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專家控制在直流電動機調速系統中的應用

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.zgdlzj.com瀏覽數:3138

   摘  要:針對常規雙閉環直流調速系統的動態性能和魯棒性的不足,利用直流電動機在變速過程中的各階段特性知識庫,提出了針對雙閉環調速系統的專家控制,改善了系統的動態性能,大大提高了系統的魯棒性。和其它智能控制方式相比,該控制算法效率高,更適合于實際系統。

1引  言

   直流電動機具有良好的起制動性能,能大范圍內平滑調速,因而在可控的電力拖動領域中得到了廣泛的應用。直流調速系統現已具有較完整的理論和較成熟的實踐。目前,絕大部分直流調速系統采用轉速和電流雙閉環調速系統,其中電流調節器和速度調節器通常采用的是PI控制算法。理論研究和實踐均證明,該控制算法可提高系統的閉環穩定

性和穩態控制質量??墒?,常規PI控制雖然具有算法簡單、易于工程實現等優點,但該方法過分依賴控制對象的模型參數使得其魯棒性稍差。對于模型參數的變化以及非線性因素的影響,常規PI控制難以達到滿意的效果。對于一般的智能控制如模糊控制、神經網絡控制等,雖然在動態性和魯棒性上優越于常規PID控制,但其算法復雜,對于實際的數字控制系統來說,難以滿足實時性的要求。

   本文提出了基于直流電動機調速過程分析知識庫的專家控制算法,采用此算法的直流電動機調速系統動態性能好,對參數變化適應力強,可滿足實時性要求。

2直流雙閉環調速系統工作原理

   直流雙閉環調速系統結構如圖1所示,它由轉速調節器ASR、電流調節器ACR、PWM調節器、PWM變換器、直流電動機和傳感器組成。測速發電機把電機的速度信號送給控制部件進行比較,設定速度信號Urer與反饋信號Uv經ASR調節后輸出電流給定值Uir到電流環,進而按需要來調節電機的轉速。整個系統采用串級控制,分為轉速環(外環)

和電流環(內環)。為保持內環的抗內擾能力強和快速性好的特點,ACR采用PI控制算法。電流環根據當前電流的測量值與ASR輸出的差值進行調節,按PI算法調節PWM斬波輸出的參數,并對電機的最大電流進行限幅。在整個系統中,轉速環起主要調節作用,而電流環只是使輸出電流跟蹤ASR的輸出而已。因此為盡量簡化算法,只需將ASR設計為專家控制器,而ACR采用普通PI控制器即可。

   圖1直流調速系統結構圖

3專家控制算法

   專家控制的實質是基于受控對象和控制規律的各種知識,并以智能的方式利用這些知識來設計控制器。對于不同的受控對象,所用的控制方法可能大相徑庭。因此專家控制沒有固定的控制算法,必須根據不同的環境利用不同知識庫來設計。構造專家控制器之前,首先要建立受控對象的知識庫,因此,我們首先要對雙閉環直流電動機的調速過程進行分析。由于PI控制的理論和實踐上都非常成熟,因此我們分析基于PI控制的系統特性,專家控制器采用專家PI算法。

   在本文設計的專家控制算法中,將直流電動機工作劃分為三種模式:一是加速模式,在這種模式下,速度上升,即當前速度小于設定速度。進入加速模式的原因包括設定速度提升,負載突然加大,突加反向重力力矩(如電車上坡)等等。二是減速模式,在這種模式下,速度下降,當前速度大于設定速度。進入減速模式的原因包括設定速度減小,負載突然減小,突加正向重力力矩(如電車下坡)等等。三是穩態模式,此時當前速度等于設定速度或略有波動。對于穩態模式,ASR使用常規PI算法即可,對于加速模式和減速模式,則需要根據系統的加速和減速過程知識庫得到相應的控制算法。

