邏輯無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)的積分滑?？刂?/h1>
2016-10-12 01:42:02吳秀珍邵雪卷陳志梅
電氣傳動 2016年6期
吳秀珍，邵雪卷，陳志梅
（太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，山西 太原 030024）
邏輯無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)的積分滑?？刂?/p>
吳秀珍，邵雪卷，陳志梅
（太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，山西 太原 030024）
邏輯無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，但采用PI控制時電機(jī)正反轉(zhuǎn)切換性能及抗擾性能均較差，為改善系統(tǒng)上述性能，將積分滑?？刂朴糜谠撓到y(tǒng)中。又積分作用和輸出限幅環(huán)節(jié)同時存在時，系統(tǒng)容易出現(xiàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)量增大、調(diào)節(jié)時間變長的問題，因此在控制器中增設(shè)了Anti-windup補(bǔ)償裝置?；赿SPACE的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該控制方案下系統(tǒng)不僅具有良好的啟動和抗擾性能，且正反轉(zhuǎn)切換過程快速無超調(diào)。
邏輯無環(huán)流；積分滑模；抗飽和
隨著電力傳動裝置生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量需求的不斷提高，許多機(jī)械設(shè)備在實(shí)現(xiàn)自動調(diào)速的基礎(chǔ)上要求電動機(jī)可以正、反轉(zhuǎn)，即需要具有4象限運(yùn)行特性的可逆調(diào)速系統(tǒng)。有環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)中環(huán)流電抗器的數(shù)目較多，晶閘管承受負(fù)擔(dān)較重，對于大容量調(diào)速系統(tǒng)，通常采用既沒有平均直流環(huán)流又沒有瞬時脈動環(huán)流的邏輯控制可逆調(diào)速系統(tǒng)。
邏輯無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)因其簡單可靠而被廣泛應(yīng)用于冶金、礦山、輕工等各領(lǐng)域。在龍門刨床、可逆軋機(jī)、礦井提升機(jī)等系統(tǒng)中，常希望所控制設(shè)備穩(wěn)定、準(zhǔn)確，而PI控制的電機(jī)正反轉(zhuǎn)切換性能較差，轉(zhuǎn)速存在超調(diào)，由正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)的切換時間較長。為改善系統(tǒng)切換性能，引入了積分滑?？刂?，但積分作用和限幅環(huán)節(jié)同時存在時系統(tǒng)容易出現(xiàn)Windup現(xiàn)象。
為抑制Windup現(xiàn)象，文獻(xiàn)［1-2］提出了條件積分滑?？刂?，使邊界層內(nèi)為傳統(tǒng)積分作用，邊界層外積分項(xiàng)受到抑制，抑制程度由切換函數(shù)與邊界層厚度決定。文獻(xiàn)［3］在條件積分滑?？刂频幕A(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，增加了調(diào)節(jié)因子，積分項(xiàng)的抑制程度可依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。文獻(xiàn)［4］設(shè)計(jì)了一種帶有非線性積分項(xiàng)的滑模面，可通過調(diào)節(jié)非線性函數(shù)對到達(dá)積分器的誤差進(jìn)行限幅，以達(dá)到抑制Windup現(xiàn)象的目的。文獻(xiàn)［5］采用雙曲函數(shù)調(diào)節(jié)帶有積分項(xiàng)的切換控制，當(dāng)系統(tǒng)受擾時，狀態(tài)向量運(yùn)動軌跡偏離滑模面較遠(yuǎn)，切換控制作用加大，從而增強(qiáng)了系統(tǒng)抗擾性能。文獻(xiàn)［6］將Anti-windup補(bǔ)償裝置引入到積分滑?？刂破髦校⒂趧恿o助系統(tǒng)中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本文在文獻(xiàn)［6］的基礎(chǔ)上將帶有Anti-windup環(huán)節(jié)的積分滑模控制應(yīng)用到邏輯無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)中，并取得了良好的控制效果。
1 邏輯無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)
邏輯控制的可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。其中ZC為零電平檢測模塊，TP為轉(zhuǎn)矩極性鑒別模塊，DLC為無環(huán)流邏輯控制模塊。由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，可逆調(diào)速系統(tǒng)主電路設(shè)有2組反并聯(lián)的晶閘管整流裝置，ACR1用來控制正組觸發(fā)裝置GTF，ACR2控制反組觸發(fā)裝置GTR。
