陳久偉，童朝南

（1.北京科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，北京 100083；2.北華大學(xué)工程訓(xùn)練中心，吉林 吉林 132021）

基于智能負(fù)荷觀測器的無張力控制系統(tǒng)

陳久偉1，2，童朝南1

（1.北京科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，北京 100083；2.北華大學(xué)工程訓(xùn)練中心，吉林 吉林 132021）

首先分析了直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)，首次提出針對工程中電力拖動(dòng)系統(tǒng)在無負(fù)荷和張力傳感器條件下的智能負(fù)荷觀測器的設(shè)計(jì)，以及新的速度補(bǔ)償控制方法。詳細(xì)分析直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)矩與速度之間的關(guān)系和相互耦合影響。給出了基于智能負(fù)荷觀測器的速度補(bǔ)償控制的實(shí)現(xiàn)方法。并且給出了軋鋼生產(chǎn)線上無張力控制系統(tǒng)的實(shí)際模型和試驗(yàn)結(jié)果。

智能負(fù)荷觀測器；速度補(bǔ)償；直接轉(zhuǎn)矩控制；無張力控制

在我國工業(yè)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)中，應(yīng)用交流電機(jī)的變頻驅(qū)動(dòng)裝置占90%以上，尤其在有高精度和大范圍調(diào)速要求的工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，以精確數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，并獲得了高精度的系統(tǒng)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性能。上世紀(jì)80年代，由日本學(xué)者高勛教授［1］和德國學(xué)者Depenbrock教授［2］提出的基于空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）的直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）系統(tǒng)已成為近30年來，用于高精度交流異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)性能控制的主流方法之一。此后在全球范圍內(nèi)，眾多學(xué)者在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了長期研究和改進(jìn)，并且發(fā)表了多篇論文。在我國中文期刊中相關(guān)論述的文章就有1 600余篇。經(jīng)過廣泛的對比，不難發(fā)現(xiàn)在大量的文獻(xiàn)中，多數(shù)學(xué)者是從現(xiàn)代控制理論［3］、檢測與觀測理論［4-5］、智能優(yōu)化理論［6］和某些工程實(shí)際應(yīng)用等方面做了改進(jìn)性研究。但從基本原理上看，大多數(shù)文章仍可以歸結(jié)為學(xué)習(xí)研究型文獻(xiàn)，并未見突破性進(jìn)展。特別在對DTC與矢量控制方法的對比總結(jié)以及優(yōu)缺點(diǎn)的分析方面是完全相同的。對于DTC系統(tǒng)學(xué)者們普遍認(rèn)為，其優(yōu)點(diǎn)突出表現(xiàn)為：1）定子磁鏈定向簡單易行，不受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化而影響控制精度；2）實(shí)現(xiàn)空間矢量的雙位式Bang-Bang控制，使得力矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)極快，也是由此得名“直接轉(zhuǎn)矩控制”；3）數(shù)學(xué)模型方面使用的靜態(tài)坐標(biāo)變換比較簡單。其主要缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩有較大的脈動(dòng)。

對于轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問題，作者有明確的觀點(diǎn)：即轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)本身嚴(yán)重地限制了DTC系統(tǒng)自身的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樗牧乜刂品绞绞腔贐ang-Bang開關(guān)控制的，而在實(shí)際的系統(tǒng)中，由于電子器件的電流變化率存在限制作用，不可能達(dá)到轉(zhuǎn)矩響應(yīng)的理想狀態(tài)，并且對于負(fù)荷力矩變化較大時(shí)，這種限制將會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)速的波動(dòng)。這種波動(dòng)往往通過速度調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定不能夠迅速恢復(fù)，這是SVPWM方式的DTC系統(tǒng)原理與結(jié)構(gòu)固有的缺陷。為此，DTC控制系統(tǒng)適用于負(fù)載力矩?zé)o沖擊擾動(dòng)的情況，例如水泵、風(fēng)機(jī)負(fù)荷等。而對于類似于軋鋼機(jī)的負(fù)載，具有咬鋼、拋鋼導(dǎo)致的頻繁沖擊負(fù)荷擾動(dòng)，速度匹配精度要求高的應(yīng)用場合，有必要做一些改進(jìn)工作，方可使得DTC系統(tǒng)適應(yīng)于此類設(shè)備和更廣闊領(lǐng)域的應(yīng)用。本文首次提出智能化的負(fù)荷觀測器設(shè)計(jì)，在既無速度傳感器又無直接負(fù)荷傳感器的條件下，對于DTC系統(tǒng)的速度進(jìn)行主動(dòng)補(bǔ)償控制，借此大幅提高DTC系統(tǒng)對于沖擊負(fù)荷擾動(dòng)場合的適用性。應(yīng)用此方法于DTC系統(tǒng)，可以同時(shí)達(dá)到力矩響應(yīng)和速度響應(yīng)的高精度指標(biāo)。

