直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真研究

直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真研究

0pid的智能控制自動(dòng)駕駛具有大轉(zhuǎn)向和大電機(jī)速度的優(yōu)點(diǎn)，在圈壓機(jī)和電力機(jī)之間仍然廣泛使用。直流調(diào)速系統(tǒng)在理論上和實(shí)踐上都比較成熱,從控制技術(shù)的角度來看,它又是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ);電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、智能控制理論的發(fā)展,更為直流調(diào)速系統(tǒng)繼續(xù)發(fā)展和應(yīng)用提供了契機(jī)。進(jìn)入21世紀(jì)后國(guó)外一些公司(西門子的6R24-27系列、ABB的DCV700系列等)仍在不斷推出高性能直流調(diào)速系統(tǒng)。因此,對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)的研究仍具有重要意義。直流調(diào)速系統(tǒng)中最典型的控制方式就是速度、電流雙閉環(huán)調(diào)速。由于受參數(shù)時(shí)變和不確定性等因素的影響,傳統(tǒng)的控制方法常受到很大的局限。另外,PID控制方法往往在系統(tǒng)快速性與穩(wěn)定性之間不能兩者兼顧。模糊控制不依賴于被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型,既能克服非線性因素的影響,又具有較強(qiáng)的魯棒性。因此,筆者給直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)引入模糊控制器,以改善系統(tǒng)性能。1電機(jī)啟動(dòng)和制動(dòng)過程中的轉(zhuǎn)速反饋通道電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)由電流調(diào)節(jié)器(ACR)和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器(ASR)串級(jí)聯(lián)接,電流負(fù)反饋為內(nèi)環(huán)、轉(zhuǎn)速反饋為外環(huán),如圖1所示,其中E為電動(dòng)機(jī)在勵(lì)磁作用下的電樞反電動(dòng)勢(shì)。ASR的輸出作為ACR的輸入,ACR的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置;通過設(shè)置轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出限幅并配合調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速反饋通道的增益,可得到電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、制動(dòng)等過程中的電樞回路的最大電流值,使得電動(dòng)機(jī)快速地啟動(dòng)和制動(dòng)。通過電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)可以很好地抑制電網(wǎng)電壓波動(dòng)和負(fù)載變化等擾動(dòng)量對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的影響。1.1直流雙閉環(huán)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性仿真結(jié)果已知某直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),其控制系統(tǒng)主回路與直流電動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)如下:電動(dòng)機(jī):Pnom=150kW,Inom=700A,nnom=1000r/min,Ra=0.05Ω。主回路:Rd=0.08Ω,Ld=2mH,全控橋式整流輸出端的脈動(dòng)波頭數(shù)m=6。負(fù)載及電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:GD2=125kg·m2。電流反饋系數(shù)β=0.0095V/A,轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)α=0.01V·min/r。電動(dòng)機(jī)機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm=0.8s,電動(dòng)機(jī)電磁時(shí)間常數(shù)Tl=0.025s,轉(zhuǎn)速反饋通道濾波時(shí)間常數(shù)Ton=0.001s,電流反饋通道濾波時(shí)間常數(shù)Toi=0.002s,晶閘管放大系數(shù)Ks=23,時(shí)間常數(shù)Ts=0.0017s。啟動(dòng)電流取1050A(為額定值的1.5倍)。其它參數(shù)工程計(jì)算從略。依據(jù)圖1可在Matlab下建立直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型,如圖2所示。ASR的參數(shù)設(shè)置:Kp=60.5,Ki=11.5,限幅值為[-10,10];ACR的參數(shù)設(shè)置:Kp=1.24,Ki=40,限幅值為[-10,105]。STEP的Steptime為0,Initialvalue為0,Finalvalue為10,通過ManualSwitch可很方便地實(shí)現(xiàn)仿真時(shí)負(fù)載的手動(dòng)切換。將該直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在Simulink下運(yùn)行后,仿真結(jié)果如圖3所示。從圖3可看出,空載、額定負(fù)載、適當(dāng)過載3種情況下,系統(tǒng)均先以恒定大電流快速啟動(dòng);到額定轉(zhuǎn)速后具有一定的超調(diào);穩(wěn)態(tài)時(shí)速度曲線為水平線,說明靜態(tài)較好;2.5s處突加過載干擾,系統(tǒng)仍然平穩(wěn),說明抗擾能力較好。綜合看來,直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)與靜態(tài)特性,可以很好地抑制擾動(dòng)量對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的影響。