《Journal of Ocean Engineering and Science》：Prescribed-time sliding mode control for ammonia–diesel dual-fuel marine engines via an adaptive disturbance observer
编辑推荐：
论文摘要翻译
在国际海事组织净零框架的推动下，航运业正加速向零碳燃料转型。氨预计将占航运能源的36%，因此氨-柴油双燃料发动机成为实用方案。然而，其精确转速调节面临集总扰动挑战，传统PID控制器难以维持鲁棒性能。为此，本文设计了一种自适应预设时间积分滑模扰动观
论文摘要翻译
在国际海事组织净零框架的推动下，航运业正加速向零碳燃料转型。氨预计将占航运能源的36%，因此氨-柴油双燃料发动机成为实用方案。然而，其精确转速调节面临集总扰动挑战，传统PID控制器难以维持鲁棒性能。为此，本文设计了一种自适应预设时间积分滑模扰动观测器（APT-ISMDO），结合预设时间混合趋近律（PTHRL）与复合预设时间积分滑模控制器（PT-ISMC）。首先，建立了一个通用的预设时间有界稳定（PT-BS）框架，通过引入时间截断和死区机制，量化残差收敛精度并规避无界控制增益与参数漂移。其次，APT-ISMDO利用动态死区自适应机制消除对已知扰动上界的依赖，确保在预设时间内实现精确扰动补偿。最后，PTHRL采用时间截断策略桥接奇异性规避与精确镇定之间的理论鸿沟，将数学上的预设时间收敛转化为发动机转速恢复的物理安全保证。仿真结果表明，所提策略能够显著提升氨-柴油双燃料发动机的转速跟踪精度与抗干扰能力。
论文解读文章
1. 研究背景与现存问题
随着国际海事组织提出2050年前后实现温室气体净零排放的目标，氨作为零碳燃料被预测将占据航运能源的36%，成为下一代推进动力的首选。氨-柴油双燃料发动机通过高反应活性的柴油引燃低活性氨，是一种务实的过渡方案。然而，该类发动机在航行过程中面临由内部参数不确定性（如摩擦变化、未建模动力学）和外部负载（如波浪、风、螺旋桨波动）构成的集总扰动。传统的比例-积分-微分控制器在此类恶劣工况下难以保持鲁棒性能，亟需先进非线性控制策略。
现有快速收敛理论包括有限时间和固定时间方法，前者严重依赖初始状态，后者通过复杂不等式得到保守的稳定时间上界，两者均无法实现精确的时间预分配。神经自适应滑模控制虽无需扰动边界先验知识，但牺牲了时间确定性。预设时间控制可实现用户指定时间的确定收敛，却仍依赖于已知扰动上界来保证稳定性。此外，在滑模控制的趋近律设计中，传统指数趋近律及其增强变体在状态接近平衡点时收敛速度显著衰减，而双幂次趋近律虽加速了全程收敛，但通常仅保证渐近、有限时间或固定时间稳定性，无法预先指定趋近时间。对于氨-柴油双燃料发动机而言，氨的高自燃温度和缓慢火焰传播使其运行在狭窄的热力学稳定裕度内，负载冲击引起的长时间转速波动会危及功率稳定性甚至导致熄火，因此严格在用户预设时间内恢复转速成为一项严苛的安全需求。
2. 研究方法与关键技术
研究人员为克服上述难题，采用了以下三个关键技术方法：
- •
预设时间有界稳定（PT-BS）框架：系统性地引入时间截断和死区机制，量化残差收敛精度，同时提供理论指导以规避在非消失未知扰动下通常出现的无界控制增益和参数漂移问题。
- •
自适应预设时间积分滑模扰动观测器（APT-ISMDO）：结合动态死区自适应机制，消除了对已知扰动上界的依赖，结构性地防止增益过度估计，确保在预设时间内完成精确的扰动补偿。
- •
预设时间混合趋近律（PTHRL）：利用时间截断策略，明确桥接了奇异性规避与精确镇定之间的理论差距，成功地将数学上的预设时间收敛转化为独立于初始条件的、可预计算的发动机转速恢复物理安全保证。
3. 研究结果
3.1 通用PT-BS框架的建立
通过定义截断时变缩放函数并推导广义李雅普诺夫稳定性判据，研究人员证明了该框架能确保跟踪误差指标在严格早于截断时刻前进入一个略扩大的残差集，并保证了所有闭环信号的全局有界性，从而从结构上消除了参数漂移。
3.2 APT-ISMDO的设计与分析
基于PT-BS框架，设计了APT-ISMDO。该观测器利用动态死区自适应机制，使得自适应增益仅在误差超出预设阈值时才更新，避免了严重的增益高估。严格的稳定性分析表明，观测器能在用户预设的时间内实现对集总扰动的精确估计，且估计误差一致最终有界。
3.3 PTHRL与复合PT-ISMC的协同设计
提出了PTHRL，它将自适应双幂次加速与确定性预设时间特性相结合。通过时间截断策略，该趋近律在保证非奇异性的前提下，实现了滑动变量的预设时间收敛。在此基础上，结合APT-ISMDO的扰动前馈补偿，构建了复合PT-ISMC。该控制器确保了整个闭环系统的状态在用户预设时间内收敛到平衡点附近的一个小邻域内，并维持全局有界性。
3.4 对比仿真验证
以一台270mm缸径的船用氨-柴油双燃料中速发动机为对象进行仿真。与现有的有限时间滑模控制和固定时间滑模控制相比，所提出的PT-ISMC在不同工况（如设定值阶跃、负载突变、氨替代率变化）下均展现出更快的瞬态响应、更高的稳态跟踪精度以及更强的抗扰动能力，且其收敛时间可以严格按照用户预设值确定。
4. 总结与结论
研究人员针对氨-柴油双燃料船用发动机的精确转速控制问题，成功建立了一套统一的预设时间积分滑模控制（PT-ISMC）框架。该框架的核心在于首次提出了一个通用的预设时间有界稳定（PT-BS）准则，巧妙地融合了时间截断与死区机制，从根本上解决了预设时间算法与自适应滑模技术集成时固有的控制奇异性和参数漂移难题。通过设计自适应预设时间积分滑模扰动观测器（APT-ISMDO），摆脱了对扰动上界已知的先验假设，实现了预设时间内的精确扰动补偿。同时，提出的预设时间混合趋近律（PTHRL）将数学上的预设时间收敛转化为了物理上的可预计算安全保证。全面的对比仿真结果充分验证了所提策略在转速跟踪精度、瞬态响应速度和抗干扰能力方面的显著优越性，为氨-柴油双燃料发动机等高安全性要求的动力系统提供了一种可靠的控制解决方案。