圖1 邏輯無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Principle figure of the non-loop-current reversible DC regulating system
當(dāng)電機(jī)由正轉(zhuǎn)切換到反轉(zhuǎn)時，ASR輸出極性由正變負(fù)，TP輸出極性發(fā)生相應(yīng)變化，在ZC未檢測到零電流時，正組保持開通，電機(jī)進(jìn)行本組逆變，主電路電感迅速釋放儲能；當(dāng)電流過零后，DLC控制正組關(guān)斷，反組開通，轉(zhuǎn)入反組制動狀態(tài)，反相電流迅速上升到 -Idm以使正向轉(zhuǎn)速下降，正轉(zhuǎn)停止后緊接著保持-Idm進(jìn)行反轉(zhuǎn)啟動，最終運(yùn)行在穩(wěn)定工作狀態(tài)。
ACR1與ACR2兩電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)保持一致，均采用PI控制，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器可在此基礎(chǔ)上按照圖2所示簡化結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行設(shè)計(jì)。
圖2 轉(zhuǎn)速環(huán)簡化結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Simplified structure of speed loop
圖2中，R為電樞電阻，Tm為機(jī)電時間常數(shù)，Ce為電動勢常數(shù)，α，β分別為轉(zhuǎn)速和電流反饋系數(shù)，TΣn為2個小時間慣性常數(shù)1/KI，Ton的合并項(xiàng)，為電流調(diào)節(jié)器參數(shù)［7］。此時，系統(tǒng)所對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型可描述如下：
2 帶有Anti-windup環(huán)節(jié)的積分滑?？刂?/h2>
2.1積分滑?？刂?/p>
針對式（1）所示數(shù)學(xué)模型，選擇系統(tǒng)狀態(tài)變量為
式中：x0為轉(zhuǎn)速誤差積分；x1為轉(zhuǎn)速誤差；x2為誤差變化率。
利用狀態(tài)變量構(gòu)建切換函數(shù)s為
式中：c0，c1為正數(shù)；p為拉普拉斯算子，p2+c1p+c0滿足赫爾維茨穩(wěn)定。
采用基于指數(shù)趨近律的滑模控制方案知：
由式（1）、式（2）知
結(jié)合式（4）得
2.2Anti-windup環(huán)節(jié)
積分作用的引入可提高系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度，增強(qiáng)系統(tǒng)抗擾性能，但當(dāng)控制作用受限時，輸出響應(yīng)容易出現(xiàn)超調(diào)增大、調(diào)節(jié)時間變長問題，通常將這種現(xiàn)象叫做Windup現(xiàn)象。圖3給出了控制作用受限時的轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線。
圖3 控制作用受限時轉(zhuǎn)速仿真曲線Fig.3 Response curve of speed when control action is limited
造成Windup現(xiàn)象的原因是由于限幅環(huán)節(jié)使控制器輸出與被控對象控制量輸入之間存在差值，系統(tǒng)誤差無法按照預(yù)期走向減小，積分作用持續(xù)積累，控制量在一段時間輸出飽和上限設(shè)定值，系統(tǒng)閉環(huán)響應(yīng)變差。
針對這種情況，本文在常規(guī)積分滑模控制中增加了Anti-windup裝置，如圖4所示。
此時積分環(huán)節(jié)輸入量增加了（u-u′）項(xiàng)，與式（2）不同，x0的表達(dá)式為
若控制器輸出在限幅范圍內(nèi)，Anti-windup補(bǔ)償裝置不起作用；當(dāng)控制器輸出大于限幅值時，Anti-windup補(bǔ)償裝置開始起作用，使得積分作用被削弱。
3 基于dSPACE的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
圖5所示為基于dSPACE DS1103單板系統(tǒng)開發(fā)的邏輯無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
DS1103通過ISA總線與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換接口與外設(shè)進(jìn)行信號傳輸。實(shí)驗(yàn)所用電機(jī)型號為DJ15他勵直流電機(jī)，主要銘牌數(shù)據(jù)為：額定電壓220 V，額定電流1.2 A，額定轉(zhuǎn)速1 600 r/min，額定功率185 W。實(shí)驗(yàn)測得數(shù)據(jù)：R=30.06 Ω，L=532 mH，Ce=0.05V·r/min，Tm=0.25 s，晶閘管裝置放大系數(shù)Ks=60。
3.2軟件設(shè)計(jì)
采用dSPACE進(jìn)行算法實(shí)現(xiàn)時無需進(jìn)行代碼編寫，可借助于RTW和RTI的支持，直接將Simulink中的模型下載到硬件設(shè)備中［8］。圖6為帶有Anti-windup環(huán)節(jié)的積分滑?？刂茖?shí)時模型。
圖6 帶有Anti-windup環(huán)節(jié)積分滑?？刂茖?shí)時模型Fig.6 Real-time model of integral sliding mode control with Anti-windup item
