王瑞萍 史步海 皮佑國(guó)

(華南理工大學(xué)自主系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室∥自動(dòng)化科學(xué)與工程學(xué)院，廣東廣州510640)

比例積分微分(PID)控制作為線性最佳控制在工業(yè)過(guò)程控制中得到了廣泛的應(yīng)用．PID控制器依據(jù)對(duì)象模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，方法規(guī)范成熟，簡(jiǎn)單實(shí)用，因而得到廣泛的應(yīng)用．然而，控制對(duì)象的現(xiàn)有模型往往是忽略許多時(shí)變、非線性等因素而簡(jiǎn)化得到的．對(duì)于高性能的控制系統(tǒng)，上述因簡(jiǎn)化被忽略的因素將直接影響系統(tǒng)的性能．人們一般通過(guò)建立更加貼近實(shí)際對(duì)象的模型和改變控制器的適應(yīng)性對(duì)系統(tǒng)的高性能控制進(jìn)行研究［1-6］．

文獻(xiàn)［1］中認(rèn)為實(shí)際系統(tǒng)通常大都是分?jǐn)?shù)階的，采用分?jǐn)?shù)階控制器控制有分?jǐn)?shù)階特性的對(duì)象是一種有效的控制方法．對(duì)于分?jǐn)?shù)階PI控制器，除了比例系數(shù)Kp、積分系數(shù)Ki和微分系數(shù)Kd對(duì)系統(tǒng)性能有影響外，微分階次μ和積分階次對(duì)調(diào)節(jié)系統(tǒng)性能也起到重要的作用，由于微分、積分階次可以是整數(shù)也可以是分?jǐn)?shù)，使得分?jǐn)?shù)階控制器比整數(shù)階PID控制器調(diào)節(jié)自由度更大，所以分?jǐn)?shù)階PI控制器對(duì)系統(tǒng)的控制要比整數(shù)階PID控制器靈活［2］．另外，分?jǐn)?shù)階 PI控制器對(duì)本身的控制參數(shù)和被控對(duì)象參數(shù)在一定范圍內(nèi)變化不敏感，能很好地控制系統(tǒng)，加強(qiáng)了系統(tǒng)的魯棒性．由分?jǐn)?shù)階微、積分的記憶性質(zhì)可知，控制器能夠保證系統(tǒng)的控制精度［3］．

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是以速度、加速度等運(yùn)動(dòng)學(xué)物理量為被控制量的控制系統(tǒng)．在實(shí)際中，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)可分為恒值控制系統(tǒng)和隨動(dòng)控制系統(tǒng)．文中主要研究恒值控制系統(tǒng)的抗擾性能．恒值控制系統(tǒng)中被控制量設(shè)定值一般不變化或變化很緩慢，在外界擾動(dòng)下控制量受到的影響較小或在系統(tǒng)控制作用下設(shè)定值能快速恢復(fù)［7］．文中以三相交流永磁同步電機(jī)(PMSM)為控制對(duì)象，研究分?jǐn)?shù)階比例積分(FO-PI)速度控制策略．將電流環(huán)校正后的對(duì)象作為等效對(duì)象，研究該系統(tǒng)的速度抗擾性能，并與采用按照時(shí)間乘以誤差絕對(duì)值積分(ITAE)的最優(yōu)化性能指標(biāo)設(shè)計(jì)的整數(shù)階比例積分(IO-PI)控制器的速度控制系統(tǒng)的抗擾性能進(jìn)行比較．

1 控制對(duì)象、控制器和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

1．1 控制對(duì)象

交流永磁同步電機(jī)通常采用矢量控制策略，令直軸電流id=0后，轉(zhuǎn)速－轉(zhuǎn)矩控制為典型的電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制．電流環(huán)經(jīng)電流調(diào)節(jié)器校正后，簡(jiǎn)化的轉(zhuǎn)速環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示．圖中E(s)為輸入，P(s)為被控對(duì)象的傳遞函數(shù)(含電流內(nèi)環(huán))，C(s)為速度控制器的傳遞函數(shù)，F(xiàn)(s)為擾動(dòng)(負(fù)載力矩)，Y(s)為系統(tǒng)的輸出．

圖1 簡(jiǎn)化的轉(zhuǎn)速環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig．1 Simplified structure of the speed-loop system

