張 俊,汪曉東,鐘建偉

(1.國(guó)網(wǎng)恩施供電公司，湖北 恩施 445000;2.湖北民族學(xué)院 信息工程學(xué)院,湖北 恩施 445000)

帶PID調(diào)節(jié)器的高性能直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

張 俊1,汪曉東1,鐘建偉2*

(1.國(guó)網(wǎng)恩施供電公司，湖北 恩施 445000;2.湖北民族學(xué)院 信息工程學(xué)院,湖北 恩施 445000)

轉(zhuǎn)速反饋控制系統(tǒng)用PI調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)了無靜差調(diào)節(jié)，并用電流環(huán)限制了電樞電流，消除了負(fù)載轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)對(duì)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速的影響，實(shí)現(xiàn)較好的動(dòng)態(tài)過程.雖然其動(dòng)態(tài)性能可以滿足一般工業(yè)需求，但是對(duì)于最動(dòng)態(tài)性能要求高的場(chǎng)合，傳統(tǒng)的雙閉環(huán)就無法滿足要求.結(jié)合內(nèi)?？刂圃恚岢隽艘环N新型PID轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，使系統(tǒng)具有更好的動(dòng)態(tài)性能.經(jīng)過MATLAB/SIMULINK仿真，結(jié)果表明控制系統(tǒng)能穩(wěn)定運(yùn)行在目標(biāo)工作點(diǎn)，并且相比于傳統(tǒng)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有更好的動(dòng)態(tài)性能和抗擾動(dòng)性能.

直流電動(dòng)機(jī)；高性能；調(diào)速系統(tǒng)；雙閉環(huán)；內(nèi)模控制

由于直流電動(dòng)機(jī)的電樞繞組和勵(lì)磁繞組磁耦合較弱，使得直流電動(dòng)機(jī)有良好的運(yùn)行特性且控制方式簡(jiǎn)單.直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性硬，調(diào)速范圍寬，且容易實(shí)現(xiàn)無極平滑調(diào)速，所以直流電動(dòng)機(jī)在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域廣泛的被作為電力執(zhí)行元件[1-3].

閉環(huán)控制作為電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的主要控制方式之一，能夠是系統(tǒng)穩(wěn)定的工作在目標(biāo)工作點(diǎn)，并且具有較強(qiáng)的抗擾動(dòng)特性.在直流電動(dòng)機(jī)單閉環(huán)調(diào)速的基礎(chǔ)上，用PI控制器實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)無凈差，并且消除了負(fù)載轉(zhuǎn)矩對(duì)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速的影響.但是，在這種控制方式下，無法限制啟動(dòng)電流，從而有可能導(dǎo)致燒毀電機(jī).

然而，在傳統(tǒng)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)下，引入了電流內(nèi)環(huán)，在轉(zhuǎn)速環(huán)飽和的情況下，限制了電樞電流，解決了單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的缺點(diǎn)，但是其啟動(dòng)超調(diào)量較大，受擾動(dòng)時(shí)，動(dòng)態(tài)速降較大，恢復(fù)時(shí)間也較長(zhǎng)[4-6].本文按照傳統(tǒng)方式確定了電流環(huán)的參數(shù)，根據(jù)內(nèi)?？刂圃?，確定了新型轉(zhuǎn)速環(huán)的參數(shù)，使調(diào)速系統(tǒng)具有高性能的正反轉(zhuǎn)工作狀態(tài).Matlab/Simulink平臺(tái)仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)能穩(wěn)定運(yùn)行，相比于傳統(tǒng)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)有更好的動(dòng)態(tài)特性，調(diào)節(jié)時(shí)間大大減少，對(duì)負(fù)載突變時(shí)動(dòng)態(tài)速降小，有更強(qiáng)的魯棒性.

1 內(nèi)模控制原理

如圖1所示為內(nèi)?？刂频慕Y(jié)構(gòu)框圖[7-8]，P(s)為被控對(duì)象的數(shù)學(xué)型，M(s)為過程模型， Q(s)為內(nèi)?？刂破?，R(s)為輸入信號(hào)，Y(s)為輸出信號(hào)，D(s)為擾動(dòng)信號(hào).將圖1所示系統(tǒng)等效變換后得到圖2的系統(tǒng)框圖.

