第30卷 第1期2008年2月
电气电子教学学报
JOURNALOFEEE
Vol.30 No.1Feb.2008
双闭环直流调速系统的研究
邵雪卷,张井岗,赵志诚,陈志梅
(太原科技大学自动化系,山西太原030024)
摘 要:本文分析了转速—电流双闭环直流调速系统采用常规PI调节器进行速度控制时存在的输出限幅和转速超调问题,并给出了解决超调问题的各种控制方案。本文针对内模控制在闭环直流调速系统中的应用,给出了实验结果,并和常规PI调节器进行速度控制时的系统进行比较,使学生认识到采用合适的控制方案不仅可以成功消除电机在起动过程中的转速超调,而且使系统获得良好的动态和静态性能。关键词:双闭环直流调速系统;限幅;转速超调中图分类号:TM3
文献标识码:A 文章编号:1008-0686(2008)01-0075-04
StudyofDCSpeedRegulatingSystemofDoubleLoopCircuit
SHAOXue-juan,ZHANGJing-gang,ZHAOZhi-cheng,CHENZhi-mei
(DepartmentofAutomation,TaiyuanUniversityofScienceandTechnology,Taiyuan030024,China)
Abstract:ThespeedregulatorofdoubleloopDCspeedregulatingsystemisusuallysettobethePI(pro-portional-integral)type.Thispaperstudiesexistingquestionofthesystem,includingthesaturablelimita-tionandthespeedovershootduringthestaringprocess,thendifferentresolutionsareproposed.TheexperimentresultsofapplicationofinternalmodelcontrolinDCspeedregulatingsystemaregivenand
comparedwiththatofconventionalPIcontrol.TheresultsshowthatinternalmodelcontrolreplaceingtheconventionalPIregulatorcansuccessfullysolvetheproblemofthespeedovershootandenablethesystemtobeofgooddynamicandstaticperformance.Keywords:doubleloopDCspeed-regulatingsystem;limitation;speedovershoot 转速-电流双闭环直流调速系统结构简单,工作可靠,且设计较为方便,是应用非常广泛的一种调速系统。它也是“运动控制系统”课程的重要内容。传统的双闭环直流调速系统的转速调节器一般采用比例积分调节器,采用这种调节器存在两个问题:一是饱和限幅问题;二是系统在启动过程中必然存在的转速超调问题。针对这两个问题,笔者在讲课过程中把这两部分内容进行拓展,可以有效地帮助学生
理解这部分内容。
1 双闭环直流调速系统的组成
转速—电流双闭环直流调速系统的结构如图1所示。图中,M为直流电动机,TG为测速发电机,
ASR为转速调节器,ACR为电流调节器,GT为触发器,TA为电流互感器,VT为整流装置。U＊n为转速给定电压,Un为转速反馈电压,Ui＊为电流给定电
收稿日期:2007-09-19;修回日期:2008-01-04
作者简介:邵雪卷(1975-),女,硕士,讲师,主要从事交直流传动系统新型控制策略的研究,E-mail:sxj0351@163.com
张井岗(1965-),男,博士,教授,主要从事智能控制和鲁棒控制及其在电气传动系统中的应用等方面的研究工作;赵志诚(1970-),男,博士生,副教授,主要从事智能控制等方面的研究工作;陈志梅(1970-),女,博士生,副教授,主要从事鲁棒控制等方面的研究工作。
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电气电子教学学报 第30卷
压,Ui为电流反馈电压,UCT为控制电压,Ud为电枢端电压。
3 双闭环直流调速系统的超调问题