因電機(jī)本體、電流檢測和轉(zhuǎn)速檢測部分均被實(shí)際設(shè)備取代，所以實(shí)時模型中只保留了轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器。ADC為模/數(shù)轉(zhuǎn)換接口，DAC為數(shù)/模轉(zhuǎn)換接口，又模擬電壓1 V的采集信號幅值為0.1，所以ADC采集到的信號應(yīng)乘10，DAC輸出乘0.1。
3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
為驗(yàn)證本文控制方案有效性，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與PI控制進(jìn)行對比。圖7和圖8分別為電機(jī)正轉(zhuǎn)、正反轉(zhuǎn)切換過程轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線。
由圖7a可知，PI實(shí)時控制系統(tǒng)超調(diào)量為9%，若誤差允許范圍為2%，調(diào)節(jié)時間為1.2 s，添加與撤除負(fù)載擾動時，動態(tài)降落為85 r/min，恢復(fù)時間2 s。由圖7b可知，本文控制策略下轉(zhuǎn)速不存在超調(diào)，系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間為0.62 s，擾動下的動態(tài)降落為15 r/min，且在0.6 s后迅速恢復(fù)到給定轉(zhuǎn)速。
由正、反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線圖8可知，誤差允許范圍內(nèi)PI控制的電機(jī)正反轉(zhuǎn)切換時間為1.6 s，而積分滑模僅用時0.9 s，切換過程快速無超調(diào)。
圖7 電機(jī)正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線Fig.7 Response curves of speed when motor runs positive
圖8 正、反轉(zhuǎn)切換轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線Fig.8 Response curves of speed when motor runs between positive and negative
4 結(jié)論
比例積分控制的邏輯無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)因存在轉(zhuǎn)速超調(diào)，切換效果較差?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制對于對象模型誤差、參數(shù)變化有極佳的不敏感性，且結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)。
本文針對邏輯無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)了帶有Anti-windup環(huán)節(jié)的積分滑模控制器，并搭建了基于dSPACE的實(shí)驗(yàn)平臺。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制策略下電機(jī)正反轉(zhuǎn)切換迅速無超調(diào)，系統(tǒng)具有較強(qiáng)抗擾能力。
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Integral Sliding Mode Control of Logic Non-loop-current Reversible Speed Regulating System
WU Xiuzhen，SHAO Xuejuan，CHEN Zhimei
（Electronic Information Engineering College，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，Shanxi，China）
Logic non-loop-current reversible speed regulating system is widely used in industry field，but the switch and the immunity performance of the system with PI control are poor.In order to improve the performance，integral sliding mode control was applied to the system.However，the coexistence of integral function and output limiting item usually leads to overshoot and long adjustment time，so Anti-windup compensator was added to the controller.Experimental results based on dSPACE platform show that the system with this method not only has good starting and immunity performance，but also can quickly complete the switch between positive and negative，and the process has no overshoot.
