韓天亮, 繆仲翠,2, 黨建武, 余現(xiàn)飛, 張文賓

(1. 蘭州交通大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070;2. 蘭州交通大學(xué) 光電技術(shù)與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州 730070)

0 引 言

礦用電機(jī)車(簡稱電機(jī)車)是礦山地面與井下巷道重要運(yùn)輸工具之一，發(fā)展已有一百多年歷史，在我國也有50多年發(fā)展史。電機(jī)車牽引主要經(jīng)歷了直流串勵(lì)電機(jī)串電阻、直流串勵(lì)電機(jī)斬波調(diào)速和交流異步變頻調(diào)速3個(gè)階段[1]。交流異步電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、適應(yīng)惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，交流異步電機(jī)作為牽引設(shè)備在逐漸取代直流牽引電機(jī)[2-3]。電機(jī)車工作環(huán)境惡劣、工況復(fù)雜，不僅處于頻繁起停、制動(dòng)、加速等狀態(tài)，還要適應(yīng)上下坡、顛簸等路況，這就要求電機(jī)車應(yīng)具有起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、過載能力強(qiáng)等牽引特性[4]。

盡管電機(jī)車速度控制常選用PI控制，但異步電動(dòng)機(jī)本身是一個(gè)強(qiáng)耦合、高階、非線性和多輸入多輸出的被控對象，當(dāng)系統(tǒng)受到干擾時(shí)常規(guī)PI控制并不能滿足高性能的控制要求[5-6]。隨著電力電子技術(shù)及微處理器的發(fā)展，現(xiàn)代控制理論逐步應(yīng)用到了電機(jī)控制領(lǐng)域，如模糊控制[7-8]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制[9-10]、模型預(yù)測控制方法及其改進(jìn)[11]、滑模變結(jié)構(gòu)控制[12-13]等?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制(Sliding Mode Control，SMC)與常規(guī)控制策略的根本區(qū)別在于控制的不連續(xù)性，即具有一種使系統(tǒng)“結(jié)構(gòu)”隨時(shí)間變化的開關(guān)特性。正是這種開關(guān)特性使系統(tǒng)具有較好的魯棒性，對控制對象的數(shù)學(xué)模型精度要求不高，對參數(shù)攝動(dòng)和外部擾動(dòng)具有強(qiáng)魯棒性等優(yōu)點(diǎn)，日益成為電機(jī)控制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[12]。文獻(xiàn)[13]用滑模控制對六相感應(yīng)電機(jī)進(jìn)行了控制。文獻(xiàn)[14]設(shè)計(jì)了非奇異快速終端滑模控制作為永磁同步電機(jī)的速度控制器。文獻(xiàn)[15]對滑模指數(shù)趨近律進(jìn)行了改進(jìn)，有效抑制了永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的抖振，提高了系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)特性。同時(shí)學(xué)者們將SMC和其他先進(jìn)控制結(jié)合并取得了較好的效果，文獻(xiàn)[16]將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與SMC相結(jié)合應(yīng)用到了高超聲速飛行器控制，對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的參數(shù)進(jìn)行簡化的同時(shí)提高了系統(tǒng)的魯棒性。文獻(xiàn)[17]將模糊控制與SMC相結(jié)合對導(dǎo)彈制導(dǎo)進(jìn)行了控制，有效地克服了滑模抖振的同時(shí)降低了打擊時(shí)間。

SMC也應(yīng)用于電機(jī)車的控制中，文獻(xiàn)[18]將SMC直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)應(yīng)用于電機(jī)車控制，利用滑模變結(jié)構(gòu)控制克服了直接轉(zhuǎn)矩控制起動(dòng)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大的缺點(diǎn)，使其滿足電機(jī)車起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度快和調(diào)速平滑的實(shí)際生產(chǎn)要求。

