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专家控制在直流电动机调速系统中的应用

来源:北京永光高特微电机有限公司作者:李利网址:http://www.yggtwdj.cn浏览数:4478

   摘  要:针对常规双闭环直流调速系统的动态性能和鲁棒性的不足,利用直流电动机在变速过程中的各阶段特性知识库,提出了针对双闭环调速系统的专家控制,改善了系统的动态性能,大大提高了系统的鲁棒性。和其它智能控制方式相比,该控制算法效率高,更适合于实际系统。

1引  言

   直流电动机具有良好的起制动性能,能大范围内平滑调速,因而在可控的电力拖动领域中得到了广泛的应用。直流调速系统现已具有较完整的理论和较成熟的实践。目前,绝大部分直流调速系统采用转速和电流双闭环调速系统,其中电流调节器和速度调节器通常采用的是PI控制算法。理论研究和实践均证明,该控制算法可提高系统的闭环稳定

性和稳态控制质量。可是,常规PI控制虽然具有算法简单、易于工程实现等优点,但该方法过分依赖控制对象的模型参数使得其鲁棒性稍差。对于模型参数的变化以及非线性因素的影响,常规PI控制难以达到满意的效果。对于一般的智能控制如模糊控制、神经网络控制等,虽然在动态性和鲁棒性上优越于常规PID控制,但其算法复杂,对于实际的数字控制系统来说,难以满足实时性的要求。

   本文提出了基于直流电动机调速过程分析知识库的专家控制算法,采用此算法的直流电动机调速系统动态性能好,对参数变化适应力强,可满足实时性要求。

2直流双闭环调速系统工作原理

   直流双闭环调速系统结构如图1所示,它由转速调节器ASR、电流调节器ACR、PWM调节器、PWM变换器、直流电动机和传感器组成。测速发电机把电机的速度信号送给控制部件进行比较,设定速度信号Urer与反馈信号Uv经ASR调节后输出电流给定值Uir到电流环,进而按需要来调节电机的转速。整个系统采用串级控制,分为转速环(外环)

和电流环(内环)。为保持内环的抗内扰能力强和快速性好的特点,ACR采用PI控制算法。电流环根据当前电流的测量值与ASR输出的差值进行调节,按PI算法调节PWM斩波输出的参数,并对电机的最大电流进行限幅。在整个系统中,转速环起主要调节作用,而电流环只是使输出电流跟踪ASR的输出而已。因此为尽量简化算法,只需将ASR设计为专家控制器,而ACR采用普通PI控制器即可。

   图1直流调速系统结构图

3专家控制算法

   专家控制的实质是基于受控对象和控制规律的各种知识,并以智能的方式利用这些知识来设计控制器。对于不同的受控对象,所用的控制方法可能大相径庭。因此专家控制没有固定的控制算法,必须根据不同的环境利用不同知识库来设计。构造专家控制器之前,首先要建立受控对象的知识库,因此,我们首先要对双闭环直流电动机的调速过程进行分析。由于PI控制的理论和实践上都非常成熟,因此我们分析基于PI控制的系统特性,专家控制器采用专家PI算法。

   在本文设计的专家控制算法中,将直流电动机工作划分为三种模式:一是加速模式,在这种模式下,速度上升,即当前速度小于设定速度。进入加速模式的原因包括设定速度提升,负载突然加大,突加反向重力力矩(如电车上坡)等等。二是减速模式,在这种模式下,速度下降,当前速度大于设定速度。进入减速模式的原因包括设定速度减小,负载突然减小,突加正向重力力矩(如电车下坡)等等。三是稳态模式,此时当前速度等于设定速度或略有波动。对于稳态模式,ASR使用常规PI算法即可,对于加速模式和减速模式,则需要根据系统的加速和减速过程知识库得到相应的控制算法。