logic non-loop-current；integral sliding mode control；Anti-windup
TP273
A
2015-06-02
修改稿日期：2016-03-22
山西省自然科學(xué)基金（2014011020-1，2）；山西省研究生教改項(xiàng)目（20132050，20142058）
吳秀珍（1990-），女，碩士，Email：wuxiuzhen_90@sina.com
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吳秀珍，邵雪卷，陳志梅
（太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，山西 太原 030024）
邏輯無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)的積分滑?？刂?/p>
吳秀珍，邵雪卷，陳志梅
（太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，山西 太原 030024）
邏輯無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，但采用PI控制時電機(jī)正反轉(zhuǎn)切換性能及抗擾性能均較差，為改善系統(tǒng)上述性能，將積分滑?？刂朴糜谠撓到y(tǒng)中。又積分作用和輸出限幅環(huán)節(jié)同時存在時，系統(tǒng)容易出現(xiàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)量增大、調(diào)節(jié)時間變長的問題，因此在控制器中增設(shè)了Anti-windup補(bǔ)償裝置?；赿SPACE的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該控制方案下系統(tǒng)不僅具有良好的啟動和抗擾性能，且正反轉(zhuǎn)切換過程快速無超調(diào)。
邏輯無環(huán)流；積分滑模；抗飽和
隨著電力傳動裝置生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量需求的不斷提高，許多機(jī)械設(shè)備在實(shí)現(xiàn)自動調(diào)速的基礎(chǔ)上要求電動機(jī)可以正、反轉(zhuǎn)，即需要具有4象限運(yùn)行特性的可逆調(diào)速系統(tǒng)。有環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)中環(huán)流電抗器的數(shù)目較多，晶閘管承受負(fù)擔(dān)較重，對于大容量調(diào)速系統(tǒng)，通常采用既沒有平均直流環(huán)流又沒有瞬時脈動環(huán)流的邏輯控制可逆調(diào)速系統(tǒng)。
邏輯無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)因其簡單可靠而被廣泛應(yīng)用于冶金、礦山、輕工等各領(lǐng)域。在龍門刨床、可逆軋機(jī)、礦井提升機(jī)等系統(tǒng)中，常希望所控制設(shè)備穩(wěn)定、準(zhǔn)確，而PI控制的電機(jī)正反轉(zhuǎn)切換性能較差，轉(zhuǎn)速存在超調(diào)，由正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)的切換時間較長。為改善系統(tǒng)切換性能，引入了積分滑?？刂?，但積分作用和限幅環(huán)節(jié)同時存在時系統(tǒng)容易出現(xiàn)Windup現(xiàn)象。
為抑制Windup現(xiàn)象，文獻(xiàn)［1-2］提出了條件積分滑?？刂?，使邊界層內(nèi)為傳統(tǒng)積分作用，邊界層外積分項(xiàng)受到抑制，抑制程度由切換函數(shù)與邊界層厚度決定。文獻(xiàn)［3］在條件積分滑?？刂频幕A(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，增加了調(diào)節(jié)因子，積分項(xiàng)的抑制程度可依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。文獻(xiàn)［4］設(shè)計(jì)了一種帶有非線性積分項(xiàng)的滑模面，可通過調(diào)節(jié)非線性函數(shù)對到達(dá)積分器的誤差進(jìn)行限幅，以達(dá)到抑制Windup現(xiàn)象的目的。文獻(xiàn)［5］采用雙曲函數(shù)調(diào)節(jié)帶有積分項(xiàng)的切換控制，當(dāng)系統(tǒng)受擾時，狀態(tài)向量運(yùn)動軌跡偏離滑模面較遠(yuǎn)，切換控制作用加大，從而增強(qiáng)了系統(tǒng)抗擾性能。文獻(xiàn)［6］將Anti-windup補(bǔ)償裝置引入到積分滑?？刂破髦校⒂趧恿o助系統(tǒng)中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本文在文獻(xiàn)［6］的基礎(chǔ)上將帶有Anti-windup環(huán)節(jié)的積分滑模控制應(yīng)用到邏輯無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)中，并取得了良好的控制效果。
1 邏輯無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)
邏輯控制的可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。其中ZC為零電平檢測模塊，TP為轉(zhuǎn)矩極性鑒別模塊，DLC為無環(huán)流邏輯控制模塊。由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，可逆調(diào)速系統(tǒng)主電路設(shè)有2組反并聯(lián)的晶閘管整流裝置，ACR1用來控制正組觸發(fā)裝置GTF，ACR2控制反組觸發(fā)裝置GTR。