盡管SMC取得了較好的研究成果，但是SMC的強(qiáng)抗擾性是通過增大切換增益來實(shí)現(xiàn)的，而滑模切換增益的增大會增強(qiáng)滑模固有抖振現(xiàn)象，降低系統(tǒng)控制性能[19]。電機(jī)車工作環(huán)境惡劣，負(fù)載變化頻繁，帶載重，常在5‰坡道上停車、起動(dòng)，因此電機(jī)車在實(shí)際運(yùn)行中會有較嚴(yán)重的負(fù)載干擾。在電機(jī)車實(shí)際運(yùn)行中，負(fù)載轉(zhuǎn)矩的突變是影響機(jī)車運(yùn)行性能的關(guān)鍵因素之一，且負(fù)載轉(zhuǎn)矩通常不易測量。在SMC中，為了解決抖振與抗擾性能相矛盾的問題，可以通過對擾動(dòng)觀測等方法進(jìn)行補(bǔ)償以減小滑模增益幅值，提高SMC控制系統(tǒng)抗擾性能的同時(shí)削弱抖振現(xiàn)象[11]。文獻(xiàn)[20]設(shè)計(jì)Kalman濾波器對負(fù)載轉(zhuǎn)矩進(jìn)行觀測，提高了系統(tǒng)的抗負(fù)載干擾能力。文獻(xiàn)[21]針對永磁同步電機(jī)負(fù)載擾動(dòng)問題，提出Luenberger狀態(tài)觀測器，對負(fù)載轉(zhuǎn)矩進(jìn)行前饋補(bǔ)償。

本文針對電機(jī)車牽引特性和實(shí)際運(yùn)行環(huán)境特點(diǎn)，提出用積分SMC作為速度控制器以提高電機(jī)車牽引電機(jī)的靜、動(dòng)態(tài)性能。根據(jù)電機(jī)車的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境設(shè)計(jì)了負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測器對牽引電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了實(shí)時(shí)在線觀測，并將負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測值加入到SMC控制中，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于負(fù)載擾動(dòng)觀測和控制的積分型SMC控制系統(tǒng)，以提高和改善電機(jī)車牽引性能，并通過仿真驗(yàn)證了其有效性。

1 牽引電機(jī)數(shù)學(xué)模型

電機(jī)車的牽引電機(jī)為三相異步電動(dòng)機(jī)。為了簡化電機(jī)模型，作如下假設(shè)：(1)電動(dòng)機(jī)的磁動(dòng)勢沿氣隙圓周正弦分布；(2)忽略磁路飽和，各繞組的自感和互感都恒定；(3)忽略鐵損的影響。在按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(mt坐標(biāo)系)中建立牽引電機(jī)的數(shù)學(xué)模型[22]。

(1)

式中：ω——轉(zhuǎn)子角速度；

p——電機(jī)極對數(shù)；

Lm——定子、轉(zhuǎn)子互感；

J——電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

Lr、Rr——轉(zhuǎn)子電感、轉(zhuǎn)子電阻；

ism、ist——定子電流勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量；

ψr——轉(zhuǎn)子磁鏈；

TL——負(fù)載轉(zhuǎn)矩；

Tr——轉(zhuǎn)子電磁時(shí)間常數(shù),Tr=Lr/Rr；

ω1——同步角速度。

牽引電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程：

(2)

式中：Te——電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。

在按轉(zhuǎn)子磁鏈定性的同步旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系中，由于m軸和轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶恐睾希瑒t:

ψrm=ψr

ψrt=0

為了保證m軸和轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶恐睾?必須使：

則在mt坐標(biāo)系中的電磁轉(zhuǎn)矩方程：

(4)

2 牽引電機(jī)負(fù)載觀測器設(shè)計(jì)

2. 1 負(fù)載特性

礦用牽引機(jī)車運(yùn)行工況復(fù)雜，運(yùn)行環(huán)境惡劣，相對于干線牽引機(jī)車，礦用牽引電機(jī)車負(fù)載變化更加頻繁，同時(shí)運(yùn)行軌道條件差。礦用牽引電機(jī)車的負(fù)載主要分為基本阻力負(fù)載和附加阻力負(fù)載?；咀枇ω?fù)載主要是零部件之間、機(jī)車動(dòng)輪與軌道鋼軌之間的摩擦和沖擊力等產(chǎn)生的。附加阻力負(fù)載包括坡道阻力負(fù)載、彎道阻力負(fù)載和機(jī)車起動(dòng)時(shí)的附加阻力負(fù)載[22-24]。