文中采用的交流永磁同步電機(jī)的參數(shù)如下:相電樞電阻 R=0．29Ω，轉(zhuǎn)矩常數(shù) KT=1．83N·m/A，電氣性時(shí)間常數(shù)T1=19ms，轉(zhuǎn)子慣量J=0．00341kg·m2．電流環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器，參數(shù)整定后得到電流閉環(huán)等效的慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)為T=0．00112 s，進(jìn)而得到控制對(duì)象的等效模型為

由于式(1)中的系統(tǒng)增益K可以轉(zhuǎn)移到控制器的Kp中而不影響整個(gè)控制系統(tǒng)的系統(tǒng)增益，故不失一般性，將對(duì)象(1)中的系統(tǒng)增益規(guī)范化為1．

1．2 FO-PI和 IO-PI控制器

FO-PI控制器有如下形式:

IO-PI控制器有如下形式:

式中，Kp1和Ki1分別為比例增益和積分增益．

1．3 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

假定截止頻率ωc和相位裕度φm已知．為了滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性和魯棒性的要求，由截止頻率和相位裕度的基本定理［8］得到關(guān)于開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)G(s)的相位和幅值的準(zhǔn)則如下［9］:

(1)相位裕度準(zhǔn)則

(2)系統(tǒng)增益變化的魯棒性準(zhǔn)則

在給定截止頻率處，相位的導(dǎo)數(shù)為0．也就是說(shuō)，相位伯德圖在對(duì)應(yīng)截止頻率處是平的，即系統(tǒng)對(duì)開(kāi)環(huán)增益變化的魯棒性好，而階躍響應(yīng)的超調(diào)量應(yīng)幾乎不變．

(3)幅值準(zhǔn)則

2 FO-PI控制器的設(shè)計(jì)方法

由式(1)可知，控制對(duì)象的相位和幅值分別為

2．1 分?jǐn)?shù)階控制器的設(shè)計(jì)

根據(jù)文獻(xiàn)［9］提出的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，F(xiàn)O-PI控制器的頻域表達(dá)式可寫(xiě)為

其相位和幅值分別為

開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為

由式(7)和(10)得到G(jωc)的相位為

由式(13)可得Ki和之間的關(guān)系:

根據(jù)準(zhǔn)則(2)可得

由式(15)可建立關(guān)于Ki和之間的另一關(guān)系式:

根據(jù)準(zhǔn)則(3)可得到關(guān)于Kp的方程:

顯然，由式(14)、(16)和(17)可以解得 Ki和Kp．

2．2 設(shè)計(jì)步驟

根據(jù)式(14)和(16)，采用作圖的方法來(lái)求解Ki和．具體步驟如下:

(1)設(shè)定系統(tǒng)截止頻率ωc=100rad/s和期望的相位裕度φm=60°;

(2)根據(jù)式(14)、(16)畫(huà)出 Ki關(guān)于的曲線，如圖2所示;

(3)通過(guò)曲線交點(diǎn)得到Ki和的圖解值;

(4)根據(jù)式(17)計(jì)算Kp．

圖2 Ki與的關(guān)系Fig．2 Kiversus

圖3 采用FO-PI控制器的系統(tǒng)伯德圖Fig．3 Bode diagram of the system with FO-PI controller

3 仿真實(shí)驗(yàn)

對(duì)于分?jǐn)?shù)階PI?控制器，分?jǐn)?shù)階算子s?采用Oustaloup遞推濾波器近似［10］．假設(shè)需要逼近的頻段為(ωb，ωh)，m= ωh/ωb，濾波器的階次為 2N+1，將s視為一個(gè)連續(xù)的濾波器，則用Oustaloup算法近似的傳遞函數(shù)為

永磁同步電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要包括PMSM、空間電壓脈寬調(diào)制(SVPWM)、電流調(diào)節(jié)器(ACR)、速度調(diào)節(jié)器(IOC/FOC)等．實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用電動(dòng)機(jī)－發(fā)電機(jī)機(jī)組，發(fā)電機(jī)由PMSM伺服驅(qū)動(dòng)，發(fā)電機(jī)負(fù)載是一個(gè)電阻箱．ia、ib和ic為三相電流，θ為電機(jī)轉(zhuǎn)子通過(guò)位置傳感器時(shí)的實(shí)測(cè)角度．

