多風(fēng)機風(fēng)洞動力系統(tǒng)性能優(yōu)化研究

洛陽中重自動化工程有限責(zé)任公司 河南洛陽 471039

在風(fēng)洞系統(tǒng)中，為了對試驗物體進行精確的性能測試，需要得到較高壓力和較高速度的風(fēng)流，該種工況通常需要多臺風(fēng)機同步工作，協(xié)調(diào)運行。為了保證在試驗工況及負(fù)載變化時風(fēng)流系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在不改變風(fēng)機葉輪機械結(jié)構(gòu)和角度的前提下，需要利用風(fēng)機傳動系統(tǒng)動態(tài)調(diào)整電動機轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)風(fēng)速和風(fēng)量的平滑連續(xù)調(diào)節(jié)，保證調(diào)節(jié)時風(fēng)流系統(tǒng)動態(tài)及穩(wěn)態(tài)精度[1]。筆者從風(fēng)洞風(fēng)機傳動系統(tǒng)入手，通過在變頻風(fēng)機傳動系統(tǒng)控制器中引入 3 種控制軟件，采用合理的速度調(diào)節(jié)算法，有效解決了功率平衡及轉(zhuǎn)速同步問題，改善了系統(tǒng)低速及高速性能，提高了系統(tǒng)的動靜態(tài)穩(wěn)定控制精度。

1 需求分析

對于傳統(tǒng)的交流電動機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，如果負(fù)載對控制器的調(diào)速性能沒有嚴(yán)格的要求，采用常規(guī)的 V/F 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制方式即可實現(xiàn)電動機全功率段的速度調(diào)節(jié)。對于多臺交流電動機拖動的風(fēng)洞風(fēng)流系統(tǒng)，由于負(fù)載和試驗對象對風(fēng)流系統(tǒng)變化較為敏感，系統(tǒng)因外部擾動，導(dǎo)致風(fēng)流系統(tǒng)姿態(tài)發(fā)生變化時，要求調(diào)速系統(tǒng)控制器能夠采取措施控制風(fēng)機轉(zhuǎn)速輸出，調(diào)整風(fēng)流迅速恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)。此外，對控制器在穩(wěn)速控制精度，多機同步精度，動態(tài)控制精度，負(fù)載變化引起轉(zhuǎn)速恢復(fù)時間上要求也更加嚴(yán)格。

2 技術(shù)應(yīng)用

為解決上述問題，在傳動系統(tǒng)控制器中，引入了3 種控制算法，根據(jù)系統(tǒng)工況需求，調(diào)節(jié)和整定控制器參數(shù)，最終達(dá)到風(fēng)流系統(tǒng)所需的要求。

2.1 矢量控制

相較于傳統(tǒng)壓頻比控制算法，采用基于轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制算法，可實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩電流與勵磁電流的完全解耦[2]，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩電流與勵磁電流的精準(zhǔn)控制?；谑噶靠刂扑惴ń⒌拇沛溣^測模型如圖 1所示。外環(huán)為磁鏈環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)，速度環(huán)調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)矩電流給定信號isT*，磁鏈環(huán)輸出勵磁電流給定信號isM*。反饋電流經(jīng)過旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換分解為轉(zhuǎn)矩電流分量isT和勵磁電流分量isM。isT*、isT經(jīng)過 PI 調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)矩電壓分量usT；isM*、isM經(jīng)過 PI 調(diào)節(jié)輸出勵磁電壓分量usM。usT、usM經(jīng)坐標(biāo)變換后輸出三相電壓調(diào)制波，調(diào)制波經(jīng) SPWM 模塊調(diào)制后輸出 PWM 開關(guān)信號，開關(guān)信號驅(qū)動 IGBT 產(chǎn)生所需要的電壓波形。

圖1 矢量控制邏輯Fig.1 Vector control logic

由圖 1 可以看出，如果低速時采用電流磁鏈模型，高速時采用電壓磁鏈模型，并利用編碼器監(jiān)測的實時轉(zhuǎn)速無擾切換 2 種模型，利用磁鏈觀測器的精確監(jiān)測數(shù)據(jù)，進行磁鏈閉環(huán)控制，可以實現(xiàn)對磁鏈的實時、精確控制，保持磁鏈穩(wěn)定，從而減小轉(zhuǎn)矩波動，更好地穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。利用此控制算法，可以保證風(fēng)機系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時的速度控制精度和運行時的同步精度。

2.2 微分先行控制

在系統(tǒng)試驗工況及負(fù)載動態(tài)變化時，為了不影響測試效果，需要風(fēng)機能夠抑制風(fēng)流系統(tǒng)的擾動或快速調(diào)節(jié)至穩(wěn)定狀態(tài)。如果采用常規(guī)的 PID 調(diào)節(jié)控制算法，系統(tǒng)抗擾動能力和恢復(fù)時間均不能滿足要求。常規(guī) PID 控制算法下系統(tǒng)的階躍響應(yīng)及斜坡加速的仿真波形如圖 2 所示。

圖2 常規(guī) PID 控制算法下的仿真波形Fig.2 Simulation waveform based on conventional PID control algorithm

考慮在保留常規(guī)交流電動機調(diào)速控制器電流內(nèi)環(huán)、轉(zhuǎn)速外環(huán)雙閉環(huán)控制方式和控制功能的基礎(chǔ)上，在控制器的速度閉環(huán)反饋路徑上增加微分先行，并設(shè)置該功能可根據(jù)工況自動投切[3]。微分先行是指只對測量值起微分作用的控制算法，微分環(huán)節(jié)在反饋通道中，位于設(shè)定值與測量值比較點之間。增加該功能后的調(diào)速控制器結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。

