基于擾動觀測器的他勵直流電機調(diào)速系統(tǒng)

李全棒，惠運東

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基于擾動觀測器的他勵直流電機調(diào)速系統(tǒng)

李全棒，惠運東

（東南大學，江蘇 南京 210009）

冷軋管的生產(chǎn)過程中，負載轉(zhuǎn)矩會發(fā)生周期性的波動，針對該問題，提出一種新的復合控制方法。通過結(jié)合冷軋管機的電機結(jié)構(gòu)，將擾動觀測器與雙閉環(huán)控制相結(jié)合，從而提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能。理論分析與實驗仿真表明，這種復合控制方式優(yōu)于原有的PID控制，可以有效地提高系統(tǒng)的抗擾動性能。

擾動觀測器；雙閉環(huán)；PID；復合控制

在冷軋管的生產(chǎn)過程中，電機的負載轉(zhuǎn)矩會發(fā)生周期性的波動，如何降低軋機動態(tài)速降，并能縮短其恢復時間，這是冷軋管機在軋制鋼管的生產(chǎn)過程中的重要問題。在原有的工業(yè)生產(chǎn)過程中，PID控制器存在抗擾動性能差、動態(tài)性能差的問題。

針對這些問題，結(jié)合冷軋管機中電機的數(shù)學模型，本文將雙閉環(huán)控制[1]與擾動觀測器相結(jié)合。經(jīng)仿真驗證，該策略可以有效地提高系統(tǒng)的動態(tài)性能與抗擾動性能，提高軋機的生產(chǎn)效率。

1 軋機生產(chǎn)過程中的傳動力矩

軋機生產(chǎn)過程中，電機端的轉(zhuǎn)矩有負載轉(zhuǎn)矩和軋機空載轉(zhuǎn)矩[1]，軋機空載轉(zhuǎn)矩即在冷軋管機的工作過程中，曲柄驅(qū)動軋機機架作往返運動，帶動曲柄的轉(zhuǎn)輪每旋轉(zhuǎn)360°，軋機機架做一次往返運動。當軋管加載到軋輥上，此時軋機機架開始做正向運動，負載轉(zhuǎn)矩逐步上升到最大值，并保持不變。當管材軋制結(jié)束完畢，扎好的管材也剛好送出，軋機機架開始做反向運動，此時負載轉(zhuǎn)矩也變?yōu)?.

空載轉(zhuǎn)矩主要包含附加摩擦力矩、空轉(zhuǎn)力矩和動力矩。附加摩擦力為克服軋制時軋輥軸承，傳動機構(gòu)等摩擦所需要的力矩?？辙D(zhuǎn)力矩為克服軋制時軋輥軸承，傳動機構(gòu)等空轉(zhuǎn)所需要的力矩。動力矩為克服軋輥在不均勻轉(zhuǎn)動時所產(chǎn)生的慣性所需力矩，與電機的轉(zhuǎn)速角加速度有關(guān)，電機的加速度越大，則動力矩的數(shù)值越大。因此一般情況下，在電機起動時動力矩較大，等到電機的速度平穩(wěn)下來，動力矩為0.一般而言，軋機在啟動過程中，動力力矩最大，大約為空載轉(zhuǎn)矩的10倍左右，而在軋制鋼材時，軋機的動力力矩大約為空載轉(zhuǎn)矩的3～4倍左右。

2 基于擾動觀測器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

2.1 雙閉環(huán)反饋控制

工業(yè)生產(chǎn)使用中的冷軋管機多為他勵直流電機。他勵直流電機主要有三種調(diào)速方式：調(diào)節(jié)電樞電壓調(diào)速、調(diào)節(jié)電樞回路電阻調(diào)速、弱磁升速。對于要求在一定范圍內(nèi)無極平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，調(diào)壓調(diào)速的方式最佳。對于冷軋管機中的直流電機，采用調(diào)壓調(diào)速可以獲得很寬的調(diào)速范圍，并可以在調(diào)速范圍內(nèi)的任何轉(zhuǎn)速上運行，調(diào)速時的損耗小，運行效率比較高，同時便于實現(xiàn)電機的控制算法，滿足工藝要求。由上所述，調(diào)節(jié)直流電機的電樞電壓可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，同時也便于直流電機控制方案的實現(xiàn)[2]。在實際應用中，廣泛采用電流-轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)反饋控制方案[1]，與單閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)相比，雙閉環(huán)反饋控制不僅繼承了單閉環(huán)結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠等優(yōu)點，同時動態(tài)性能更好。

在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，內(nèi)環(huán)采用電流控制，外環(huán)采用速度控制。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，電流調(diào)節(jié)器的輸出控制電力電子變換器（即晶閘管移相觸發(fā)角）。轉(zhuǎn)速環(huán)為外環(huán)，是主控制環(huán)，調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的主要工作是使轉(zhuǎn)速能夠跟隨給定電壓變化，并且能保證穩(wěn)態(tài)無靜差，同時對負載轉(zhuǎn)矩的變化有抗擾動的作用。

2.2 擾動觀測器原理

擾動觀測器的基本原理是將外部干擾以及參數(shù)模型的變化造成的實際對象模型與名義模型的不確定干擾等效到控制輸入端，在控制端對擾動進行補償，以消除干擾對系統(tǒng)的影響，達到抑制擾動的效果[3]。一般情況下，被控系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為嚴格真有理分式（即分母的階數(shù)比分子的階數(shù)高），因此參考模型的逆是物理上無法實現(xiàn)的。為了解決上述問題，需要在觀測值的后面加上低通濾波器[3]。