圖4 PMSM伺服控制系統(tǒng)的框圖Fig．4 Block diagram of PMSM servo control system

文中按照ITAE性能指標(biāo)來(lái)設(shè)計(jì)整數(shù)階PI控制器，因?yàn)榘凑赵撝笜?biāo)可設(shè)計(jì)出具有高負(fù)載擾動(dòng)抑制的控制器，在最大限度地減少系統(tǒng)超調(diào)的同時(shí)能保持系統(tǒng)的魯棒性［11］．其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中，t為時(shí)間，e(t)為誤差．依據(jù)該準(zhǔn)則，得到整數(shù)階 PI控制器的參數(shù)為 Kp1=2．3 和 Ki1=33［12］．

控制系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中，電動(dòng)機(jī)負(fù)載的變化、電網(wǎng)電壓的波動(dòng)等，都會(huì)引起系統(tǒng)輸出量的變化，經(jīng)歷一段動(dòng)態(tài)過(guò)程后，系統(tǒng)總能達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)，這就是系統(tǒng)的抗擾過(guò)程［13］．其中電壓波動(dòng)可用比例系數(shù)Kp來(lái)描述，而Kp的變化反應(yīng)了系統(tǒng)參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)的影響，即系統(tǒng)的魯棒性．據(jù)此，文中通過(guò)突加及突減負(fù)載來(lái)考察外界干擾對(duì)系統(tǒng)的影響，通過(guò)改變比例系數(shù)Kp來(lái)考察控制對(duì)象參量的變化對(duì)系統(tǒng)的影響．

在Matlab/Simulink環(huán)境下，按照實(shí)際的永磁同步電機(jī)模型建模與仿真，采用相同的電流內(nèi)環(huán)，分別通過(guò)突加和突減負(fù)載來(lái)考察采用FO-PI控制器和IO-PI控制器的系統(tǒng)抗擾性能．如圖5所示，在t=1s處突加一個(gè)負(fù)載(幅值為2的一個(gè)階躍響應(yīng))，在t=2s處去掉該負(fù)載．當(dāng)開(kāi)環(huán)增益在±10%范圍變化時(shí)，采用IO-PI和FO-PI控制器的系統(tǒng)魯棒性能如圖6所示．

圖5 抗擾性能仿真結(jié)果Fig．5 Simulation results of disturbance resistance

圖6 Kp變化時(shí)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)Fig．6 Step responses of system with Kpchanges

從圖5可以看出，采用IO-PI控制器的速度輸出波形在加負(fù)載和去負(fù)載時(shí)都有一個(gè)明顯的波動(dòng)，需要一定的恢復(fù)時(shí)間才能再次達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)降落ΔCmax和恢復(fù)時(shí)間tv(見(jiàn)表1，恢復(fù)時(shí)間是指從階躍擾動(dòng)作用開(kāi)始，到輸出量基本恢復(fù)穩(wěn)態(tài)所需的時(shí)間)比較大;而采用FO-PI控制器的速度輸出波形基本保持不變．從輸出的結(jié)果可以看出，采用FO-PI控制器的系統(tǒng)的抗擾性能要優(yōu)于采用IO-PI控制器的系統(tǒng)．從圖6可以看出，當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)增益在±10%范圍變化時(shí)，采用IO-PI和FO-PI控制器的系統(tǒng)的超調(diào)量及過(guò)渡過(guò)程時(shí)間、動(dòng)態(tài)速降及恢復(fù)時(shí)間都基本保持不變，這意味著閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)開(kāi)環(huán)增益變化是魯棒的，但采用FO-PI控制器的系統(tǒng)的階躍響應(yīng)和擾動(dòng)響應(yīng)的超調(diào)量均比采用IO-PI控制器的系統(tǒng)小．仿真結(jié)果表明，F(xiàn)O-PI控制器可以提高控制系統(tǒng)的抗擾性能，采用FO-PI控制器的系統(tǒng)具有較強(qiáng)的魯棒性．

表1 兩種控制器的抗擾性能的仿真結(jié)果Table 1 Simulation results of disturbance resistance of the two controllers

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示，控制對(duì)象為電動(dòng)機(jī)－發(fā)電機(jī)機(jī)組，電動(dòng)機(jī)為日本三洋公司P6伺服電機(jī)．具體是通過(guò)驅(qū)動(dòng)器控制三相永磁同步電機(jī)帶動(dòng)一臺(tái)發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)負(fù)載為電阻箱．伺服驅(qū)動(dòng)裝置為實(shí)驗(yàn)室自制，其中同步電機(jī)采用SVPWM控制策略，控制器采用DSP2812芯片．