3.1直流电动机调速过程知识库

   首先分析系统加速过程。加速过程可分为三个阶段。

   第1阶段为电流上升阶段。此时设定速度大于当前速度,速度电压误差Verr=Uref一Uv为正,通过两个调节器的控制作用,使电机电枢端电压Ud0和电机电流Id都上升。当输出力矩大于负载力矩时,即相当于输出电流,Id>负载电流,Id1时,电动机开始升速,其输出很快达到限定幅值Uirmax,强迫电流,d迅速上升到最大值Idm,其中Uirmax=Idm(卢为电流反馈系数)。当Id≈Idm时,Ui≈Uirmax,电流调节器的作用使,Id跟踪ASR输出的设定值,不再迅速增长,标志着这一阶段的结束。在这一阶段中,ASR由不饱和很快达到饱和,而ACR不应饱和,以保证电流

环的调节作用。

   第Ⅱ阶段为恒流升速阶段。从电流升到最大值Idm开始,到转速升到给定值nr为止,属于恒流升速阶段。在这个阶段,ASR.一直是饱和的,转速环相当于开环状态,系统表现为在恒值电流给定Uirmax作用下电流调节系统,基本上保持电流Id恒定(电流可能超调,也可能不超调,取决于电流调节器的结构和参数),因而电机系统的加速度恒定,转速呈线性增长。与此同时,电动机的反电动势E也线性增长。对电流调节系统来说,这个反电动势是一个线性渐增的扰动量,为了克服这个扰动,Ud0也必须线性增长,才能保持Id恒定。由于电流调节器是PI调节器,要使它的输出量按线性增长,其输人偏差电压△Ui=Uirmax一Ui必须保持一定的恒值,也就是说Id应略低于Idm。在这一阶段,ACR不应饱和。

   第Ⅲ阶段为转速调节阶段。在这阶段开始时,转速已经达到给定值,转速调节器的给定与反馈电压相平衡,输入偏差为零,其输出却由于积分作用还维持在限幅值Uirmax,所以电动机仍然在最大电流下加速,必然使转速超调。转速超调后,速度电压误差Verr为负,转速调节器.ASR输入为负值,使它退出饱合状态,其输出电压即ACR的给定电压Uir立即从限幅值降下来,主电流Id1也因而下降。但是,由于Id仍大于负载电流,Id1在一段时间内,转速仍继续上升。到Id=Id1时,转矩Te=T1,则 =0,转速n达到峰值。此后,电动机才开始在负载的阻力下减速,与此相应,电流Id也出现一段小于Id1的过程,直到稳定。在这最后的转速调节阶段内,ASR和ACR都不饱和,同时起调节作用。

   加速过程中系统的速度和电流曲线如图2所示。对于减速过程,情形类似,在此不再赘述。

   图2加速时的转速和电流波形

3.2专家控制器的设计

   首先设计加速模式下的控制。欲保证系统有良好的加速性能,需要较快的加速过程和较小的超调量。

   对于第Ⅰ阶段,由于机电惯性的作用,转速的增长不会太快,因而转速调节器的输入偏差电压Verr较大,使得ASR很快饱和,使用常规PI控制即可使这阶段时间很短。在第Ⅱ阶段,转速环饱和,ASR不起调节作用,因此这两阶段可按普通PI计算即可。对于第Ⅲ阶段,若要缩短这段时间,可从以下两方面着手:

   (1)系统超调时,即当前转速大于设定转速时,应加大PI系数,使Id迅速降到Id1;

   (2)当Id降到负载电流Id1后,则转速环输出应限定在βId1附近,由于电流环时间常数小,这样可以使电流迅速稳定,从而加快转速的稳定。要满足这点,则需要捕捉到负载电流Id1

由图2可以看出,在加速过程中有两个时刻可以捕捉负载电流Id在第Ⅰ阶段时转速开始上升时,即当前速度Vcrrent大于上一次速度Vprevious时和在第Ⅲ阶段时转速达到峰值时。