由于電機(jī)車本身結(jié)構(gòu)簡單，機(jī)車運(yùn)行過程中的頻繁起停、加減速等都容易引起機(jī)械部件的碰撞，這種碰撞相當(dāng)于基本阻力負(fù)載突然增大。除此之外，電機(jī)車的運(yùn)行軌道常有5‰的坡道，當(dāng)機(jī)車在坡道上運(yùn)行時(shí)，將會受到機(jī)車重力沿軌道方向的分力影響，即坡道阻力，如圖1所示[25]。根據(jù)牛頓力學(xué)，在坡道上將機(jī)車重力分解成與軌道垂直的力N和軌道坡度平行的力F，此時(shí)力F就是坡道的附加阻力負(fù)載[26-27]。

圖1 坡道阻力示意圖

作為電機(jī)車牽引電機(jī)控制系統(tǒng)的阻力負(fù)載與運(yùn)行環(huán)境及條件關(guān)系密切，變化復(fù)雜，很難精確計(jì)算或進(jìn)行測量，因此本文設(shè)計(jì)負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測器進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測。

2. 2 負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測器設(shè)計(jì)

針對電機(jī)車復(fù)雜的負(fù)載變化，為了提高電機(jī)車牽引電機(jī)控制系統(tǒng)的抗負(fù)載擾動(dòng)能力，用降維狀態(tài)觀測器實(shí)時(shí)觀測負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化，將觀測的負(fù)載轉(zhuǎn)矩值反饋給速度調(diào)節(jié)器，提高在負(fù)載變化時(shí)的速度控制性能。

(5)

將A、B及u代入式(5)可得：

(6)

其中：a=p/J，b=-p/J

本文設(shè)計(jì)降維觀測器來對負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL進(jìn)行觀測。

根據(jù)式(5)，以電機(jī)轉(zhuǎn)速ω和負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL為觀測對象，構(gòu)造降維觀測器方程如式(7)所示：

(6)

式中:k1、k1——觀測器觀測值;

k1、k2——反饋增益。

令觀測器的觀測誤差e1、e2分別為

由式(7)可得觀測器的誤差方程如式(8)所示，其狀態(tài)方程如式(9)所示：

(9)

根據(jù)現(xiàn)代控制理論知識可知，矩陣(A-LC)的特征值具有負(fù)實(shí)部，系統(tǒng)的狀態(tài)誤差將會逐漸趨近于零，反饋增益矩陣L可以通過極點(diǎn)配置確定。

3 速度滑?？刂破髟O(shè)計(jì)

為了解決滑?？刂瓶关?fù)載干擾和本身抖振的矛盾，本文將設(shè)計(jì)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測器的負(fù)載轉(zhuǎn)矩值實(shí)時(shí)地加入到速度控制器中，以對抗負(fù)載擾動(dòng)。

3. 1 滑模面的設(shè)計(jì)

為減少系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，在減弱高頻信號干擾的同時(shí)削弱滑模控制固有的抖振現(xiàn)象。本文采用積分型滑模面：

其中，c為大于零的常數(shù)。c值越大，轉(zhuǎn)速響應(yīng)就越快。但是過大的c值容易產(chǎn)生過大的超調(diào)。

滑?？刂破魇且赞D(zhuǎn)速誤差x(t)為輸入信號，其表達(dá)式如式(11)所示：

x(t)=ω*-ω(11)

式中：ω*——系統(tǒng)給定轉(zhuǎn)速；

ω——系統(tǒng)實(shí)際轉(zhuǎn)速。

在滑模面上，s要在有限的時(shí)間內(nèi)趨近于零，即s=0。將式(11)代入式(10)再對滑模面s求一階導(dǎo)數(shù)ds/dt=0，可得：

(12)

將式(1)代入式(12)得：

(13)

其中,a=p/J，b=p/J。

3. 2 控制律的設(shè)計(jì)

不同的控制律可以改變滑模趨近運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。趨近律有很多種，本文采用指數(shù)趨近律，該趨近律可以在改善趨近運(yùn)動(dòng)品質(zhì)的同時(shí)保證在有限時(shí)間內(nèi)到達(dá)滑模面[14]?？刂坡杀磉_(dá)式如式(14)所示:

(14)

指數(shù)趨近律中趨近速度從一較大的速度逐步減小到零，不僅能夠縮短趨近時(shí)間而且使運(yùn)動(dòng)點(diǎn)到達(dá)切換面的速度很小[14]，從而能減小抖振。