转速节器采用常规PI调节器,电动机启动时,突加了一个阶跃给定电压。由于电机惯性的存在,电机转速很低,使得转速调节器的输出很快达到饱和限幅值,而且维持不变,这时电机开始恒加速上升。当电机的转速升到给定值后,转速反馈值大于转速给定值,转速偏差变为负值,转速调节器退出饱和,进入线性状态。在转速调节器刚退出饱和时,由于电动机的电流仍大于负载电流,电动机仍继续加速,直到电动机的电流小于负载电流,转速才降下来。因此,直流电动机在启动过程中必然存在超调。在某些不允许转速超调的地方,采用常规PI调节器就会有一定的局限性。针对这一问题,许多学者提出了不同的解决方法。
1)转速微分负反馈
为了减小超调,文献[1]在转速调节器上引入转速微分负反馈,加入转速微分负反馈的转速调节器原理图如图3所示。
[1-6]
图1 转速-电流双闭环直流调速系统
两个调节器之间实行串级联接,转速调节器ASR的输出是电流调节器ACR的输入,其输出
UCT控制电力电子变换器。从闭环结构上看,转速环在外环,电流环在内环,这就构成了转速—电流双闭环直流调速系统。
2 双闭环直流调速系统的限幅问题
双闭环直流调速系统的转速调节器和电流调节器一般都采用PI调节器。在直流调速系统中,为了保证电气设备和机械设备的安全,需限制电动机的最大电流和最大电压。因此,PI调节器一般都设有不同形式的限幅电路。
带饱和限幅的PI调节器的Simulink仿真模型,如图2所示。
图3 带转速微分负反馈的转速调节器
图2 带饱和限幅的PI调节器的Simulink仿真模型
它是在转速负反馈的基础上叠加了转速微分负反馈信号,在转速变化过程中,只要有转速超调和动态速降的趋势,微分负反馈就开始进行调节。这种方法可以抑制甚至消除转速超调,同时也可以降低负载扰动引起的动态速降,但过强的微分负反馈会使系统的响应速度变慢。
2)变结构控制
变结构控制调节器是由若干个不同的子系统组成,这些子系统参数或结构不同,系统在工作过程中根据某种函数规则在这些子系统之间切换,以达到改善系统性能的目的。文献[2]设计了一种变结构的P-PI调节器,取代常规的PI速度调节器。变结构PI调节器的Simulink仿真框图如图4所示。
图中Kn是调节器的比例部分,虚线框内是调节器的积分部分,积分部分本身设置上、下限幅,比例与积分之和后面再加一饱和非线性限幅环节。其工作过程分三种情况:①当积分部分未饱和且比例加积分的和小于饱和非线性环节的限幅值时,调节器表现为线性的PI调节器;②当积分部分未饱和而比例加积分的和大于饱和非线性环节的限幅值时,调节器的输出被限制在限幅值之上,积分部分继续积分;③当积分部分的输出达到本身的限幅值时,其输出便停止增长,比例与积分之和被后面的饱和非线性环节限制住了。当输入信号改变极性时,积分部分是从本身的限幅值开始退饱和的。
第1期邵雪卷,张井岗等:双闭环直流调速系统的研究
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图4 变结构PI调节器的Simulink仿真框图图5 采用内模控制器的双闭环直流调速系统
其中,饱和模块的饱和值与开关模块的比较值都设定为实际系统的限幅值Usm。电机启动时,偏差e(t)较大,此时开关向下,调节器属于比例调节器,在Kn作用下,调节器的输出立即达到饱和值;随着系统
转速的增加,e(t)减小,当Kn·e(t)小于Usm时,开关向上。这时调节器属于比例积分调节器,此时积分量在增加,比例量在减少。如果合理选择积分系数和比例系数,可使增加的部分小于减小的部分,则调节器总的输出从Usm回落,能在e(t)变为负值之前退出饱和。这种方法可成功地消除转速退饱和超调,不过选择合适的积分系数和比例系数方向比较困难。
3)智能控制
智能控制不完全依赖于对象的数学模型,它主要包括模糊控制、神经控制及专家控制等。文献[3]给出了模糊控制在双闭环直流调速系统中的应用。系统中电流环仍采用PI调节器,而转速环采用模糊控制器。采用这种控制方法,可以减小或消除超调,且速度的上升时间快,但控制规则和隶属函数变化影响系统的性能。当偏差E和偏差变化EC的控制规则按一定规律变化并且变化不大时,系统的性能变化很小;当控制规则变化较大时,系统有可能变为不稳定系统,影响系统的鲁棒性。同样隶属函数的变化影响系统的动静态性能,当隶属函数变化很小时,对系统的影响较小。
4)内模控制
内模控制是Garcia和Morari于80年代初提出的。它的设计原理简单,参数整定直观明了,鲁棒性强,控制性能良好。文献[7]将内模控制方法推广用于直流调速系统,用内模控制器代替传统的PI速度调节器。内模控制的双闭环直流调速系统动态结构图如图5所示。