1 沖擊負(fù)荷下的DTC系統(tǒng)速度響應(yīng)分析

基于空間矢量的DTC系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。從圖中清晰可見負(fù)載力矩是電機(jī)軸上直接加入的機(jī)械負(fù)荷。當(dāng)無負(fù)荷傳感器時(shí)，這個(gè)負(fù)荷沖擊只能由電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩觀測得到，它的過程是：當(dāng)TL突然增大，電磁轉(zhuǎn)矩未立即改變時(shí)，轉(zhuǎn)速ω將下降，而ω的下降導(dǎo)致Δω上升，通過速度調(diào)節(jié)器的比例積分計(jì)算，提高了電磁轉(zhuǎn)矩的給定量，有電流滯環(huán)的雙位式Bang-Bang開關(guān)控制，逐步累計(jì)電磁轉(zhuǎn)矩的輸出量，使得式（1）達(dá)到新的平衡狀態(tài)，最終使ω穩(wěn)定。

圖1 SVPWM的DTC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure of DTC about SVPWM

這個(gè)調(diào)節(jié)原理是經(jīng)典的，調(diào)節(jié)過程已是眾所周知，而且也是DTC系統(tǒng)的基本原理。但是其中存在的主要問題必須注意。速度調(diào)節(jié)器的參數(shù)無論如何調(diào)節(jié)均克服不了負(fù)荷沖擊時(shí)速度的降落與超調(diào)之間的矛盾。當(dāng)比例系數(shù)較小，積分系數(shù)較大時(shí)，負(fù)荷沖擊造成的速度降落在一定時(shí)間內(nèi)得不到恢復(fù)，這對于速度匹配精度高的應(yīng)用場合是不允許的。當(dāng)比例系數(shù)較大，積分系數(shù)較小時(shí)，速度降落恢復(fù)一些，但可能造成超調(diào)量加大，這對于速度匹配精度高的場合也是不能采納的。而且無論速度調(diào)節(jié)器參數(shù)如何整定，速度降落均不能完全恢復(fù)，究其原因的關(guān)鍵之處在于Bang-Bang電流環(huán)的控制方式和式（1）的積分原理。作者認(rèn)為，速度降落不能完全恢復(fù)是DTC系統(tǒng)的本質(zhì)，因?yàn)镈TC方式的電流內(nèi)環(huán)是通過空間矢量扇區(qū)選擇，實(shí)際上是個(gè)開關(guān)比例型的開環(huán)系統(tǒng)，速度調(diào)節(jié)器即便處于飽和輸出，速度環(huán)開路時(shí)，電流環(huán)只能將其分解到多步采樣控制輸出才能完成電磁轉(zhuǎn)矩的調(diào)整。因?yàn)殡p位式電流控制的限幅值也是個(gè)有限值，從式（1）也可以看出速度恢復(fù)是個(gè)積分過程，這個(gè)積分過程的響應(yīng)快慢完全取決于雙位式電流控制的限定幅值。由此可以得出結(jié)論，DTC方式對于具有大的沖擊負(fù)荷擾動(dòng)的系統(tǒng)，存在著不可完全恢復(fù)的速度降落，要設(shè)計(jì)這樣的控制系統(tǒng)必須考慮負(fù)荷沖擊發(fā)生時(shí)加入速度補(bǔ)償控制。圖2給出這一分析結(jié)果的展示，特別是在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，在額定沖擊負(fù)荷擾動(dòng)下，速度降落達(dá)5%，而且不能在0.3 s內(nèi)得到恢復(fù)。在冶金工業(yè)的熱連軋速度控制系統(tǒng)中，精軋機(jī)組速度匹配精度要求很高，進(jìn)而要求動(dòng)態(tài)降速小于3%，恢復(fù)時(shí)間小于0.3 s。為此，本文根據(jù)這一指標(biāo)要求，提出并設(shè)計(jì)了智能負(fù)荷觀測器的動(dòng)態(tài)速度降補(bǔ)償控制系統(tǒng)。