結(jié)合式(13)、式(14)可得：

(15)

為了保證快速趨近滑模面的同時(shí)削弱抖振，應(yīng)該在k增大的同時(shí)減小ε。

為了證明控制器的穩(wěn)定性，選取李雅普諾夫函數(shù)：

由滑動(dòng)模態(tài)的可達(dá)性條件可知：

(16)

(17)

式(17)將負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測值加入到轉(zhuǎn)速SMC控制器中，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化時(shí)，轉(zhuǎn)速控制器能及時(shí)地對負(fù)載變化作出響應(yīng)，減小負(fù)載對控制系統(tǒng)的影響。

圖2 異步牽引電機(jī)矢量控制框圖

4 仿 真

異步牽引電機(jī)矢量控制結(jié)構(gòu)如圖2所示，系統(tǒng)采用帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速與磁鏈雙閉環(huán)級聯(lián)控制。轉(zhuǎn)矩ATR及磁鏈調(diào)節(jié)器ApsiR分別采用了常規(guī)PI控制策略，速度調(diào)節(jié)器采用本文提出的帶負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測的積分SMC策略。為了驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的速度控制器的有效性，將本文控制策略與普通PI控制進(jìn)行了對比分析。

根據(jù)圖2以MATLAB/Simulink為平臺搭建電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的仿真模型。仿真過程中異步電機(jī)控制系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 異步牽引電機(jī)參數(shù)

4. 1 觀測器仿真

系統(tǒng)加入負(fù)載觀測器后，可以對牽引電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化情況實(shí)時(shí)觀測。設(shè)牽引電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)帶有5 N·m的基本阻力負(fù)載，在0.35 s時(shí)負(fù)載突然增加，并在0.45 s時(shí)負(fù)載減小，為了進(jìn)一步驗(yàn)證牽引電機(jī)突加重載(超過額定負(fù)載)時(shí)負(fù)載觀測器的性能，在0.55 s時(shí)模擬機(jī)車重載運(yùn)行加入90 N·m負(fù)載。圖3是負(fù)載觀測器對牽引電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化的觀測波形。由圖3可以看出，負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測器能準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地觀測到負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化，即使在超過額定負(fù)載時(shí)，負(fù)載觀測器也能準(zhǔn)確地對負(fù)載變化進(jìn)行觀測。

圖3 負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測值和實(shí)際值

在驗(yàn)證了負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測器的合理性之后，將負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測值補(bǔ)償?shù)椒e分滑模轉(zhuǎn)速控制器，以提高系統(tǒng)控制性能。

4. 2 空載變速運(yùn)行

異步牽引電機(jī)在給定轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時(shí)空載起動(dòng)，在空載運(yùn)行時(shí)受到基本阻力負(fù)載?；咀枇ω?fù)載隨著速度的增大從5 N·m增大到8 N·m，在0.27 s時(shí)電機(jī)速度達(dá)到給定轉(zhuǎn)速。當(dāng)運(yùn)行到0.4 s時(shí)轉(zhuǎn)速增加至牽引電機(jī)額定轉(zhuǎn)速1 400 r/min，牽引電機(jī)變速運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線如圖4所示。從圖4可以看出，電機(jī)起動(dòng)后電磁轉(zhuǎn)矩降為基本阻力負(fù)載8 N·m時(shí)，普通PI的電磁轉(zhuǎn)矩有較大的波動(dòng)，這樣會增加電機(jī)軸的機(jī)械磨損，而積分SMC轉(zhuǎn)矩平滑無超調(diào)。相應(yīng)地，電機(jī)轉(zhuǎn)速上升到給定轉(zhuǎn)速時(shí)普通PI控制的速度有波動(dòng)，而積分SMC比較平穩(wěn)。

