用多種控制策略實(shí)現(xiàn)矢量變頻調(diào)速系統(tǒng)的速度調(diào)節(jié)

1、用多種控制策略實(shí)現(xiàn)矢量變頻調(diào)速系統(tǒng)的速度調(diào)節(jié)             用多種控制策略實(shí)現(xiàn)矢量變頻調(diào)速系統(tǒng)的速度調(diào)節(jié) 王東興， 莊 斌，蘇劍霞 (北京機(jī)械工業(yè)學(xué)院自動(dòng)化系，北京 100085)     摘  要：針對(duì)交流變頻調(diào)速器抗負(fù)載擾動(dòng)能力差及寬范圍調(diào)速時(shí)遇到的交流模型嚴(yán)重非線性變化的問題，提出了一種新型速度調(diào)節(jié)器，該調(diào)節(jié)器運(yùn)用多種控制策略實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)控制。這些控制策略有開環(huán)控制、模糊控制和變參數(shù)PID(比例、積分

2、、微分)控制。根據(jù)實(shí)時(shí)工況選用某種控制策略，使系統(tǒng)具有較好的快速性、精確性。    關(guān)鍵詞：速度調(diào)節(jié)器； 開關(guān)控制； 模糊控制； 變參數(shù)PID控制 1 引言     20世紀(jì)80年代之前，占電力拖動(dòng)容量約80%的拖動(dòng)系統(tǒng)都采用直流電機(jī)，80年代后，隨著電力電子技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了高性能的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)，交、直流拖動(dòng)的格局被打破。在一些工業(yè)部門中可調(diào)速交流拖動(dòng)系統(tǒng)取代了直流拖動(dòng)系統(tǒng)，交流變頻調(diào)速器得到了廣泛的應(yīng)用。由于變頻調(diào)速器多數(shù)是速度開環(huán)，抗負(fù)載擾動(dòng)能力差，尤其是調(diào)速范圍寬時(shí)很難得到滿意的拖動(dòng)性能

3、。為解決這一問題，研制成功了一種高性能價(jià)格低的微控制速度調(diào)節(jié)器。實(shí)現(xiàn)了速度閉環(huán)調(diào)節(jié)，提高了系統(tǒng)性能。它體積小、成本低，與變頻器連接簡(jiǎn)單，容易配套使用。經(jīng)過專家鑒定，認(rèn)為有一定的創(chuàng)新性和先進(jìn)性。2 調(diào)速原理被控對(duì)象是鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，它的近似模型已經(jīng)知道，但是供應(yīng)商不提供變頻器的數(shù)學(xué)模型。系統(tǒng)中采用德國(guó)西門子公司的Micro Master 150/3變頻器，選擇磁通電流控制方式。變頻器與電動(dòng)機(jī)組成了一個(gè)電流、磁通閉環(huán)系統(tǒng)。因此，將變頻器、異步電動(dòng)機(jī)及負(fù)載合在一起作為一個(gè)廣義對(duì)象來建立其數(shù)學(xué)模型是符合客觀實(shí)際的，如圖1所示。在我們的系統(tǒng)中，負(fù)載不變使電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行在600 r/min，運(yùn)用階躍響應(yīng)法

4、對(duì)廣義對(duì)象辨識(shí)得到的傳遞函數(shù)表達(dá)式是：                                這是一個(gè)非最小相位穩(wěn)定系統(tǒng)，可以采用PID調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)，達(dá)到高性能的穩(wěn)速要求。實(shí)際上由于下述原因的存在，影響著系統(tǒng)的性能指標(biāo)：廣義對(duì)象的傳函是在600 r/min及負(fù)載不變的條件下得

5、到的。嚴(yán)格地說該模型只能做到適用于這個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，然而，該系統(tǒng)要求能在1:20的調(diào)速范圍內(nèi)，存在負(fù)載擾動(dòng)的情況下實(shí)現(xiàn)最佳調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)也證明了這一論點(diǎn)：在高速時(shí)廣義對(duì)象為欠阻尼系統(tǒng)，在低速時(shí)為過阻尼系統(tǒng)。顯然，要得到在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)的最佳調(diào)節(jié)，引入?yún)?shù)固定的PID調(diào)節(jié)器是不行的，必須使用參數(shù)自適應(yīng)PID調(diào)節(jié)器?？紤]到工程實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)單易行，選用了按速度段查表的變參數(shù)PID調(diào)節(jié)器，見表1 (H-16進(jìn)制數(shù))。3 速度調(diào)節(jié)器的構(gòu)造常規(guī)PID調(diào)節(jié)器由于其算法簡(jiǎn)單、連續(xù)性強(qiáng)、精度高、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)而成為控制領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛、最基本的一種控制裝置，特別是對(duì)于線性定常系統(tǒng)的控制非常有效。然而，鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)是一個(gè)強(qiáng)