圖2 沖擊負(fù)荷干擾的速度與力矩響應(yīng)Fig.2 Speed and torque response of shock load disturbance

2 智能負(fù)荷觀測器的設(shè)計(jì)與速度補(bǔ)償控制

在無負(fù)荷檢測傳感器的情況下，要想控制含沖擊負(fù)荷的擾動(dòng)，只能通過電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩觀測而間接地得到負(fù)荷力矩。同樣，在無速度檢測傳感器［7］的前提下，要想得到電機(jī)轉(zhuǎn)子的速度，也只能有電機(jī)的速度模型計(jì)算，以間接得到轉(zhuǎn)子的速度。由式（1）可以得到電機(jī)在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的電磁轉(zhuǎn)矩重寫如下：

式中：np為電機(jī)的極對數(shù)；isq,isd為電機(jī)定子電流經(jīng)3/2變換之后的兩相電流；Ψsd,Ψsq為電機(jī)定子電流經(jīng)3/2變換之后的兩相磁鏈。

電磁力矩中包含負(fù)荷力矩和加減速力矩，還有克服機(jī)械損耗力矩（較小，可以忽略）。由式（1）可知當(dāng)轉(zhuǎn)速變化為0時(shí)，無加減速力矩，則電磁力矩與負(fù)荷力矩相等。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)可設(shè)計(jì)負(fù)荷擾動(dòng)觀測器，因?yàn)樵跊_擊負(fù)荷擾動(dòng)的系統(tǒng)中，絕大多數(shù)是在速度穩(wěn)態(tài)時(shí)加入的。智能負(fù)荷觀測器具體設(shè)計(jì)原理簡言之是利用電磁轉(zhuǎn)矩信息取代負(fù)荷力矩信息，其中必須去除干擾和加減速的電磁力矩信息，詳細(xì)的實(shí)施步驟如下：

1）通過速度給定和速度反饋的比較，其差值小于某個(gè)閾值時(shí)，認(rèn)為無加減速，此時(shí)觀測的電磁力矩就是負(fù)荷力矩。由于電磁力矩波動(dòng)是DTC系統(tǒng)固有的特性，但是波動(dòng)的方差在一般系統(tǒng)中也是可以估算的，甚至可以實(shí)測得到，一般是額定力矩的20%。而大負(fù)荷沖擊時(shí)，一般是額定負(fù)載的30%以上才予以考慮，小的負(fù)載擾動(dòng)不至于造成過大的速度降落。為此，設(shè)定力矩閾值下限，當(dāng)力矩的絕對值超過下限時(shí)，觀測的力矩才是沖擊負(fù)荷擾動(dòng)必須考慮的力矩。這個(gè)思想就是智能化思想，應(yīng)用此思想對提高控制系統(tǒng)精度十分重要，否則難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的速度補(bǔ)償控制。原因在于觀測獲得的力矩信息包含負(fù)荷力矩與速度、加速度力矩，必須以此為依據(jù)進(jìn)行智能選擇。