3.1直流電動機調速過程知識庫

   首先分析系統加速過程。加速過程可分為三個階段。

   第1階段為電流上升階段。此時設定速度大于當前速度,速度電壓誤差Verr=Uref一Uv為正,通過兩個調節器的控制作用,使電機電樞端電壓Ud0和電機電流Id都上升。當輸出力矩大于負載力矩時,即相當于輸出電流,Id>負載電流,Id1時,電動機開始升速,其輸出很快達到限定幅值Uirmax,強迫電流,d迅速上升到最大值Idm,其中Uirmax=Idm(盧為電流反饋系數)。當Id≈Idm時,Ui≈Uirmax,電流調節器的作用使,Id跟蹤ASR輸出的設定值,不再迅速增長,標志著這一階段的結束。在這一階段中,ASR由不飽和很快達到飽和,而ACR不應飽和,以保證電流

環的調節作用。

   第Ⅱ階段為恒流升速階段。從電流升到最大值Idm開始,到轉速升到給定值nr為止,屬于恒流升速階段。在這個階段,ASR.一直是飽和的,轉速環相當于開環狀態,系統表現為在恒值電流給定Uirmax作用下電流調節系統,基本上保持電流Id恒定(電流可能超調,也可能不超調,取決于電流調節器的結構和參數),因而電機系統的加速度恒定,轉速呈線性增長。與此同時,電動機的反電動勢E也線性增長。對電流調節系統來說,這個反電動勢是一個線性漸增的擾動量,為了克服這個擾動,Ud0也必須線性增長,才能保持Id恒定。由于電流調節器是PI調節器,要使它的輸出量按線性增長,其輸人偏差電壓△Ui=Uirmax一Ui必須保持一定的恒值,也就是說Id應略低于Idm。在這一階段,ACR不應飽和。

   第Ⅲ階段為轉速調節階段。在這階段開始時,轉速已經達到給定值,轉速調節器的給定與反饋電壓相平衡,輸入偏差為零,其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值Uirmax,所以電動機仍然在最大電流下加速,必然使轉速超調。轉速超調后,速度電壓誤差Verr為負,轉速調節器.ASR輸入為負值,使它退出飽合狀態,其輸出電壓即ACR的給定電壓Uir立即從限幅值降下來,主電流Id1也因而下降。但是,由于Id仍大于負載電流,Id1在一段時間內,轉速仍繼續上升。到Id=Id1時,轉矩Te=T1,則 =0,轉速n達到峰值。此后,電動機才開始在負載的阻力下減速,與此相應,電流Id也出現一段小于Id1的過程,直到穩定。在這最后的轉速調節階段內,ASR和ACR都不飽和,同時起調節作用。

   加速過程中系統的速度和電流曲線如圖2所示。對于減速過程,情形類似,在此不再贅述。

   圖2加速時的轉速和電流波形

3.2專家控制器的設計

   首先設計加速模式下的控制。欲保證系統有良好的加速性能,需要較快的加速過程和較小的超調量。

   對于第Ⅰ階段,由于機電慣性的作用,轉速的增長不會太快,因而轉速調節器的輸入偏差電壓Verr較大,使得ASR很快飽和,使用常規PI控制即可使這階段時間很短。在第Ⅱ階段,轉速環飽和,ASR不起調節作用,因此這兩階段可按普通PI計算即可。對于第Ⅲ階段,若要縮短這段時間,可從以下兩方面著手:

   (1)系統超調時,即當前轉速大于設定轉速時,應加大PI系數,使Id迅速降到Id1;

   (2)當Id降到負載電流Id1后,則轉速環輸出應限定在βId1附近,由于電流環時間常數小,這樣可以使電流迅速穩定,從而加快轉速的穩定。要滿足這點,則需要捕捉到負載電流Id1

由圖2可以看出,在加速過程中有兩個時刻可以捕捉負載電流Id在第Ⅰ階段時轉速開始上升時,即當前速度Vcrrent大于上一次速度Vprevious時和在第Ⅲ階段時轉速達到峰值時。

