基于前饋矢量控制的AOD爐傾動(dòng)系統(tǒng)

趙 彬， 金 晶， 楊 敏

（長春工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，吉林長春 130012）

0 引 言

AOD爐傾動(dòng)裝置是AOD爐冶煉鐵合金最主要的系統(tǒng)之一。在鐵合金冶煉過程中兌鋼、出鐵合金、測溫、取樣等多個(gè)環(huán)節(jié)中都需要對(duì)傾動(dòng)系統(tǒng)做出準(zhǔn)確的位置速度控制。其作業(yè)負(fù)荷的突出特點(diǎn)是:低速、重載、正反轉(zhuǎn)、頻繁啟制動(dòng)、強(qiáng)烈沖擊[1]。在這種背景下，傾動(dòng)系統(tǒng)必須動(dòng)作準(zhǔn)確、速度合適，否則會(huì)釀成重大事故，如翻爐現(xiàn)象。在傾動(dòng)系統(tǒng)中，兩個(gè)重要的參數(shù)是傾動(dòng)速度和傾動(dòng)力矩[2]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者致力從非線性控制、最優(yōu)控制、以及自適應(yīng)控制等來解決上述過程，以獲得滿意的動(dòng)、靜態(tài)指標(biāo)。其基本原理是利用計(jì)算機(jī)的邏輯判斷能力，根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)變量、反饋信息來控制被控對(duì)象。如采用變比例位置調(diào)節(jié)器，當(dāng)系統(tǒng)階躍給定為某一常數(shù)時(shí)，以速度環(huán)、電流環(huán)是否飽和作為劃分標(biāo)準(zhǔn)，改變比例調(diào)節(jié)系數(shù)，達(dá)到過程無超調(diào)和時(shí)間最優(yōu);采用拋物線型位置調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)對(duì)任意位置給定值的無超調(diào)且時(shí)間最優(yōu);采用滑模變結(jié)構(gòu)控制和雙?？刂票３窒到y(tǒng)定位過程的加速度恒定等[3]。通常上述過程需要系統(tǒng)參數(shù)信息及被控對(duì)象的參數(shù)和模型，這在很多實(shí)際系統(tǒng)中難以實(shí)現(xiàn)。

文中針對(duì)AOD爐體特點(diǎn)，采用帶前饋的位置，基于矢量控制的轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)的串級(jí)控制方案，前饋控制能夠減少AOD爐負(fù)載急劇變化對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的影響。結(jié)果表明，前饋環(huán)節(jié)的引入可以降低穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)位置零穩(wěn)態(tài)誤差，轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制可以解耦異步電機(jī)，使得定子電流勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量相互獨(dú)立。讓異步電機(jī)的機(jī)械特性與直流電機(jī)相似。

1 前饋控制

AOD爐轉(zhuǎn)動(dòng)慣量由于爐體自重及鐵水的存在，在爐體起動(dòng)階段時(shí)是非常大的，而且負(fù)載轉(zhuǎn)矩隨著傾角和鐵水的流出也發(fā)生急劇的變化。為了抑制負(fù)載轉(zhuǎn)矩這一擾動(dòng)，采用前饋控制環(huán)節(jié)。

按照給定變化（或擾動(dòng)變化）進(jìn)行控制[4]，當(dāng)給定變化時(shí)，調(diào)節(jié)器立刻根據(jù)其性質(zhì)和大小對(duì)被控參數(shù)進(jìn)行控制，使被控量能及時(shí)跟隨給定值的變化，或補(bǔ)償擾動(dòng)對(duì)被控量的影響。使被控參數(shù)基本上不變化或變化很小[5]。大大減少控制的滯后，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 前饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 前饋控制轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制

2.1 轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制

當(dāng)兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系按轉(zhuǎn)子磁鏈定向時(shí)，異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型可以表示為[2]:

式中:Te——電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩;

TL——負(fù)載轉(zhuǎn)矩;

np——電機(jī)極對(duì)數(shù);

usm——定子電壓勵(lì)磁分量;

ust——定子電壓轉(zhuǎn)矩分量;

J——轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;

Ψr——轉(zhuǎn)子磁鏈;

ism——定子電流勵(lì)磁分量;

ist——定子電流轉(zhuǎn)矩分量;

ω——電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度;

Lm——dq坐標(biāo)系定子與轉(zhuǎn)子同軸等效繞組間的互感;

Ls——dq坐標(biāo)系定子等效繞組的自感;

Lr——dq坐標(biāo)系轉(zhuǎn)子等效兩相繞組的自感;

σ——電機(jī)漏磁系數(shù);

Tr——轉(zhuǎn)子電磁時(shí)間常數(shù)。

式（3）表明，轉(zhuǎn)子磁鏈 Ψr僅由定子電流勵(lì)磁分量ism產(chǎn)生，與轉(zhuǎn)矩分量ist無關(guān)，從這個(gè)意義看，定子電流的勵(lì)磁分量與轉(zhuǎn)矩分量是解耦的[6]。

2.2 前饋控制引入

轉(zhuǎn)速前饋補(bǔ)償系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)速前饋補(bǔ)償系統(tǒng)

為了抑制負(fù)載轉(zhuǎn)矩這一擾動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)速的影響，利用前饋控制對(duì)抑制擾動(dòng)響應(yīng)快特點(diǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)速偏差剛剛出現(xiàn)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器立刻發(fā)出調(diào)節(jié)信號(hào)，并使調(diào)控參數(shù)作相應(yīng)地變化。在圖2轉(zhuǎn)速控制器輸出的電磁轉(zhuǎn)矩 T*e后引入TL，就可以抑制它對(duì)系統(tǒng)的影響。