圖4 牽引電機(jī)變速運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線

4. 3 空載起動(dòng)突加、減負(fù)載

通過突加、減負(fù)載模擬電機(jī)車運(yùn)行過程中的道路顛簸、基本阻力突然增加時(shí)的工況。牽引電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)突加、減負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩仿真波形如圖5所示。在t=0～0.34 s為牽引電機(jī)起動(dòng)階段，0.34 s時(shí)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速并開始勻速運(yùn)行，此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)矩降為基本阻力負(fù)載轉(zhuǎn)矩8 N·m。在t=0.4 s時(shí)突加負(fù)載68 N·m(包括額定負(fù)載與基本阻力負(fù)載)，轉(zhuǎn)速有所下降之后迅速回升至額定轉(zhuǎn)速附近。在t=0.55 s時(shí)，負(fù)載突然減小，電磁轉(zhuǎn)矩迅速減小至基本阻力負(fù)載8 N·m。

圖5 突加減負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線

從圖5可以看出，牽引電機(jī)突加負(fù)載時(shí)，積分SMC轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)降落小且迅速恢復(fù)至給定值，而普通PI控制雖然能夠恢復(fù)但是恢復(fù)時(shí)間較長且轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)降落值較大。從電磁轉(zhuǎn)矩波形可以看出，控制策略在0.33 s時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩響應(yīng)波動(dòng)較小并且響應(yīng)快。因此，帶負(fù)載觀測器的積分SMC策略對負(fù)載轉(zhuǎn)矩的突變能及時(shí)地調(diào)整，較普通PI控制有較強(qiáng)的抗負(fù)載干擾能力。

4. 4 低速重載運(yùn)行

低速重載運(yùn)行是電機(jī)車在實(shí)際運(yùn)行中常見工況。首先設(shè)牽引電機(jī)帶基本阻力負(fù)載5 N·m低速起動(dòng)，穩(wěn)定運(yùn)行在500 r/min。在0.4 s突加1.5倍的額定負(fù)載90 N·m，圖6為兩種控制策略的轉(zhuǎn)速響應(yīng)和電磁轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線。

圖6 低速重載運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線

從圖6可以看出，積分SMC在轉(zhuǎn)速達(dá)到給定值時(shí)較普通PI控制超調(diào)小并且能夠快速穩(wěn)定，電磁轉(zhuǎn)矩迅速降為基本阻力負(fù)載并且波動(dòng)小。在0.4 s突加負(fù)載時(shí)，積分SMC策略轉(zhuǎn)速降落小，電磁轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快。仿真結(jié)果表明，牽引電機(jī)在低速時(shí)突加1.5倍額定負(fù)載可以實(shí)現(xiàn)重載運(yùn)行，在積分SMC策略下電磁轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速，牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)。

4. 5 逐級加速運(yùn)行

實(shí)際運(yùn)行中，電機(jī)車轉(zhuǎn)速控制一般是多擋位控制，起動(dòng)時(shí)把擋位控制手柄由0位推到1擋位，使機(jī)車慢慢起動(dòng)，待全部車輛都起動(dòng)后，再將控制手柄均勻推到2、3等位置，使機(jī)車均勻加速到運(yùn)行的速度，因此對于牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)速是逐級增加的。在仿真時(shí)，根據(jù)不同的時(shí)間給定不同的轉(zhuǎn)速來模擬電機(jī)車起動(dòng)并運(yùn)行，逐級加速的轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線如圖7所示。速度變化過程中普通PI控制轉(zhuǎn)速存在超調(diào)，在達(dá)到給定轉(zhuǎn)速時(shí)轉(zhuǎn)矩存在脈動(dòng)，而積分SMC轉(zhuǎn)速平滑，消除了轉(zhuǎn)矩響應(yīng)的脈動(dòng)現(xiàn)象。

圖7 逐級加速的轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線

4. 6 重載起動(dòng)爬坡運(yùn)行

由于電機(jī)車運(yùn)行地形較復(fù)雜，運(yùn)行軌道一般會有坡道，有時(shí)電機(jī)車會停留在坡道上，這樣電機(jī)車會有爬坡運(yùn)行工況。圖8為模擬礦用電機(jī)車在低速重載爬坡時(shí)牽引電機(jī)的響應(yīng)曲線。牽引電機(jī)帶1.5倍額定負(fù)載(包括額定負(fù)載和附加阻力負(fù)載)，起動(dòng)時(shí)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩?zé)o法克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩，需要機(jī)械剎車裝置的配合，否則會倒轉(zhuǎn)，如在t=0～0.14 s區(qū)間由于機(jī)械剎車保持在0轉(zhuǎn)速。當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩之后，機(jī)械剎車裝置釋放，電機(jī)車開始爬坡運(yùn)行。

