直流雙閉環調速系統仿真研究

0pid的智能控制自動駕駛具有大轉向和大電機速度的優點，在圈壓機和電力機之間仍然廣泛使用。直流調速系統在理論上和實踐上都比較成熱,從控制技術的角度來看,它又是交流調速系統的基礎;電力電子技術、計算機控制技術、智能控制理論的發展,更為直流調速系統繼續發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速系統。因此,對直流調速系統的研究仍具有重要意義。直流調速系統中最典型的控制方式就是速度、電流雙閉環調速。由于受參數時變和不確定性等因素的影響,傳統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快速性與穩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調速系統引入模糊控制器,以改善系統性能。1電機啟動和制動過程中的轉速反饋通道電流、轉速雙閉環直流調速系統由電流調節器(ACR)和轉速調節器(ASR)串級聯接,電流負反饋為內環、轉速反饋為外環,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裝置;通過設置轉速調節器的輸出限幅并配合調節轉速反饋通道的增益,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、轉速雙閉環結構可以很好地抑制電網電壓波動和負載變化等擾動量對電動機轉速的影響。1.1直流雙閉環系統動態特性仿真結果已知某直流雙閉環調速系統,其控制系統主回路與直流電動機的主要參數如下: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m=6。負載及電動機轉動慣量:GD2=125kg·m2。電流反饋系數β=0.0095V/A,轉速反饋系數α=0.01V·min/r。電動機機電時間常數Tm=0.8s,電動機電磁時間常數Tl=0.025s,轉速反饋通道濾波時間常數Ton=0.001s,電流反饋通道濾波時間常數Toi=0.002s,晶閘管放大系數Ks=23,時間常數Ts=0.0017s。啟動電流取1050A(為額定值的1.5倍)。其它參數工程計算從略。依據圖1可在Matlab下建立直流雙閉環調速系統仿真模型,如圖2所示。ASR的參數設置:Kp=60.5,Ki=11.5,限幅值為[-10,10];ACR的參數設置: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可很方便地實現仿真時負載的手動切換。將該直流雙閉環調速系統在Simulink下運行后,仿真結果如圖3所示。從圖3可看出,空載、額定負載、適當過載3種情況下,系統均先以恒定大電流快速啟動;到額定轉速后具有一定的超調;穩態時速度曲線為水平線,說明靜態較好;2.5s處突加過載干擾,系統仍然平穩,說明抗擾能力較好。綜合看來,直流雙閉環調速系統具有較好的動態與靜態特性,可以很好地抑制擾動量對電動機轉速的影響。從圖3(b)可看出,該直流雙閉環調速系統在突加給定電壓Un時,整個啟動的過渡過程可分為電流上升、恒流升速、轉速調節3個階段,該期間ASR會經歷不飽和、飽和、退飽和3個狀態。ASR飽和時,轉速環相當于開環,系統為電流單閉環系統;ASR不飽和時,系統為無靜差系統,且由于ASR的自身特性,系統超調難以避免。解決該問題的一個簡單有效的辦法是在ASR上引入轉速微分負反饋,這一環節可以抑制轉速超調直到消除超調,同時可以大大降低動態速降,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系統的退飽和和過渡過程不能象普通雙閉環系統那樣借助于系統的抗擾性能曲線。總之,常規直流雙閉環調速方法是基于系統的精確數學模型的,在增加解決環節的同時,系統模型趨于復雜,不利于實施,可能還會影響系統的可靠性,為此,筆者引入不依賴于系統精確數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點是不依賴于被控對象的精確數學模型,能夠克服非線性因素的影響,對調節對象的參數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,以改善常規直流雙閉環調速系統升速階段的轉速開環局面和動態性能。然而,由于常規模糊控制相當于PD控制,不具有積分能力,導致基于模糊控制的系統調整階段及穩定階段又難以很好地消除穩態誤差,在變量分級不夠多的情況下,會在平衡點附近有振蕩現象,使得系統靜特性下降。基于以上分析,將要給出的新直流雙閉環直流調速系統在電流環仍采用常規PI調節的基礎上,轉速環改為模糊控制器與常規PI分時作用。當偏差e大于設定閾值時,采用模糊控制,以提高系統的響應速度獲得良好的動態特性,而當偏差e小于設定閾值時,系統切換至常規PI調節,以發揮PI調節器靜態特性好的特點。該直流雙閉環調速系統模糊控制器的工作過程:先依據檢測到的轉速計算轉速偏差(e)和轉速偏差變化率(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構。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不靈敏區,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,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下調用FISEditor選擇編輯輸入量(e、ec)和輸出變量(u)的隸屬函數,確定論域內各元素對模糊語言變量的模糊語言值隸屬度,并將結果保存至工作空間以便仿真時模糊控制器調用;由該輸入量模糊集可得到49條模糊控制規則,如表1所示。在常規直流雙閉環控制系統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,可根據仿真圖形進行修改以獲得最佳值,若跳變過早則不能發揮模糊控制器的作用。考慮到圖2中的速度PI調節器在轉速上升至接近穩態時,經過開關跳變才起作用,故可不用串限幅環節。仿真過程中發現,若Switch跳變過早,ASR會飽和。從圖6可看出,系統上升時間縮短;升速段到穩定態過渡平穩;速度超調明顯改善;與圖3相比,電流曲線下降段到穩定態由陡峭下降變為平滑過渡,這也是系統能平穩過渡的主要原因。2matlab的模糊邏輯工具(1)嚴格工程設計下的常規直流雙閉環系統動、靜態性能較好,適用性強,其理論體系為其它調速