圖7 實(shí)驗(yàn)裝置Fig．7 Experimental setup

Kp是整個(gè)控制系統(tǒng)的比例增益，實(shí)驗(yàn)中經(jīng)計(jì)算得到控制器的增益為Kp=6．6．文獻(xiàn)［14］給出了分?jǐn)?shù)階PI?控制器的數(shù)字實(shí)現(xiàn)算法，文中通過(guò)將FO-PI控制器算法和IO-PI控制器算法及其參數(shù)在驅(qū)動(dòng)裝置的DSP中編程來(lái)實(shí)現(xiàn)速度控制器．電流環(huán)采用PI控制，其參數(shù)經(jīng)過(guò)一定調(diào)試后在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持不變．

在實(shí)驗(yàn)中電機(jī)轉(zhuǎn)速或電流采用標(biāo)么值(p．u．)表示．p．u．=1 表示轉(zhuǎn)速為 1 500 r/min 或電流為60A，實(shí)驗(yàn)中給定額定轉(zhuǎn)速為750r/min．在相同電流內(nèi)環(huán)的基礎(chǔ)上，通過(guò)突加和突減負(fù)載來(lái)考察采用FO-PI控制器和IO-PI控制器的系統(tǒng)抗擾性能．實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示．當(dāng)開(kāi)環(huán)增益在±10%范圍內(nèi)變化時(shí)，采用FO-PI控制器的系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線如圖9所示．

圖8 抗擾性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig．8 Experimental results of disturbance resistance

圖9 Kp變化時(shí)采用FO-PI控制器的系統(tǒng)階躍響應(yīng)Fig．9 Step responses of system using FO-PI controller with Kpchanges

由圖8可以看出，兩種控制器的抗干擾能力都很好，但由FO-PI控制器調(diào)節(jié)得到的轉(zhuǎn)速波形在負(fù)載變化時(shí)無(wú)明顯的波動(dòng)，而由IO-PI控制器調(diào)節(jié)得到的速度波形在突加負(fù)載和突減負(fù)載時(shí)會(huì)有明顯的波動(dòng)．從圖8(d)可以看出，在負(fù)載變化時(shí)，采用FOPI控制器的系統(tǒng)的速度誤差曲線沒(méi)有出現(xiàn)大的波動(dòng)，并且采用FO-PI控制器的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差要小于采用IO-PI控制器的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，表明采用FO-PI控制器的系統(tǒng)具有比采用IO-PI控制器的系統(tǒng)更強(qiáng)的抗干擾能力．表2更加直觀地比較了其抗擾性能的優(yōu)劣．從圖9可以看到，采用FO-PI控制器的系統(tǒng)對(duì)開(kāi)環(huán)增益變化具有很強(qiáng)的魯棒性．

表2 兩種控制器的抗擾性能的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Experimental results of disturbance resistance of the two controllers

5 結(jié)語(yǔ)

文中研究了交流永磁同步電機(jī)的分?jǐn)?shù)階速度控制問(wèn)題，在同等實(shí)驗(yàn)條件下，基于相同結(jié)構(gòu)的控制器和相同的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，通過(guò)突加和突減負(fù)載，對(duì)采用FO-PI與IO-PI控制器的速度控制系統(tǒng)的抗擾性能進(jìn)行了仿真和原型實(shí)驗(yàn)研究，并通過(guò)改變系統(tǒng)增益來(lái)考察系統(tǒng)的魯棒性．理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都表明:對(duì)于相同的負(fù)載擾動(dòng)，采用FO-PI控制器的系統(tǒng)的恢復(fù)時(shí)間和動(dòng)態(tài)降落均比采用IO-PI控制器的系統(tǒng)小，說(shuō)明采用FO-PI控制器的系統(tǒng)的抗擾性能要優(yōu)于采用IO-PI控制器的系統(tǒng);當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)增益在±10%范圍變化時(shí)，F(xiàn)O-PI控制器依然能夠有效地控制速度，說(shuō)明其具有很強(qiáng)的魯棒性，適于在抗擾性能要求更高的速度控制系統(tǒng)中作為速度控制器．

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