圖8 低速重載爬坡運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線

從圖8可知，0.14 s時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)開始恒轉(zhuǎn)矩升速，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到給定轉(zhuǎn)速200 r/min電磁轉(zhuǎn)矩迅速下降至負(fù)載轉(zhuǎn)矩，此時(shí)電機(jī)車開始在坡道勻速運(yùn)行。電機(jī)車在0.4 s時(shí)到達(dá)坡道頂部，裝載車輛依次到達(dá)，隨著裝載車輛依次到達(dá)坡道頂部，電機(jī)車附加阻力負(fù)載逐漸減小。在0.55 s時(shí)，最后一輛裝載車運(yùn)行至坡道頂部，電機(jī)車爬坡運(yùn)行結(jié)束并且以恒定轉(zhuǎn)速勻速運(yùn)行。從圖8可以看出，牽引電機(jī)在0.35 s達(dá)到給定轉(zhuǎn)速時(shí)，積分SMC策略轉(zhuǎn)速超調(diào)小，電磁轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速并且快速達(dá)到穩(wěn)定。牽引電機(jī)在負(fù)載變化時(shí)能夠平穩(wěn)運(yùn)行，轉(zhuǎn)速基本保持不變，轉(zhuǎn)矩能夠迅速跟隨負(fù)載變化。由此驗(yàn)證了帶負(fù)載觀測器的積分SMC策略響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好，并具有良好的抗負(fù)載干擾性。

4. 7 轉(zhuǎn)子電阻變化

牽引電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中內(nèi)部參數(shù)(如電阻、電感)易受工作環(huán)境、溫度、磁飽和等因素影響而發(fā)生變化，當(dāng)電機(jī)參數(shù)變化時(shí)會影響電機(jī)的控制性能。為了驗(yàn)證本文的控制策略對參數(shù)變化的魯棒性，對轉(zhuǎn)子電阻變化對控制系統(tǒng)影響進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

假設(shè)電機(jī)轉(zhuǎn)子電阻變化為原來的2倍，電機(jī)車低速重載與轉(zhuǎn)速逐級增加響應(yīng)曲線如圖9和圖10所示。

圖9 轉(zhuǎn)子電阻變化時(shí)低速重載轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線

圖10 轉(zhuǎn)子電阻變化時(shí)逐級加速轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線

圖9中，在0.4 s時(shí)突加負(fù)載，積分SMC較普通PI控制策略轉(zhuǎn)速降落小且能夠恢復(fù)到原來的轉(zhuǎn)速。積分SMC電磁轉(zhuǎn)矩響應(yīng)較快。圖10中，在轉(zhuǎn)速變化過程中，積分SMC轉(zhuǎn)速及電磁轉(zhuǎn)矩響應(yīng)基本無超調(diào)，而普通PI控制的轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩都有較大的波動(dòng)。說明積分滑?？刂茖?shù)變化比普通PI有較強(qiáng)的魯棒性。

5 結(jié) 語

針對電機(jī)車工作環(huán)境惡劣、運(yùn)行工況復(fù)雜而引起的調(diào)速問題，提出將積分SMC策略應(yīng)用到電機(jī)車轉(zhuǎn)速控制器中，同時(shí)由于電機(jī)車負(fù)載變化復(fù)雜，用降維負(fù)載觀測器對電機(jī)車運(yùn)行過程中負(fù)載轉(zhuǎn)矩進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測，并將觀測值加入到積分滑模速度控制器中，提高了系統(tǒng)在負(fù)載變化時(shí)的轉(zhuǎn)速控制能力，彌補(bǔ)了轉(zhuǎn)速控制和抗負(fù)載干擾不能兼顧的缺點(diǎn)。

通過對電機(jī)車不同運(yùn)行工況的仿真表明，該負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測器能夠較好地觀測負(fù)載轉(zhuǎn)矩；而帶負(fù)載觀測的積分滑模速度控制器提高了在負(fù)載變化時(shí)的轉(zhuǎn)速控制性能，并有效地抑制了系統(tǒng)的抖振，提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。當(dāng)轉(zhuǎn)子電阻發(fā)生變化時(shí)，帶負(fù)載觀測器的積分SMC具有良好魯棒性。

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