任智博,周 浩

(海軍工程大學 兵器工程系,湖北 武漢 430033)

0 引言

高性能數字伺服控制系統(tǒng)是現代工業(yè)建設與發(fā)展的基礎技術。隨著數字技術和電氣技術的應用與發(fā)展,船用伺服系統(tǒng)對數字控制系統(tǒng)的性能有了越來越多的要求。雷達回轉機構、武器火控系統(tǒng)的瞄準與擊發(fā)都離不開高性能位置伺服控制系統(tǒng)的幫助。本文以某船用裝備的回轉裝置為對象進行研究,該回轉機構基于數字伺服控制系統(tǒng)技術來實現高性能伺服功能。為了提高傳統(tǒng)數字伺服控制系統(tǒng)的動靜態(tài)性能,實現快速高精度控制,需要在系統(tǒng)中引入諸如自適應控制律、神經網絡、微分負反饋控制等先進的控制算法。傳統(tǒng)的伺服控制系統(tǒng)普遍采用PID控制策略控制伺服電機,這種方法可靠性好、結構較簡單,易于實現,但該方法仍存在響應速度慢、輕載或空載時超調量較大、動態(tài)跟蹤有滯后的弊端。所以,對于高性能伺服控制,PID控制的優(yōu)化是十分必要的。文獻[1]提出在速度環(huán)和電流環(huán)上引入前饋控制環(huán)節(jié),該方法可使系統(tǒng)正弦信號的跟蹤性提高,顯著減小系統(tǒng)誤差,并且明顯縮短系統(tǒng)啟動時間,但會引起超調量大的問題。對于連續(xù)性的給定信號,該方法效果明顯,但對于非連續(xù)信號,其改進作用并不顯著。為了提高系統(tǒng)性能,必須對系統(tǒng)中的超調量進行抑制[2]。在系統(tǒng)中引入微分負反饋控制算法,該方法可顯著減小非連續(xù)信號中的超調量,起到快速響應的作用,但對于連續(xù)信號的跟蹤性的作用不及前饋控制[3]。

在本文中,我們以前饋PID位置伺服控制系統(tǒng)為對象進行研究, 引入微分負反饋環(huán)節(jié),以實現快速無差無超調響應,仿真結果驗證了本方法的有效性。

1 數字伺服控制系統(tǒng)

1.1 前饋-微分負反饋位置伺服系統(tǒng)結構

數字伺服控制系統(tǒng)由PI電流環(huán)、PI速度環(huán)、P位置環(huán)組成[4],其結構如圖1所示。其中,電流環(huán)的作用是抑止系統(tǒng)內部的干擾信號與保證電流跟蹤性能;速度環(huán)的作用是使系統(tǒng)出現擾動或突變時維持速度原有狀態(tài);位置環(huán)的作用為保證位置實時準確,使系統(tǒng)擁有較好的動靜態(tài)性能[5]。微分負反饋環(huán)節(jié)起的作用是把實際位置信號經過微分后加在原值上對其進行修正[6]。前饋補償的作用是用前饋信號對速度環(huán)和電流環(huán)的信號進行補償,具體來說,就是把位置信號微分后產生的速度補償信號加在速度參考值上進行補償,對上面的速度環(huán)補償信號再次微分產生的電流補償信號與電流參考值進行補償。首先用光電編碼器獲得實時位置和速度,位置參考值與其反饋信號一起通過比例調節(jié)器產生速度參考值,速度參考值與前饋補償值合并為速度信號,速度信號與實際值通過比例-積分環(huán)節(jié)產生電流參考值與其前饋補償值合并為電流信號。在定子繞組中,實際電流值經Clarke和Park變換得到勵磁電流和轉矩電流,轉矩電流參考值與實際值經比例積分環(huán)節(jié)后得到Q軸電壓值,勵磁電流值參考值與實際值經比例積分環(huán)節(jié)得到D軸電壓值[7]。把得到的電壓值經Park逆變換求得靜止兩相坐標系電壓值。再由SVPWM電路生成PWM波經三相逆變器驅動PMSM。

圖1 前饋-微分負反饋伺服位置控制模型Fig.1 Feedforward-differential negative feedback servo position control model

1.2 前饋-微分負反饋位置伺服系統(tǒng)設計

圖2 前饋-微分負反饋位置伺服系統(tǒng)控制框圖Fig.2 Control block diagram of feedforward-differential negative feedback position servo system

