	156.5	151.3	96.6
4	739	147.7	142.2	96.3
5	722	144.3	139.6	96.7
6	742	148.3	141.3	95.3
7	786	157.3	150.1	95.4
8	830	166.2	158.7	95.5
9*	830	166.2

表 6

图 11

图 12

图 13

图 14

参考文献 30

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

参数	数值
输入电压范围/V	15~60
输出电压范围/V	1.5~57
最大功率/W	200
驱动频率/kHz	500

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