圖3 微分先行矢量控制邏輯Fig.3 Differential forward vector control logic

帶轉(zhuǎn)速反饋微分先行的系統(tǒng)的階躍響應(yīng)、斜坡加速的仿真波形如圖 4 所示。與圖 2 相比，帶轉(zhuǎn)速反饋微分先行系統(tǒng)控制穩(wěn)定性明顯提高，同時消除了系統(tǒng)超調(diào)[4]。

圖4 增加微分先行的仿真波形Fig.4 Simulation waveform after adding differential forward

PI 調(diào)節(jié)器的變對象階躍響應(yīng)實測曲線如圖 5 所示。由圖 5 可以看出，相對于普通 PI 調(diào)節(jié)器 (5＜Tm＜20)，反饋微分先行的 PI 調(diào)節(jié)器在控制對象 (5＜Tm＜45) 的適應(yīng)性上存在明顯優(yōu)勢。采用微分先行控制算法，可有效抑制調(diào)速系統(tǒng)超調(diào)，系統(tǒng)抗擾動能力增強，對于由于負(fù)載擾動而導(dǎo)致的風(fēng)流系統(tǒng)姿態(tài)變化，能夠快速響應(yīng)、調(diào)節(jié)至穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5 斜波加速實測波形Fig.5 Actual measured waveform of oblique wave acceleration

2.3 變 M/T 的編碼器速度計算

在有速度傳感器的矢量控制系統(tǒng)中，調(diào)速控制器的轉(zhuǎn)速反饋信號由脈沖編碼器產(chǎn)生，編碼器速度測量的精度直接關(guān)系到速度閉環(huán)調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確性。為了保證電動機在系統(tǒng)要求的額定調(diào)速范圍內(nèi)實現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)速的精確測量，除了提高編碼器轉(zhuǎn)速的計算時鐘頻率外，還需要采用合適的編碼器測量速度計算方法，才能最終保證在高速或低速范圍內(nèi)精確的轉(zhuǎn)速測量[5]。

傳統(tǒng) M 法測速是通過檢測一段規(guī)定時間間隔內(nèi)的編碼器脈沖個數(shù)來計算轉(zhuǎn)速。這種方法高速時時間間隔T內(nèi)脈沖數(shù)M1較多，測速精度較高；低速時規(guī)定時間間隔T內(nèi)脈沖數(shù)M1較少，計算誤差變大。如果時間間隔T過長，會造成轉(zhuǎn)速響應(yīng)時間較長，最終影響轉(zhuǎn)速動態(tài)響應(yīng)性能。

傳統(tǒng) T 法測速是通過測量 2 個相鄰編碼器脈沖時間間隔進行轉(zhuǎn)速計算。這種方法在低速時由于編碼器脈沖周期T較長，測速高頻時鐘M2較多，從而測速精度較高。但在高速時由于編碼器脈沖周期T很短，測速高頻時鐘個數(shù)M2較少，測速精度較低。假定電動機額定轉(zhuǎn)速為 500 r/min，編碼器測速高頻時鐘為 40 MHz。采用 T 法進行電動機轉(zhuǎn)速的測量，如果編碼器的脈沖數(shù)為 2 048，4 倍頻后為 8 192，在額定轉(zhuǎn)速下編碼器脈沖周期T=14.648 437 5 s，測速高頻時鐘周期個數(shù)M2約為 586 個，測速相對誤差為一個測速高頻時鐘周期內(nèi)的 1/M2，則測速精度約為0.1706%，穩(wěn)速精度不高。

通過對 M 法和 T 法測速的各自特點研究發(fā)現(xiàn)，如果在低速段和高速段分別采用 T 法和 M 法測速，則可同時兼顧低速和高速的測速精度，并具有良好的實用性。因此在控制器中引入變 M/T 法測速算法，具體實現(xiàn)過程如下：同時對編碼器脈沖M1、高頻脈沖M2及預(yù)設(shè)時間T進行定時和計數(shù)，設(shè)定時間T始終等于編碼器脈沖M1的周期和，根據(jù)上一次所測轉(zhuǎn)速及時調(diào)整預(yù)設(shè)的編碼器脈沖M1的數(shù)值，達(dá)到實時調(diào)整預(yù)設(shè)時間T的目的[6]。采用變 M/T 法測速后，電動機在全調(diào)速區(qū)間內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)速度的精確測量，無論在低速段還是高速段，轉(zhuǎn)速測量精度均能達(dá)到系統(tǒng)要求，從而保證速度閉環(huán)控制。

3 試驗驗證

采用上述控制算法和控制策略優(yōu)化后的風(fēng)機風(fēng)流系統(tǒng)，經(jīng)過廠內(nèi)試驗驗證，性能及技術(shù)指標(biāo)相較于傳統(tǒng)的控制器有很大的提升。通過試驗驗證、示波器測量，優(yōu)化后的系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)如表 1 所列。

表1 系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical indexes of system

4 結(jié)語

為了滿足多臺風(fēng)機系統(tǒng)負(fù)載的特殊運行要求，在傳動系統(tǒng)控制器內(nèi)加入特殊的控制策略和控制算法。經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)無論在控制精度、低速及高速的靜態(tài)穩(wěn)定性和動態(tài)及穩(wěn)態(tài)切換過程中的調(diào)節(jié)快速性等方面都有很大的提升。在實際應(yīng)用中，可從技術(shù)指標(biāo)

入手，通過監(jiān)測實際數(shù)值進行系統(tǒng)性能驗證。