直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真研究

0pid的智能控制自動駕駛具有大轉(zhuǎn)向和大電機速度的優(yōu)點，在圈壓機和電力機之間仍然廣泛使用。直流調(diào)速系統(tǒng)在理論上和實踐上都比較成熱,從控制技術的角度來看,它又是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎;電力電子技術、計算機控制技術、智能控制理論的發(fā)展,更為直流調(diào)速系統(tǒng)繼續(xù)發(fā)展和應用提供了契機。進入21世紀后國外一些公司(西門子的6R24-27系列、ABB的DCV700系列等)仍在不斷推出高性能直流調(diào)速系統(tǒng)。因此,對直流調(diào)速系統(tǒng)的研究仍具有重要意義。直流調(diào)速系統(tǒng)中最典型的控制方式就是速度、電流雙閉環(huán)調(diào)速。由于受參數(shù)時變和不確定性等因素的影響,傳統(tǒng)的控制方法常受到很大的局限。另外,PID控制方法往往在系統(tǒng)快速性與穩(wěn)定性之間不能兩者兼顧。模糊控制不依賴于被控對象的精確數(shù)學模型,既能克服非線性因素的影響,又具有較強的魯棒性。因此,筆者給直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)引入模糊控制器,以改善系統(tǒng)性能。1電機啟動和制動過程中的轉(zhuǎn)速反饋通道電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)由電流調(diào)節(jié)器(ACR)和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器(ASR)串級聯(lián)接,電流負反饋為內(nèi)環(huán)、轉(zhuǎn)速反饋為外環(huán),如圖1所示,其中E為電動機在勵磁作用下的電樞反電動勢。ASR的輸出作為ACR的輸入,ACR的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置;通過設置轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出限幅并配合調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速反饋通道的增益,可得到電動機啟動、制動等過程中的電樞回路的最大電流值,使得電動機快速地啟動和制動。通過電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)可以很好地抑制電網(wǎng)電壓波動和負載變化等擾動量對電動機轉(zhuǎn)速的影響。1.1直流雙閉環(huán)系統(tǒng)動態(tài)特性仿真結(jié)果已知某直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),其控制系統(tǒng)主回路與直流電動機的主要參數(shù)如下:電動機:Pnom=150kW,Inom=700A,nnom=1000r/min,Ra=0.05Ω。主回路:Rd=0.08Ω,Ld=2mH,全控橋式整流輸出端的脈動波頭數(shù)m=6。負載及電動機轉(zhuǎn)動慣量:GD2=125kg·m2。電流反饋系數(shù)β=0.0095V/A,轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)α=0.01V·min/r。電動機機電時間常數(shù)Tm=0.8s,電動機電磁時間常數(shù)Tl=0.025s,轉(zhuǎn)速反饋通道濾波時間常數(shù)Ton=0.001s,電流反饋通道濾波時間常數(shù)Toi=0.002s,晶閘管放大系數(shù)Ks=23,時間常數(shù)Ts=0.0017s。啟動電流取1050A(為額定值的1.5倍)。其它參數(shù)工程計算從略。依據(jù)圖1可在Matlab下建立直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型,如圖2所示。ASR的參數(shù)設置:Kp=60.5,Ki=11.5,限幅值為[-10,10];ACR的參數(shù)設置:Kp=1.24,Ki=40,限幅值為[-10,105]。STEP的Steptime為0,Initialvalue為0,Finalvalue為10,通過ManualSwitch可很方便地實現(xiàn)仿真時負載的手動切換。將該直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在Simulink下運行后,仿真結(jié)果如圖3所示。從圖3可看出,空載、額定負載、適當過載3種情況下,系統(tǒng)均先以恒定大電流快速啟動;到額定轉(zhuǎn)速后具有一定的超調(diào);穩(wěn)態(tài)時速度曲線為水平線,說明靜態(tài)較好;2.5s處突加過載干擾,系統(tǒng)仍然平穩(wěn),說明抗擾能力較好。綜合看來,直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有較好的動態(tài)與靜態(tài)特性,可以很好地抑制擾動量對電動機轉(zhuǎn)速的影響。