圖1 邏輯無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Principle figure of the non-loop-current reversible DC regulating system
當(dāng)電機(jī)由正轉(zhuǎn)切換到反轉(zhuǎn)時，ASR輸出極性由正變負(fù)，TP輸出極性發(fā)生相應(yīng)變化，在ZC未檢測到零電流時，正組保持開通，電機(jī)進(jìn)行本組逆變，主電路電感迅速釋放儲能；當(dāng)電流過零后，DLC控制正組關(guān)斷，反組開通，轉(zhuǎn)入反組制動狀態(tài)，反相電流迅速上升到 -Idm以使正向轉(zhuǎn)速下降，正轉(zhuǎn)停止后緊接著保持-Idm進(jìn)行反轉(zhuǎn)啟動，最終運(yùn)行在穩(wěn)定工作狀態(tài)。
ACR1與ACR2兩電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)保持一致，均采用PI控制，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器可在此基礎(chǔ)上按照圖2所示簡化結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行設(shè)計(jì)。
圖2 轉(zhuǎn)速環(huán)簡化結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Simplified structure of speed loop
圖2中，R為電樞電阻，Tm為機(jī)電時間常數(shù)，Ce為電動勢常數(shù)，α，β分別為轉(zhuǎn)速和電流反饋系數(shù)，TΣn為2個小時間慣性常數(shù)1/KI，Ton的合并項(xiàng)，為電流調(diào)節(jié)器參數(shù)［7］。此時，系統(tǒng)所對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型可描述如下：
2 帶有Anti-windup環(huán)節(jié)的積分滑?？刂?/h2>
2.1積分滑?？刂?/p>
針對式（1）所示數(shù)學(xué)模型，選擇系統(tǒng)狀態(tài)變量為
式中：x0為轉(zhuǎn)速誤差積分；x1為轉(zhuǎn)速誤差；x2為誤差變化率。
利用狀態(tài)變量構(gòu)建切換函數(shù)s為
式中：c0，c1為正數(shù)；p為拉普拉斯算子，p2+c1p+c0滿足赫爾維茨穩(wěn)定。
采用基于指數(shù)趨近律的滑模控制方案知：
由式（1）、式（2）知
結(jié)合式（4）得
2.2Anti-windup環(huán)節(jié)
積分作用的引入可提高系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度，增強(qiáng)系統(tǒng)抗擾性能，但當(dāng)控制作用受限時，輸出響應(yīng)容易出現(xiàn)超調(diào)增大、調(diào)節(jié)時間變長問題，通常將這種現(xiàn)象叫做Windup現(xiàn)象。圖3給出了控制作用受限時的轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線。
圖3 控制作用受限時轉(zhuǎn)速仿真曲線Fig.3 Response curve of speed when control action is limited
造成Windup現(xiàn)象的原因是由于限幅環(huán)節(jié)使控制器輸出與被控對象控制量輸入之間存在差值，系統(tǒng)誤差無法按照預(yù)期走向減小，積分作用持續(xù)積累，控制量在一段時間輸出飽和上限設(shè)定值，系統(tǒng)閉環(huán)響應(yīng)變差。
針對這種情況，本文在常規(guī)積分滑模控制中增加了Anti-windup裝置，如圖4所示。
此時積分環(huán)節(jié)輸入量增加了（u-u′）項(xiàng)，與式（2）不同，x0的表達(dá)式為
若控制器輸出在限幅范圍內(nèi)，Anti-windup補(bǔ)償裝置不起作用；當(dāng)控制器輸出大于限幅值時，Anti-windup補(bǔ)償裝置開始起作用，使得積分作用被削弱。
3 基于dSPACE的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
圖5所示為基于dSPACE DS1103單板系統(tǒng)開發(fā)的邏輯無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
DS1103通過ISA總線與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換接口與外設(shè)進(jìn)行信號傳輸。實(shí)驗(yàn)所用電機(jī)型號為DJ15他勵直流電機(jī)，主要銘牌數(shù)據(jù)為：額定電壓220 V，額定電流1.2 A，額定轉(zhuǎn)速1 600 r/min，額定功率185 W。實(shí)驗(yàn)測得數(shù)據(jù)：R=30.06 Ω，L=532 mH，Ce=0.05V·r/min，Tm=0.25 s，晶閘管裝置放大系數(shù)Ks=60。
3.2軟件設(shè)計(jì)
采用dSPACE進(jìn)行算法實(shí)現(xiàn)時無需進(jìn)行代碼編寫，可借助于RTW和RTI的支持，直接將Simulink中的模型下載到硬件設(shè)備中［8］。圖6為帶有Anti-windup環(huán)節(jié)的積分滑?？刂茖?shí)時模型。
圖6 帶有Anti-windup環(huán)節(jié)積分滑?？刂茖?shí)時模型Fig.6 Real-time model of integral sliding mode control with Anti-windup item