图中Q(s)为内模控制器,M(s)是转速环被控对象的内部模型。为了提高系统的快速性和限制最大电流的需要,在内模控制器Q(s)的输出端仍设置限幅环节。考虑到对调速系统稳态和动态性能的要求,选择M(s)形式如下:
K(1)
Ts+1
内模控制器Q(s)中的低通滤波器F(s)可选M(s)=为:
1(2)
λs+1
根据内模控制理论,可得内模控制器Q(s)为:F(s)=
Ts+1(3)
K(λs+1)
内模控制器Q(s)为超前型控制器。当突加阶跃Q(s)=M-1(s)·F(s)=
给定起动时,其输出很快处于饱和限幅状态,从而使电动机在最大电流下实现恒流升速,加快了起动过程,这与采用常规PI调节器的系统是一致的。但由于这时内模控制器Q(s)没有积分累加作用,当电动机转速接近给定转速时,它就退出饱和限幅状态,因而也就不会产生退饱和超调。
实验时给定电压为3.56V,电动机稳定运行后转速为1000r/min。为了进行比较,给出了转速调节器采用常规PI调节器的转速波形,通过存储示波器得到分别在两种情况下的起动转速波形(图8)。
(a) 常规控制 (b) 内模控制图8 采用常规PI调节器和内模控制器时的响应比较
从实验结果可以看出,在给定电压值相同的情况下,采用常规PI控制器,超调量可达到15%;而采用内模控制器,可以消除转速退饱和超调,系统的跟随性能优于采用常规PI控制器的性能。而且其设计方法简单,控制器容易实现,从而为改进直流电动机调速系统的性能提供了一种新方法。
(下转第84页)
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表2 研究性实验项目
编号研究性实验名称12
基于激光测距仪的直线特征提取
基于双目立体视觉摄像机的直线特征提取
移动机器人传感器系统的采3
集与处理(含激光、声纳与双目视觉)
移动机器人传感器信息的融4
合(水平激光信息和垂直双目信息)5
移动机器人模块化二自由度云台的设计与开发
545454实验学时3232
电气电子教学学报 第30卷
实验可接受的学分学生人数22
20人20人
图像信息,供移动智能体实验平台进行外部环境识
别。这个实验项目可以培养学生在硬件电路设计、软件编程、算法实现、数字图像处理、通讯控制及运动控制等多方面的能力。
实施上述研究性实验以来,部分学生不仅出色完成了实验项目,还在熟悉移动智能体实验平台的过程中,有了实质性的研究成果。
315人
3 结语
本文所介绍的研究性实验主要特色包括:①实验内容具有开放性。为完成一个实验,可以选取不同传感器和侧重点,并使用不同的算法,既有前沿也有基础,能够充分利用学生的特长;②实验内容具有扩展性。学生完成前期实验后,可以在此基础上进行综合性研究,如传感器信息融合和全局地图的构建等,有利于激发学生的积极性;③实验项目相对独立又互相联系。后期项目以前期项目为基础,使工作具有连续性,十分有利于培养学生的团队协作精神。参考文献:
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415人
312人
在表2中,实验1和实验2是前述的室内环境
下直线特征提取实验项目。主要是使学生了解移动智能体实验平台、熟悉主要的传感器、掌握基本的测量仪表使用方法,侧重于培养学生在数据采集和处理、图像处理以及信号通讯等方面的能力。实验3综合了激光和双目传感器,与单纯应用激光传感器或者双目立体摄像机进行实验教学相比,此实验更具趣味性和系统性。实验4通过在同一坐标系中同时提取直线特征和垂直边缘特征,充分利用激光和双目的信息,实现传感器信息的融合,从而为后期开展移动智能体的同时定位和地图构建实验打下良好基础。实验5是在实验2基础上的一个软硬结合实验项目。主要任务是设计开发一个机器人用双目二自由度云台,使双目立体摄像机通过云台在水平和俯仰两个自由度转动,获取动态的和大范围的外部
(上接第77页邵雪卷等文)
4 结语
本文详细介绍了双闭环调速系统采用常规PI调节器进行速度控制时存在的饱和限幅和转速超调问题以及解决这些问题的方法。不仅使学生对“运动控制系统”这门课的相关内容有了深刻的了解,而且拓展了学生的知识面,提高了学生解决问题的能力。参考文献:
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