理论上我们可以在这两个时刻中任意一个捕捉到负载电流Id1,但是如果在第I阶段时捕捉电流,在实际应用中不太可靠,由于干扰等原因,可能在Id<Id1时就检测到Vcurrent>Vprevious从而造成误捕捉。而在第Ⅲ阶段时捕捉,只须采用捕捉最大值算法,就可以捕捉到峰值转速和此时对应的输出电流,即使有干扰,也能保证捕捉到的负载电流在,Id附近。

欲减小超调量,若不增加额外的运算,则采取的最好办法仍然是在第Ⅲ阶段系统超调时加大PI系数。

对于电动机减速模式的控制,有类似的设计。

基于以上分析,我们可以得到控制器程序流程,如图3所示。

    图3专家控制算法流程图

3.3控制器算法效率分析

本算法的运算量相比常规的PI控制所需要的运算量,其所增加的控制部分大部分基于比较和判断,因此运算量主要还是花费在计算PI输出量所用的浮点乘和浮点加上。

对于存储空间,本算法相比常规的PI控制,只增加了存放最大速度和最小速度寄存器,捕捉电流寄存器以及一些标志位。因此空间复杂度比常规PI略有增加,因此,本算法的时间复杂度和空间复杂度都接近于常规PI算法,远远低于模糊控制或神经网络控制等智能控制。

4系统仿真

仿真以基于电动车电机系统构建模型,仿真参数为:电枢回路电阻R=0.1 8Ω,电感L=320μH;额定电压为24V,额定电流为14 A,额定功率为300W,额定转速1 500 r/min,转速反馈系数α=0.01,电流反馈系数β=0.7。图4a为整个系统的仿真结构图,由于要捕捉电流,因此ASR的输入需要电流反馈作为输入。图4b为电机模型仿真图。

   图4系统仿真图

(a)系统结构图

(b)电机模型图

 转速电压Uref设定规律为:0~5 s内,Uref=10V;5~10 s内,Urf=15 V;10~15 s内,Uref=10 V;15~20s内,Uref=0。为了证实专家PI算法的鲁棒性,本文转速调节器选取了与系统参数并不匹配的PI参数进行控制。当采用常规PI控制时,在无负载干扰的情况下,输出的速度和电流波形如图5a所示,当采用专家PI控制的转速调节器后(其中稳态模式下PI参数和前者相同),输出的转速和电流波形如图5b所示。由图可以看出采用专家PID控制算法后系统调速时间缩短,能很快恢复稳定,并且超调减小,效果的提升是非常明显的。

(a)采用常规PI控制系统输出图(b)采用专家PI控制系统输出图

   图5  系统输出速度和电流曲线图

同样采取这些参数,将负载扰动加入到系统中,其中负载变化规律为:O~2 s内负载为零,在第2 s时突加负载1.5 N·m,在8 s再将负载加到1.8 N·m,在12 s时将负载突降为一1.5 N·m。图6a是ASR采用常规PID控制算法后系统的输出速度和电流曲线,图6b是ASR采用专家PI控制算法后系统的输出速度和电流曲线。由图中可以看出,专家PI控制抗干扰性能也比常规PI算法要优越很多。

          

(a)采用常规PI控制系统输出图      (b)采用专家PI控制系统输出图

   图6加入负载扰动后系统输出速度和电流曲线图

5结  语

 本文以电机调速过程的系统转速、电流特性作为知识库,提出了针对直流双闭环调速系统的专家PI算法。本算法与传统的双闭环PI控制相比,改善了动态特性,提高了系统适应抗外部干扰能力,增强了内部参数变化的鲁棒性。尤其是其运算效率非常接近常规PID算法,可用于实际系统中。需要特别指出的是,由于专家控制是基于系统的知识库的,对系统具有很强的针对性,因此对本文提出的控制算法只适合双闭环控制直流调速系统,对于其它控制系统则需要根据其系统的特性重新构造知识库,再设计专家控制。

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