圖1 內(nèi)模控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 等效變換后的系統(tǒng)框圖

圖3 雙閉環(huán)調(diào)速結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

如圖2所示，內(nèi)?？刂破鞯膫鬟f函數(shù)為:

(1)

(2)

由上面的等效變換，得到系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為:

(3)

假設(shè)模型是精確的，即P(s)=Q(s).要使系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件是，M(s)和Q(s)都是穩(wěn)定的.而由閉環(huán)傳遞函數(shù)分析可得，若內(nèi)模控制器Q(s)=M-1(s)，可使系統(tǒng)輸出Y(s)等于輸入R(s)，在擾動(dòng)輸入D(s)輸入下，輸出為0.

可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的跟蹤和完全抑制干擾的效果.然而現(xiàn)實(shí)中由于對(duì)象的時(shí)滯特性，采用理想的控制器對(duì)誤差極為敏感，若模型不準(zhǔn)確，很難保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性.所以在理想控制器上引入濾波器，使系統(tǒng)得到期望的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性.

2 雙閉環(huán)組成及對(duì)新型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定

圖3所示為雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖.調(diào)節(jié)器主要有兩種工作狀態(tài)，即飽和和不飽和.當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出為最大幅值，飽和的調(diào)節(jié)器使輸出信號(hào)不能再跟隨給定信號(hào)，相當(dāng)于開環(huán)工作.實(shí)際上，正常工作時(shí)電流環(huán)不會(huì)達(dá)到飽和的狀態(tài)，因此，對(duì)于靜態(tài)特性來說，只有轉(zhuǎn)速環(huán)飽和和不飽和兩種工作狀態(tài).

轉(zhuǎn)速環(huán)不飽和時(shí)，兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不處于飽和狀態(tài).作為外環(huán)的轉(zhuǎn)速環(huán)起主導(dǎo)作用，電流環(huán)跟隨轉(zhuǎn)速信號(hào)與給定信號(hào)的誤差信號(hào)，服從轉(zhuǎn)速環(huán)的誤差信號(hào).穩(wěn)態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)輸出信號(hào)為零.

此外，對(duì)于如圖3所示系統(tǒng)，電網(wǎng)電壓變化對(duì)調(diào)速系統(tǒng)也產(chǎn)生擾動(dòng)作用.由于負(fù)載擾動(dòng)能夠比較快地反映到轉(zhuǎn)速上，從而得到調(diào)節(jié)，而電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的作用點(diǎn)離被調(diào)量要遠(yuǎn)一些，調(diào)節(jié)作用受到延滯，因此單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)抑制電壓擾動(dòng)的性能要差一些.

對(duì)于雙閉環(huán)系統(tǒng)而言，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動(dòng)可以通過電流反饋得到比較及時(shí)的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來，抗擾性能大有改善.因此，雙閉環(huán)系統(tǒng)中電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起的轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)變化會(huì)比單閉環(huán)系統(tǒng)小得多.

對(duì)于電流環(huán)采取工程設(shè)計(jì)方法，并將其為Ⅰ型系統(tǒng)，則電流閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

(4)

用等效代替環(huán)節(jié)代替電流環(huán)后，電流環(huán)的傳遞函數(shù)為：

(5)

圖4 等效成單位負(fù)反饋和小慣性近似的處理

對(duì)等效變換后的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，被控對(duì)象的傳遞函數(shù)變?yōu)椋?/p>

(6)

根據(jù)內(nèi)?？刂圃?，Wre(s)為P(s)，新型的濾波器采用如下的傳遞函數(shù).

(7)

那么內(nèi)模控制器的傳遞函數(shù)為：

(8)

由式(1)得到，新型的轉(zhuǎn)速環(huán)傳遞函數(shù)為：

(9)

很顯然，這是一種PID控制器，但是只有一個(gè)可調(diào)參數(shù).

3 仿真實(shí)驗(yàn)

直流電源參數(shù)：VS=220 V，開關(guān)管選用N溝道MOSFET.直流電機(jī)參數(shù)：Ra=0.06 Ω，La=0.001 2 H，Rf=20 Ω，Lf=0.05 H，Laf=0.07 H.ACR參數(shù)：P=9.8，I=17.傳統(tǒng)ACR參數(shù)：P=0.000 86，I=0.002 98.新型的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR參數(shù)：P=7.207 40，I=0.133 3，D=0.007 733，電流反饋系數(shù)：β=0.01 6.轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：α=1.