微分負反饋環(huán)節(jié)和前饋環(huán)節(jié)同時工作時,輸出信號為階躍信號,經過前饋速度環(huán)節(jié)一次微分和前饋電流環(huán)節(jié)二次微分后,得到相關的脈沖函數,其過程對分析微分負反饋環(huán)節(jié)無太大影響,所以在推導微分負反饋環(huán)節(jié)時可不考慮前饋過程,系統(tǒng)控制框圖如圖2所示[8]。

此時系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數如式(1)所示。

前饋速度環(huán)節(jié)和電流環(huán)節(jié)函數如式(2)-(3)所示。

微分負反饋環(huán)節(jié)與前饋環(huán)節(jié)同時作用時,電流前饋函數不發(fā)生變化而速度前饋環(huán)節(jié)系數要進行修正,變?yōu)?/p>

所以系統(tǒng)前饋環(huán)節(jié)函數變?yōu)槭?5)。

PMSM單機轉矩方程及轉矩系數為

這里我們取電流環(huán)增益系數Kc為1,速度前饋系數和電流前饋系數為

2 伺服系統(tǒng)仿真實驗

2.1 Simulink仿真模型建立

在MATLAB/Simulink軟件中進行仿真模擬實驗,建立傳統(tǒng)PID控制模型、前饋補償位置伺服系統(tǒng)模型、微分負反饋伺服系統(tǒng)模型和前饋-負反饋伺服系統(tǒng)模型,為了直觀地體現其與原有結構的差異與優(yōu)勢,把他們與原有模型仿真結果在示波器中進行分析比對驗證算法的有效性。

我們選用MATLAB/Simulink中已有的PMSM模型為模板進行研究,模型主要由前饋模塊、微分負反饋模塊、Park變換模塊、Svpwm模塊、整流逆變模塊、檢測模塊、速度電流PI環(huán)節(jié)等組成,模型圖如圖3所示。

圖3 前饋-微分負反饋位置伺服控制仿真模型Fig.3 Simulation model of feedforward-differential negative feedback position servo control

2.2 仿真結果及分析

本文中總共做了3組比對實驗。第1組實驗為有前饋伺服系統(tǒng)與無前饋的對比實驗。從圖4中與給定信號的跟蹤性能對比來看,有前饋的系統(tǒng)在達到穩(wěn)態(tài)時,正弦波形基本重合無相角差,可以得出動態(tài)跟蹤性能顯著優(yōu)于原有系統(tǒng)。但是不得不注意到的是,在啟動時的超調量有一定幅度的增大,原有系統(tǒng)的超調量只有10%,但再引入前饋系統(tǒng)后達到了近20%,所以我們下一步的目標就是減小甚至消除這種超調。

圖4 前饋位置伺服系統(tǒng)仿真結果對比圖Fig.4 Comparison of simulation results of feedforward position servo system

圖5 微分-負反饋位置伺服系統(tǒng)仿真結果對比圖Fig.5 Comparison of simulation results of differential negative feedback position servo system

第2組對比實驗為微分負反饋系統(tǒng)與原有系統(tǒng)對比,從圖5中我們可以看到微分負反饋可以消除超調,但是其跟蹤性能又會出現一定的滯后,到達穩(wěn)態(tài)的時間更久。所以綜合上述實驗結果我們進行第3組實驗對比把兩種方法結合起來實現既定控制系統(tǒng)性能要求。

從圖5我們可以看出第三組實驗基本驗證我們的方法達到了既定的預期,既消除了跟蹤的置后性,又改善了系統(tǒng)存在超調的情況。

圖6 前饋-微分負反饋位置伺服系統(tǒng)仿真對比圖Fig.6 Simulation comparison diagram of feedforward-differential negative feedback position servo system

3 結束語

本文系統(tǒng)優(yōu)化設計方法是在傳統(tǒng)PID位置控制系統(tǒng)的基礎上引入前饋控制環(huán)節(jié)與微分負反饋控制環(huán)節(jié)。在前饋環(huán)節(jié)調試時,我們發(fā)現單純在速度環(huán)或電流環(huán)上加入前饋環(huán)節(jié)效果并不能達到既定要求,兩者同時加前饋環(huán)節(jié)時能夠更好地解決跟蹤誤差的問題。其次,根據傳遞函數表達式來推導前饋控制系數,可以縮短實驗模型調試過程。在速度和電流前饋環(huán)節(jié)的基礎上加入微分負反饋,使得系統(tǒng)既保留了前饋環(huán)節(jié)賦予的良好跟蹤性能,又改善了其固有的超調問題。因此,我們可以確定該系統(tǒng)基本上達到了優(yōu)化設計的目的,具有進一步研究和應用的價值。