理論上我們可以在這兩個時刻中任意一個捕捉到負載電流Id1,但是如果在第I階段時捕捉電流,在實際應用中不太可靠,由于干擾等原因,可能在Id<Id1時就檢測到Vcurrent>Vprevious從而造成誤捕捉。而在第Ⅲ階段時捕捉,只須采用捕捉最大值算法,就可以捕捉到峰值轉速和此時對應的輸出電流,即使有干擾,也能保證捕捉到的負載電流在,Id附近。

欲減小超調量,若不增加額外的運算,則采取的最好辦法仍然是在第Ⅲ階段系統超調時加大PI系數。

對于電動機減速模式的控制,有類似的設計。

基于以上分析,我們可以得到控制器程序流程,如圖3所示。

    圖3專家控制算法流程圖

3.3控制器算法效率分析

本算法的運算量相比常規的PI控制所需要的運算量,其所增加的控制部分大部分基于比較和判斷,因此運算量主要還是花費在計算PI輸出量所用的浮點乘和浮點加上。

對于存儲空間,本算法相比常規的PI控制,只增加了存放最大速度和最小速度寄存器,捕捉電流寄存器以及一些標志位。因此空間復雜度比常規PI略有增加,因此,本算法的時間復雜度和空間復雜度都接近于常規PI算法,遠遠低于模糊控制或神經網絡控制等智能控制。

4系統仿真

仿真以基于電動車電機系統構建模型,仿真參數為:電樞回路電阻R=0.1 8Ω,電感L=320μH;額定電壓為24V,額定電流為14 A,額定功率為300W,額定轉速1 500 r/min,轉速反饋系數α=0.01,電流反饋系數β=0.7。圖4a為整個系統的仿真結構圖,由于要捕捉電流,因此ASR的輸入需要電流反饋作為輸入。圖4b為電機模型仿真圖。

   圖4系統仿真圖

(a)系統結構圖

(b)電機模型圖

 轉速電壓Uref設定規律為:0~5 s內,Uref=10V;5~10 s內,Urf=15 V;10~15 s內,Uref=10 V;15~20s內,Uref=0。為了證實專家PI算法的魯棒性,本文轉速調節器選取了與系統參數并不匹配的PI參數進行控制。當采用常規PI控制時,在無負載干擾的情況下,輸出的速度和電流波形如圖5a所示,當采用專家PI控制的轉速調節器后(其中穩態模式下PI參數和前者相同),輸出的轉速和電流波形如圖5b所示。由圖可以看出采用專家PID控制算法后系統調速時間縮短,能很快恢復穩定,并且超調減小,效果的提升是非常明顯的。

(a)采用常規PI控制系統輸出圖(b)采用專家PI控制系統輸出圖

   圖5  系統輸出速度和電流曲線圖

同樣采取這些參數,將負載擾動加入到系統中,其中負載變化規律為:O~2 s內負載為零,在第2 s時突加負載1.5 N·m,在8 s再將負載加到1.8 N·m,在12 s時將負載突降為一1.5 N·m。圖6a是ASR采用常規PID控制算法后系統的輸出速度和電流曲線,圖6b是ASR采用專家PI控制算法后系統的輸出速度和電流曲線。由圖中可以看出,專家PI控制抗干擾性能也比常規PI算法要優越很多。

          

(a)采用常規PI控制系統輸出圖      (b)采用專家PI控制系統輸出圖

   圖6加入負載擾動后系統輸出速度和電流曲線圖

5結  語

 本文以電機調速過程的系統轉速、電流特性作為知識庫,提出了針對直流雙閉環調速系統的專家PI算法。本算法與傳統的雙閉環PI控制相比,改善了動態特性,提高了系統適應抗外部干擾能力,增強了內部參數變化的魯棒性。尤其是其運算效率非常接近常規PID算法,可用于實際系統中。需要特別指出的是,由于專家控制是基于系統的知識庫的,對系統具有很強的針對性,因此對本文提出的控制算法只適合雙閉環控制直流調速系統,對于其它控制系統則需要根據其系統的特性重新構造知識庫,再設計專家控制。

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