從圖3(b)可看出,該直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在突加給定電壓Un時,整個啟動的過渡過程可分為電流上升、恒流升速、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)3個階段,該期間ASR會經(jīng)歷不飽和、飽和、退飽和3個狀態(tài)。ASR飽和時,轉(zhuǎn)速環(huán)相當于開環(huán),系統(tǒng)為電流單閉環(huán)系統(tǒng);ASR不飽和時,系統(tǒng)為無靜差系統(tǒng),且由于ASR的自身特性,系統(tǒng)超調(diào)難以避免。解決該問題的一個簡單有效的辦法是在ASR上引入轉(zhuǎn)速微分負反饋,這一環(huán)節(jié)可以抑制轉(zhuǎn)速超調(diào)直到消除超調(diào),同時可以大大降低動態(tài)速降,但是恢復時間會延長,還必須采取濾波措施以防止新的干擾;另外,因為初始條件不同,在求帶微分負反饋雙閉環(huán)系統(tǒng)的退飽和和過渡過程不能象普通雙閉環(huán)系統(tǒng)那樣借助于系統(tǒng)的抗擾性能曲線。總之,常規(guī)直流雙閉環(huán)調(diào)速方法是基于系統(tǒng)的精確數(shù)學模型的,在增加解決環(huán)節(jié)的同時,系統(tǒng)模型趨于復雜,不利于實施,可能還會影響系統(tǒng)的可靠性,為此,筆者引入不依賴于系統(tǒng)精確數(shù)學模型的模糊控制方法。1.2模糊控制器設計模糊控制由于其最大優(yōu)點是不依賴于被控對象的精確數(shù)學模型,能夠克服非線性因素的影響,對調(diào)節(jié)對象的參數(shù)變化具有較強的魯棒性并且控制簡單,因此,筆者對ASR引入模糊控制,以改善常規(guī)直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)升速階段的轉(zhuǎn)速開環(huán)局面和動態(tài)性能。然而,由于常規(guī)模糊控制相當于PD控制,不具有積分能力,導致基于模糊控制的系統(tǒng)調(diào)整階段及穩(wěn)定階段又難以很好地消除穩(wěn)態(tài)誤差,在變量分級不夠多的情況下,會在平衡點附近有振蕩現(xiàn)象,使得系統(tǒng)靜特性下降?；谝陨戏治?將要給出的新直流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)在電流環(huán)仍采用常規(guī)PI調(diào)節(jié)的基礎上,轉(zhuǎn)速環(huán)改為模糊控制器與常規(guī)PI分時作用。當偏差e大于設定閾值時,采用模糊控制,以提高系統(tǒng)的響應速度獲得良好的動態(tài)特性,而當偏差e小于設定閾值時,系統(tǒng)切換至常規(guī)PI調(diào)節(jié),以發(fā)揮PI調(diào)節(jié)器靜態(tài)特性好的特點。該直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)模糊控制器的工作過程:先依據(jù)檢測到的轉(zhuǎn)速計算轉(zhuǎn)速偏差(e)和轉(zhuǎn)速偏差變化率(ec),再將兩者模糊化處理成模糊量并送給模糊控制器;模糊控制器按照模糊推理規(guī)則計算得到控制量(u)輸出,模糊控制量清晰化為精確量后去控制后級裝置。如圖4所示,模糊控制器為單變量二維結(jié)構(gòu)。在定義模糊子集時,應注意使論域中任何一點對這些模糊子集的隸屬度的最大值不能太小,否則會在這些點附近出現(xiàn)不靈敏區(qū),以致造成失控使模糊控制器性能變壞;同時要適當增加子集論域中的元素個數(shù),以獲得模糊子集對論域較好的覆蓋性,但論域元素的增多會增大運算量,一般選擇誤差論域的n≥6,選誤差變化率論域的m≥6,輸出控制量的論域p≥7。隸屬度函數(shù)的曲線形狀較尖時,控制靈敏度較好。在此:e、ec和u的模糊集均為{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB};e和u的論域均取為{-10,…,+10};ec的論域均取為{-6,…,+6}。在Matlab下調(diào)用FISEditor選擇編輯輸入量(e、ec)和輸出變量(u)的隸屬函數(shù),確定論域內(nèi)各元素對模糊語言變量的模糊語言值隸屬度,并將結(jié)果保存至工作空間以便仿真時模糊控制器調(diào)用;由該輸入量模糊集可得到49條模糊控制規(guī)則,如表1所示。在常規(guī)直流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)模型的基礎上引入模糊控制器,如圖5所示,該模型的仿真結(jié)果如圖6所示。在仿真過程中應注意Switch跳變值的選擇,可根據(jù)仿真圖形進行修改以獲得最佳值,若跳變過早則不能發(fā)揮模糊控制器的作用。考慮到圖2中的速度PI調(diào)節(jié)器在轉(zhuǎn)速上升至接近穩(wěn)態(tài)時,經(jīng)過開關跳變才起作用,故可不用串限幅環(huán)節(jié)。仿真過程中發(fā)現(xiàn),若Switch跳變過早,ASR會飽和。從圖6可看出,系統(tǒng)上升時間縮短;升速段到穩(wěn)定態(tài)過渡平穩(wěn);速度超調(diào)明顯改善;與圖3相比,電流曲線下降段到穩(wěn)定態(tài)由陡峭下降變?yōu)槠交^渡,這也是系統(tǒng)能平穩(wěn)過渡的主要原因。2matlab的模糊邏輯工具(1)嚴格工程設計下的常規(guī)直流雙閉環(huán)系統(tǒng)動、靜態(tài)性能較好,適用性強,其理論體系為其它調(diào)速