因電機(jī)本體、電流檢測和轉(zhuǎn)速檢測部分均被實(shí)際設(shè)備取代，所以實(shí)時模型中只保留了轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器。ADC為模/數(shù)轉(zhuǎn)換接口，DAC為數(shù)/模轉(zhuǎn)換接口，又模擬電壓1 V的采集信號幅值為0.1，所以ADC采集到的信號應(yīng)乘10，DAC輸出乘0.1。
3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
為驗(yàn)證本文控制方案有效性，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與PI控制進(jìn)行對比。圖7和圖8分別為電機(jī)正轉(zhuǎn)、正反轉(zhuǎn)切換過程轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線。
由圖7a可知，PI實(shí)時控制系統(tǒng)超調(diào)量為9%，若誤差允許范圍為2%，調(diào)節(jié)時間為1.2 s，添加與撤除負(fù)載擾動時，動態(tài)降落為85 r/min，恢復(fù)時間2 s。由圖7b可知，本文控制策略下轉(zhuǎn)速不存在超調(diào)，系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間為0.62 s，擾動下的動態(tài)降落為15 r/min，且在0.6 s后迅速恢復(fù)到給定轉(zhuǎn)速。
由正、反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線圖8可知，誤差允許范圍內(nèi)PI控制的電機(jī)正反轉(zhuǎn)切換時間為1.6 s，而積分滑模僅用時0.9 s，切換過程快速無超調(diào)。
圖7 電機(jī)正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線Fig.7 Response curves of speed when motor runs positive
圖8 正、反轉(zhuǎn)切換轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線Fig.8 Response curves of speed when motor runs between positive and negative
4 結(jié)論
比例積分控制的邏輯無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)因存在轉(zhuǎn)速超調(diào)，切換效果較差?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制對于對象模型誤差、參數(shù)變化有極佳的不敏感性，且結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)。
本文針對邏輯無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)了帶有Anti-windup環(huán)節(jié)的積分滑模控制器，并搭建了基于dSPACE的實(shí)驗(yàn)平臺。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制策略下電機(jī)正反轉(zhuǎn)切換迅速無超調(diào)，系統(tǒng)具有較強(qiáng)抗擾能力。
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Integral Sliding Mode Control of Logic Non-loop-current Reversible Speed Regulating System
WU Xiuzhen，SHAO Xuejuan，CHEN Zhimei
（Electronic Information Engineering College，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，Shanxi，China）
Logic non-loop-current reversible speed regulating system is widely used in industry field，but the switch and the immunity performance of the system with PI control are poor.In order to improve the performance，integral sliding mode control was applied to the system.However，the coexistence of integral function and output limiting item usually leads to overshoot and long adjustment time，so Anti-windup compensator was added to the controller.Experimental results based on dSPACE platform show that the system with this method not only has good starting and immunity performance，but also can quickly complete the switch between positive and negative，and the process has no overshoot.
logic non-loop-current；integral sliding mode control；Anti-windup
TP273
A
2015-06-02
修改稿日期：2016-03-22
山西省自然科學(xué)基金（2014011020-1，2）；山西省研究生教改項(xiàng)目（20132050，20142058）
吳秀珍（1990-），女，碩士，Email：wuxiuzhen_90@sina.com
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