2.3 速度內(nèi)環(huán)仿真模型

速度內(nèi)環(huán)仿真模型如圖3所示。

圖3 速度內(nèi)環(huán)仿真模型

3 位置控制器的構(gòu)建

位置控制器原理如圖4所示。

圖4 位控器調(diào)節(jié)原理圖

圖中:Vt——速度預(yù)設(shè)定時(shí)間變量;

k——減速比;

Ksp——比例放大器的放大系數(shù);

ω——輸出轉(zhuǎn)速。

位置預(yù)設(shè)定時(shí)間變量:

調(diào)節(jié)過程如下:控制器根據(jù)傳動(dòng)的機(jī)器參數(shù)預(yù)設(shè)定的位置和轉(zhuǎn)速值，計(jì)算出速度時(shí)間特性曲線Vt和與之相關(guān)的St。在每一周期開始時(shí)的速度值Vt預(yù)設(shè)定到傳動(dòng)裝置上進(jìn)行速度預(yù)控制。同時(shí)，反饋回來的實(shí)際值Sf與St進(jìn)行比較，得出當(dāng)時(shí)偏差值ΔS，此偏差值乘以比例系數(shù)Ksp得到Vk疊加在Vt上，得出ASR應(yīng)具有的速度控制信號(hào)。

調(diào)節(jié)Ks p的值使系統(tǒng)無超調(diào)、無振蕩。位置控制的基本要求:電動(dòng)機(jī)的速度一般按梯形速度圖進(jìn)行控制，在不同的使用情況下，最優(yōu)的或最合理的速度圖是不同的，保證定位時(shí)間最省[7]。

基本定位過程曲線如圖5所示。

圖5 速度給定曲線與位置偏差曲線圖

圖中:0～t1——加速起動(dòng)段，其加速率為am;

t1～t2——最高速度運(yùn)轉(zhuǎn)段，其速度為Vm;

t2～t3——減速制動(dòng)段，減速率為am;

t3——調(diào)整機(jī)械速度為零的時(shí)刻。

定位過程如下:

1）0≤t≤t1

因?yàn)?/p>

所以

2）t1＜t≤t2

因?yàn)?/p>

所以

3）t2＜t≤t3

因?yàn)?/p>

所以

故上式中的St即為AOD爐爐體在時(shí)間0到t3內(nèi)所旋轉(zhuǎn)的角度。整個(gè)位置控制系統(tǒng)的模型如圖6所示。

圖6 位置控制器模型

4 實(shí) 驗(yàn)

在Matlab環(huán)境下進(jìn)行仿真運(yùn)算，選取參數(shù)如下:設(shè)定冶煉過程中AOD傾斜角0.9 rad/s;公稱容量12 t的AOD爐;AOD爐最大負(fù)載力矩208 kN?m;定子電阻0.228 Ω;電機(jī)極對(duì)數(shù)np為3;dq坐標(biāo)系定子與轉(zhuǎn)子互感Lm為34.7 mH; dq坐標(biāo)系轉(zhuǎn)子自感Lr為35.5 mH，轉(zhuǎn)子電磁時(shí)間常數(shù) Tr為 0.155 7;電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈 φ為0.96 Wb;減速器的總傳動(dòng)比k為800∶1;選用37.3 kW的三項(xiàng)交流異步電動(dòng)機(jī)。

系統(tǒng)的仿真模型如圖7所示。

圖7 傳動(dòng)系統(tǒng)仿真模型

電機(jī)的轉(zhuǎn)速給定曲線如圖8所示。

圖8 速度給定曲線

爐體轉(zhuǎn)角的給定曲線如圖9所示。

圖9 位置給定曲線

電機(jī)轉(zhuǎn)速輸出曲線和爐體傾角輸出曲線分別如圖10和圖11所示。

圖10 前饋控制電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速曲線

圖11 爐體傾角輸出曲線

由圖10可以看出，電機(jī)在2 s之后在轉(zhuǎn)速上有超調(diào)現(xiàn)象，這是因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)中的前饋環(huán)節(jié)造成的。最大超調(diào)處轉(zhuǎn)速為126 rad/s，速度設(shè)定曲線中轉(zhuǎn)速最大為120 rad/s。這一超調(diào)量在經(jīng)過減速器減速之后，只有0.007 5 rad/s的超調(diào)，這一數(shù)值比較小，同時(shí)又因?yàn)槌{(diào)時(shí)間比較短，所以，它對(duì)最后爐體傾角的穩(wěn)態(tài)誤差基本上沒有影響，這在圖11中就可以看出。最后爐體傾角的穩(wěn)態(tài)誤差為0，即達(dá)到了0.9 rad，而系統(tǒng)要求的控制精度為±0.12 rad。并且8 s的調(diào)節(jié)時(shí)間足以滿足冶煉工藝的要求。

5 結(jié) 語

采用了帶前饋的位置，基于矢量控制的轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)的控制對(duì)AOD爐轉(zhuǎn)速及位置系統(tǒng)進(jìn)行仿真建模。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在低速、重載的情況下，位置環(huán)能夠準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)位置無超調(diào)，且系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間較短，轉(zhuǎn)速環(huán)雖然存在小量超調(diào)，但也能滿足系統(tǒng)動(dòng)、靜態(tài)性能指標(biāo)，證明了方案是可行、有效的。

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