在低通濾波器的低頻區(qū)域，系統(tǒng)模型與參考模型近似相等，同時對干擾具有較強的抑制能力，在低通濾波器的高頻領域，高頻噪聲對系統(tǒng)近乎沒有作用，而一般噪聲都是高頻噪聲，所以，對擾動觀測器的影響不大，因此，擾動觀測器可以有效抑制擾動，可以在雙閉環(huán)控制中引入擾動觀測器，這樣可以有效地抑制在生產(chǎn)過程中負載轉(zhuǎn)矩的周期性變化。

2.3 引入擾動觀測器的速度環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

在冷軋管機軋制冷軋管的瞬間，相當于對軋機施加了一個階躍擾動，此時負載轉(zhuǎn)矩會大于電機的電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系被打破，電機轉(zhuǎn)速下降。電機轉(zhuǎn)速的下降進一步引起電機感應電動勢的下降，引發(fā)電機電流的提高，電機電流與磁場作用下的電磁轉(zhuǎn)矩增加，電磁轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩形成新的平衡，電機轉(zhuǎn)速停止下降。同理，在冷軋管機離開鋼管的瞬間，軋機又從滿負荷負載狀態(tài)轉(zhuǎn)換到空載狀態(tài)，電機轉(zhuǎn)速又會經(jīng)歷一個動態(tài)升高的過程。電機轉(zhuǎn)速動態(tài)速降過大，需要引入擾動觀測器來改善電機的控制。

2.3.1 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)電流環(huán)的結(jié)構(gòu)分析

對于直流電機模型而言，電流變化很大，而轉(zhuǎn)速相對而言變化較小。反電動勢對電流環(huán)的干擾比較緩慢，當電流突然變化時，可以認為Δ=0；這樣依據(jù)動態(tài)性能來設計電流環(huán)時，可以忽略反電動勢的變化。不考慮電機電樞反電動勢，對電流環(huán)干擾條件。電流環(huán)一般采用PI調(diào)節(jié)器，通過調(diào)節(jié)PI參數(shù)，可以使得電流環(huán)的傳遞函數(shù)為一個一階慣性環(huán)節(jié)，相比于速度環(huán)，電流環(huán)的響應時間一般要遠遠短于速度環(huán)的響應時間[4]，因此，在進行速度環(huán)的分析時，可以將電流環(huán)等效成理想的比例環(huán)節(jié)。

2.3.2 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)速度環(huán)的結(jié)構(gòu)分析

由以上分析可知，電流環(huán)為等效的比例環(huán)節(jié)，同時，因為速度環(huán)的響應速度遠短于電流環(huán)的響應速度，因此，不考慮直流電機模型中，速度環(huán)生成的反電勢對電流環(huán)的作用?；跀_動觀測器的原理，結(jié)合直流電機的數(shù)學模型，引入擾動觀測器后，設計后的速度環(huán)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于擾動觀測器的速度環(huán)結(jié)構(gòu)圖

在該控制方案中，假定實際系統(tǒng)與目標系統(tǒng)的模型一致。單獨進行速度環(huán)的PI控制調(diào)節(jié)，通過調(diào)節(jié)ASR控制器的PI參數(shù)，使得PI調(diào)節(jié)的效果達到最優(yōu)。然后考慮擾動的影響，通過調(diào)節(jié)（）濾波環(huán)節(jié)的參數(shù)，來提高系統(tǒng)抗擾動能力，獲得更好的控制效果。

3 仿真分析

在理想條件下，假定模型參數(shù)與實際模型一致，比較雙閉環(huán)條件下與雙閉環(huán)+擾動觀測器下系統(tǒng)的仿真波形如圖2所示。

圖2 抗擾響應

由圖2可知，PI控制器與PI+DOB均有超調(diào)，但PI+DOB控制器的超調(diào)較小。調(diào)節(jié)時間方面，PI+DOB控制器的調(diào)節(jié)時間短于PI控制器的調(diào)節(jié)時間。對于系統(tǒng)的抗擾動能力而言，由圖2可看出，PI+DOB控制器的抗擾動性能要明顯高于PI控制器。

4 結(jié)束語

該文針對工業(yè)生產(chǎn)過程中的外部擾動，提出了基于擾動觀測器的雙閉環(huán)PI控制策略。將擾動觀測器的控制策略與冷軋管的物理模型結(jié)合，提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能和抗擾動性能。仿真結(jié)果表明，該策略可以有效提高工業(yè)生產(chǎn)過程中的控制效果。

［1］張厚升，李素玲.基于Matlab的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設計與仿真分析［J］.山東理工大學學報，2013，27（04）：50-53.

［2］Bequette B W. Process control：modeling，design，and simulation［M］.New Jersey：Prentice Hall，2003.

［3］胡曉冤.基于擾動觀測器的內(nèi)模控制在工業(yè)過程中的應用研究［J］.工業(yè)儀表與自動化裝置，2011（01）：23-25.

［4］許彥卿.基于擾動觀測器的永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)控制［D］.南京：東南大學，2016.

2095－6835（2019）07－0088－02

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10.15913/j.cnki.kjycx.2019.07.088

李全棒（1992—），男，研究方向為控制科學與工程?；葸\東（1993—），男，研究方向為控制工程。

〔編輯：張思楠〕