從圖3(b)可看出,該直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在突加給定電壓Un時(shí),整個(gè)啟動(dòng)的過渡過程可分為電流上升、恒流升速、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)3個(gè)階段,該期間ASR會(huì)經(jīng)歷不飽和、飽和、退飽和3個(gè)狀態(tài)。ASR飽和時(shí),轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán),系統(tǒng)為電流單閉環(huán)系統(tǒng);ASR不飽和時(shí),系統(tǒng)為無靜差系統(tǒng),且由于ASR的自身特性,系統(tǒng)超調(diào)難以避免。解決該問題的一個(gè)簡(jiǎn)單有效的辦法是在ASR上引入轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋,這一環(huán)節(jié)可以抑制轉(zhuǎn)速超調(diào)直到消除超調(diào),同時(shí)可以大大降低動(dòng)態(tài)速降,但是恢復(fù)時(shí)間會(huì)延長(zhǎng),還必須采取濾波措施以防止新的干擾;另外,因?yàn)槌跏紬l件不同,在求帶微分負(fù)反饋雙閉環(huán)系統(tǒng)的退飽和和過渡過程不能象普通雙閉環(huán)系統(tǒng)那樣借助于系統(tǒng)的抗擾性能曲線?？傊?常規(guī)直流雙閉環(huán)調(diào)速方法是基于系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型的,在增加解決環(huán)節(jié)的同時(shí),系統(tǒng)模型趨于復(fù)雜,不利于實(shí)施,可能還會(huì)影響系統(tǒng)的可靠性,為此,筆者引入不依賴于系統(tǒng)精確數(shù)學(xué)模型的模糊控制方法。1.2模糊控制器設(shè)計(jì)模糊控制由于其最大優(yōu)點(diǎn)是不依賴于被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型,能夠克服非線性因素的影響,對(duì)調(diào)節(jié)對(duì)象的參數(shù)變化具有較強(qiáng)的魯棒性并且控制簡(jiǎn)單,因此,筆者對(duì)ASR引入模糊控制,以改善常規(guī)直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)升速階段的轉(zhuǎn)速開環(huán)局面和動(dòng)態(tài)性能。然而,由于常規(guī)模糊控制相當(dāng)于PD控制,不具有積分能力,導(dǎo)致基于模糊控制的系統(tǒng)調(diào)整階段及穩(wěn)定階段又難以很好地消除穩(wěn)態(tài)誤差,在變量分級(jí)不夠多的情況下,會(huì)在平衡點(diǎn)附近有振蕩現(xiàn)象,使得系統(tǒng)靜特性下降?；谝陨戏治?將要給出的新直流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)在電流環(huán)仍采用常規(guī)PI調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上,轉(zhuǎn)速環(huán)改為模糊控制器與常規(guī)PI分時(shí)作用。當(dāng)偏差e大于設(shè)定閾值時(shí),采用模糊控制,以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度獲得良好的動(dòng)態(tài)特性,而當(dāng)偏差e小于設(shè)定閾值時(shí),系統(tǒng)切換至常規(guī)PI調(diào)節(jié),以發(fā)揮PI調(diào)節(jié)器靜態(tài)特性好的特點(diǎn)。該直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)模糊控制器的工作過程:先依據(jù)檢測(cè)到的轉(zhuǎn)速計(jì)算轉(zhuǎn)速偏差(e)和轉(zhuǎn)速偏差變化率(ec),再將兩者模糊化處理成模糊量并送給模糊控制器;模糊控制器按照模糊推理規(guī)則計(jì)算得到控制量(u)輸出,模糊控制量清晰化為精確量后去控制后級(jí)裝置。如圖4所示,模糊控制器為單變量二維結(jié)構(gòu)。在定義模糊子集時(shí),應(yīng)注意使論域中任何一點(diǎn)對(duì)這些模糊子集的隸屬度的最大值不能太小,否則會(huì)在這些點(diǎn)附近出現(xiàn)不靈敏區(qū),以致造成失控使模糊控制器性能變壞;同時(shí)要適當(dāng)增加子集論域中的元素個(gè)數(shù),以獲得模糊子集對(duì)論域較好的覆蓋性,但論域元素的增多會(huì)增大運(yùn)算量,一般選擇誤差論域的n≥6,選誤差變化率論域的m≥6,輸出控制量的論域p≥7。隸屬度函數(shù)的曲線形狀較尖時(shí),控制靈敏度較好。在此:e、ec和u的模糊集均為{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB};e和u的論域均取為{-10,…,+10};ec的論域均取為{-6,…,+6}。在Matlab下調(diào)用FISEditor選擇編輯輸入量(e、ec)和輸出變量(u)的隸屬函數(shù),確定論域內(nèi)各元素對(duì)模糊語言變量的模糊語言值隸屬度,并將結(jié)果保存至工作空間以便仿真時(shí)模糊控制器調(diào)用;由該輸入量模糊集可得到49條模糊控制規(guī)則,如表1所示。在常規(guī)直流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上引入模糊控制器,如圖5所示,該模型的仿真結(jié)果如圖6所示。在仿真過程中應(yīng)注意Switch跳變值的選擇,可根據(jù)仿真圖形進(jìn)行修改以獲得最佳值,若跳變過早則不能發(fā)揮模糊控制器的作用。考慮到圖2中的速度PI調(diào)節(jié)器在轉(zhuǎn)速上升至接近穩(wěn)態(tài)時(shí),經(jīng)過開關(guān)跳變才起作用,故可不用串限幅環(huán)節(jié)。仿真過程中發(fā)現(xiàn),若Switch跳變過早,ASR會(huì)飽和。從圖6可看出,系統(tǒng)上升時(shí)間縮短;升速段到穩(wěn)定態(tài)過渡平穩(wěn);速度超調(diào)明顯改善;與圖3相比,電流曲線下降段到穩(wěn)定態(tài)由陡峭下降變?yōu)槠交^渡,這也是系統(tǒng)能平穩(wěn)過渡的主要原因。2matlab的模糊邏輯工具(1)嚴(yán)格工程設(shè)計(jì)下的常規(guī)直流雙閉環(huán)系統(tǒng)動(dòng)、靜態(tài)性能較好,適用性強(qiáng),其理論體系為其它調(diào)速