2）速度和力矩是個(gè)完整的反饋控制系統(tǒng)，力矩的波動(dòng)屬于固有存在的，一旦將力矩波動(dòng)不加選擇和限制地再引入速度補(bǔ)償環(huán)節(jié)，就會(huì)造成更加嚴(yán)重的系統(tǒng)不穩(wěn)定，致使更大的力矩和速度波動(dòng)。因此，除了智能選擇環(huán)節(jié)之外，還需對觀測到的電磁轉(zhuǎn)矩信號(hào)和速度反饋信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)臑V波處理，消除正常的高頻波動(dòng)，使得觀測器更加穩(wěn)定精確。速度補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)思想是在負(fù)荷力矩?cái)_動(dòng)下，立刻給予速度環(huán)定量補(bǔ)償，其補(bǔ)償量是根據(jù)觀測得到的實(shí)時(shí)負(fù)荷擾動(dòng)大小決定的，這個(gè)比例系數(shù)K1也可以通過實(shí)際系統(tǒng)的測試獲得，一般地取K1=0.05～0.09，即：

式中：Nref,Nf分別為電機(jī)轉(zhuǎn)速的設(shè)定與反饋值。

負(fù)荷觀測器的理論模型如圖3所示。

圖3 智能負(fù)荷觀測器模型Fig.3 Intelligent load observer model

圖3中電磁力矩的觀測模型如下：

式（6）是磁鏈的觀測器［8］，其中Rs是定子電阻。

將式（6）和式（4）代入式（2），就得到了電磁轉(zhuǎn)矩的觀測器，在經(jīng)過式（3）提出的智能邏輯選擇器，就獲得完整的智能負(fù)荷觀測器，如圖3所示。其中轉(zhuǎn)子速度反饋觀察模型就是式（1）所給出的模型，在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下重寫如下：

由于ωr在加減速時(shí)有波動(dòng)，電磁轉(zhuǎn)矩的輸出在正常穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)下也有波動(dòng)，對于觀測的信號(hào)在加入速度補(bǔ)償控制器之前須經(jīng)過濾波器濾波。速度濾波時(shí)間常數(shù)TN為5～10 ms，力矩濾波時(shí)間常數(shù)TT為1～2 ms。

值得注意的是，本系統(tǒng)均由數(shù)字模塊搭建實(shí)現(xiàn)，則連續(xù)傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)換為離散傳遞函數(shù)時(shí)，使用雙線性變換公式。而且在磁鏈觀測器設(shè)計(jì)中，積分模塊也須連接此變換器，這種方法有利于減小純積分器的誤差。雙變換公式為

將變換代入式（8）和式（9）整理得到濾波器的雙線性變換模型：

其中

速度補(bǔ)償控制量在智能選擇和濾波之后由式（3）計(jì)算，再加到速度給定與反饋的加法器中，共同作用于速度調(diào)節(jié)器的輸入端。

3 無張力軋制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

控制系統(tǒng)使用直接轉(zhuǎn)矩的離散數(shù)據(jù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，采樣周期Ts=10 μs。系統(tǒng)有4個(gè)子系統(tǒng)組成，即：1 000 kW交流異步電機(jī)，交-直-交PWM逆變器，DTC檢測與控制模塊和速度調(diào)節(jié)器模塊［9-10］。速度控制模塊中有速度補(bǔ)償控制與速度PI計(jì)算的調(diào)節(jié)器控制模型。

DTC結(jié)構(gòu)模型中又包括3個(gè)子模塊：轉(zhuǎn)矩與磁鏈滯環(huán)計(jì)算模塊，空間矢量扇面選擇與開關(guān)組合模型，定子磁鏈觀測模型。

直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)是參考日本學(xué)者高橋勛教授的圓形定子磁鏈原理實(shí)現(xiàn)的，圖4所示為定子磁鏈運(yùn)行的圓形軌跡。

圖4 圓形定子磁鏈軌跡Fig.4 Round stator flux linkage locus

工業(yè)現(xiàn)場是某鋼鐵公司880中寬帶鋼熱連軋精軋機(jī)組第1機(jī)架（F1）與第2機(jī)架（F2）之間的無活套控制，專業(yè)上稱之為無（微）張力控制。圖5示意了設(shè)備布置。