圖5 仿真結(jié)構(gòu)圖

圖6 傳統(tǒng)轉(zhuǎn)速環(huán)轉(zhuǎn)速波形

圖7 傳統(tǒng)轉(zhuǎn)速環(huán)電樞電流波形

圖8 新型轉(zhuǎn)速環(huán)轉(zhuǎn)速波形

圖9 新型轉(zhuǎn)速環(huán)電樞電流波形

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了帶PID轉(zhuǎn)速環(huán)的雙閉環(huán)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，建立了跟蹤控制，實(shí)現(xiàn)了高性能動(dòng)態(tài)調(diào)速.相比于傳統(tǒng)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，其啟動(dòng)超調(diào)量，受擾動(dòng)時(shí)，動(dòng)態(tài)速降，調(diào)節(jié)時(shí)間等動(dòng)態(tài)性能都大為提升.Matlab/Simulink仿真結(jié)果表明，由圖9和圖7可以看出，啟動(dòng)過程和受負(fù)載擾動(dòng)時(shí)，新型轉(zhuǎn)速環(huán)的電樞電流由最大電樞電流衰減到穩(wěn)定的負(fù)載電流時(shí)間相比于傳統(tǒng)雙閉環(huán)大大減少了，這與之前分析的結(jié)論也相符合.

該控制器能保證系統(tǒng)在目標(biāo)點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行，具有高動(dòng)態(tài)性能，對(duì)電機(jī)啟動(dòng)和負(fù)載突變都表現(xiàn)出非常理想的動(dòng)態(tài)性能.

[1]Juan W Dixon,Ivan A Leal.Current control strategy for brushless DC motors based on a common DC signal[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2009，17(2): 232-240.

[2]Pragasen Pillay,Ramu Krishnan.Modeling, simulation and analysis of permanent-magnet motor drives，part II：the brushless DC motor drive[J].IEEE Transactions on Industry Application,2009，25(2):274-279.

[3]Hijazi T M,Demerdash N A.Computer-aided modeling and experimental verification of the performance of power conditioner operated permanent magnet brushless DC motors including rotor damping effects[J].IEEE Transactions on Energy Conversion，2008，3(3):714-721.

[4]楊祖元，楊華芬.雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)模糊PID控制研究[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2011,28(3)：921-923.

[5]章麗紅，臧小惠.基于FUZZY-PID直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真與分析[J].計(jì)算機(jī)仿真，2009,26(1)：154-161.

[6]Libin W, Hui L,Yong K S.Fuzzy control based on self-adjusted parameter for brushless DC motor[J].Proceedings of the 2007 DEEE International Conference on Mechatronics and Automation,Harbin,China,2007,17(3):674-678.

[7]戴文戰(zhàn),丁良,楊愛萍.內(nèi)?？刂蒲芯窟M(jìn)展[J].控制工程,2011,18(4):487-492.

[8]Matausek M R,Micic A D,Dacic D B.Modified internal model control approach to the design and tuning of linear digital controllers[J].Int J of System Science,2001,33(1):67-79.

責(zé)任編輯：時(shí)凌

SimulationResearchonSpeedRegulationSystemofDoubleClosedLoopWithPIDAdjusterofDCMotor

ZHANG Jun1,WANG Xiaodong1,ZHONG Jianwei2

(1.State Grid Enshi Power Compary,Enshi 445000,China;2.School of Information Engineering,Hubei University for Nationalities,Enshi 445000,China)

With the feedback of speed control system,we use PI adjuster to realize zone-error adjustment and eliminate the influence of disturbance of load torque on speed,and use current loop to limit the current of armature, realizing the better dynamic quality.Although its dynamic quality can meet the common needs of industries, the traditional double closed loop are not satisfied in the occasions which request high dynamic properties.This article puts forward a new PID speed adjuster to make the speed regulation system has a better dynamic property according to the principle of internal model control(IMC).The result of the simulation on MATLAB shows that the control system can work at the point of destination steadily, which has a better dynamic property and disturbance-resistant performance than the traditional speed regulation of double closed loop.

DC motor；high property；speed regulation；double-closed-loop；internal model control

2014-05-23.

湖北省自然科學(xué)基金計(jì)劃項(xiàng)目(2012FFB01102).

張俊(1970- )，男，高級(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制的研究;*

：鐘建偉(1972- )，男，教授，主要從事電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制的研究.

TM641

A

1008-8423(2014)02-0211-04