圖5 雙機(jī)之間無活套示意圖Fig.5 Dual looperless layout

雙機(jī)架張力公式如下：

式中：A為帶鋼截面積，A=0.8×0.025=0.02 m2；l為機(jī)架間距，l=5 m；E為楊氏彈性模量，E= 2.04×108kN/m2。

在實(shí)際軋制過程中，實(shí)際張力為零是不可能的。所謂無張力是容許張力波動(dòng)在1.0 kN內(nèi)，它不會(huì)引起帶鋼的厚度與寬度方向的變形。圖6給出了未使用智能負(fù)荷觀測器的速度補(bǔ)償控制的張力軟測量計(jì)算值。這里負(fù)張力是表示在F2咬鋼突加負(fù)荷時(shí)出現(xiàn)動(dòng)態(tài)速降，此時(shí)F1速度大于F2速度，帶鋼出現(xiàn)活套。

圖6 無智能負(fù)荷觀測器的控制結(jié)果Fig.6 Control result without intelligent load observer

圖7 使用智能負(fù)荷觀測器的控制結(jié)果Fig.7 Control result with intelligent load observer

圖7給出了在同樣工藝條件下使用智能負(fù)荷觀測器的速度補(bǔ)償控制的張力軟測量計(jì)算值。從圖7可以清楚看出，在F2咬鋼突加負(fù)荷時(shí)也出現(xiàn)了動(dòng)態(tài)速降，此時(shí)智能負(fù)荷觀測器的速度補(bǔ)償控制立刻起到調(diào)節(jié)作用，及時(shí)調(diào)回F2的速度降，帶鋼僅出現(xiàn)微量活套，從而達(dá)到了無（微）張力控制效果。本項(xiàng)控制結(jié)果使得生產(chǎn)廠家產(chǎn)品的頭部質(zhì)量提高了5%的命中率，且減少了1套活器裝置，節(jié)約設(shè)備投入資金。同時(shí)也是在無張力傳感器和無負(fù)荷傳感器工業(yè)場取得的一項(xiàng)很有成效的控制范例。

4 結(jié)論

為能使直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)應(yīng)用于具有沖擊負(fù)荷擾動(dòng)的工業(yè)電力拖動(dòng)裝置中，必須具有速度補(bǔ)償控制，在無負(fù)荷傳感器的條件下，設(shè)計(jì)智能負(fù)荷觀測器并且有效進(jìn)行速度補(bǔ)償控制是十分必要的。本設(shè)計(jì)思想已成功地應(yīng)用到了多條熱連軋生產(chǎn)線（大型交流電機(jī)）的工程項(xiàng)目中，其應(yīng)用效果極佳。同時(shí)，本研究成果擴(kuò)展了直接轉(zhuǎn)矩控制裝置的應(yīng)用范圍，進(jìn)一步克服了由于力矩波動(dòng)帶來的速度波動(dòng)，大幅度提高了速度的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)控制精度，有效提升了此類拖動(dòng)裝置的整體性能。

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修改稿日期：2016-04-19

Without Tension Control System Based on Intelligent Load Observer

CHEN Jiuwei1，2，TONG Chaonan1
（1.School of Automation and Electricity Engineering，Beijing University of Science and Technology，Beijing 100083，China；2.Engineering Training Center，Beihua University，Jilin 132021，Jilin，China）

The main features of direct torque control system were first analyzed.Different points of view were spelled clearly out.The design of intelligent load observer，as well as innovative methods of speed compensated control was proposed for the first time in electric drive systems under the condition of no load and tension sensor.It was a detailed analysis of direct torque control system of the torque-speed relationship and mutual coupling effects.Compensation of speed based on intelligent load observer control implementation，actual model and the test results of control system without tension on rolling production line were provided.

intelligent load observer；speed compensation；direct torque control（DTC）；without tension control

TM315

A

10.19457/j.1001-2095.20161102

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51205018）；機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題資助項(xiàng)目（MSV-2014-09）

陳久偉（1968-），男，博士，講師，Email：260489174@qq.com

2015-09-15