6、耦合的多變量高階非線性系統(tǒng)，加之電機(jī)參數(shù)的時(shí)變性，在較寬的范圍內(nèi)調(diào)速或出現(xiàn)較強(qiáng)擾動(dòng)時(shí)，很難做到快、穩(wěn)、準(zhǔn)。因此構(gòu)造了一種調(diào)節(jié)器，它集開關(guān)控制、模糊控制和變參數(shù)PID控制于一身，根據(jù)偏差的大小，選擇適當(dāng)?shù)目刂撇呗?，控制性能大大?yōu)于常規(guī)PID控制。結(jié)構(gòu)如圖2所示。   (1) e>200開關(guān)控制 (e = n*-n) (2) 40<e<200 壓縮的模糊控制 (3) IeI40 變參數(shù)PID控制將速度01500 r/min分做14段，每段的PID參數(shù)由查表得到。 在偏差很大時(shí)，調(diào)節(jié)器輸出量的絕對(duì)值很大，采用開關(guān)控制策略，以便盡快把偏差減下來，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度

7、；當(dāng)偏差降到一定程度時(shí)，切換到模糊控制，它根據(jù)速度偏差e及其變化率ec決定輸出量u的大小，參閱表2。由于在開關(guān)控制與變參數(shù)PID控制之間構(gòu)成了模糊控制器，它根據(jù)速度偏差及其變化率決定輸出量，使系統(tǒng)以最佳軌跡漸近穩(wěn)定于原點(diǎn)，克服了開關(guān)控制易造成超調(diào)的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)快速、無超調(diào)、高魯棒性；當(dāng)速度偏差絕對(duì)值小于或等于40 r/min時(shí)，說明系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，切換至PID控制，充分發(fā)揮PID調(diào)節(jié)器連續(xù)性好及控制精度高的優(yōu)點(diǎn)，使系統(tǒng)避免震顫。4 實(shí)現(xiàn)方法在本系統(tǒng)中，采用80C196KB作為核心處理單元，通過鍵盤進(jìn)行速度設(shè)定，將光碼盤送來的速度信號(hào)經(jīng)光電隔離和整型后，進(jìn)行邏輯預(yù)處理，與80C196KB的高速

8、輸入、輸出口HSI和HSO相連，配合軟件實(shí)現(xiàn)M/T法測(cè)速?？刂破鬏敵鰟t利用HSO實(shí)現(xiàn)周期為2.5ms的PWM波，經(jīng)兩級(jí)積分濾波、電壓平移為05V的直流電壓信號(hào)送至變頻器的輸入口。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。                         5 運(yùn)行結(jié)果及分析本系統(tǒng)經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行調(diào)試，通過了機(jī)械工業(yè)部教育司的鑒定。實(shí)現(xiàn)以下主要性能指標(biāo)：調(diào)速靜差為額定轉(zhuǎn)速的

9、千分之一；調(diào)速比為1:20；超調(diào)量2.5%；加入擾動(dòng)后進(jìn)入穩(wěn)定時(shí)間0.5s。 圖4和圖5為速度調(diào)節(jié)器在600 r/min時(shí)采用多種控制策略和PID調(diào)節(jié)的仿真曲線(10s/格)?？梢钥闯稣{(diào)節(jié)的精度和動(dòng)態(tài)性能前者優(yōu)于后者。                                

10、0;                                 圖6為實(shí)際系統(tǒng)開環(huán)下加、減負(fù)載的響應(yīng)曲線。曲線A、B對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速分別為700r/min和900r/min，從圖中看出系統(tǒng)有明顯的速度改變。    圖7為閉環(huán)控制下轉(zhuǎn)速為700r/min時(shí)加、減載

11、響應(yīng)曲線?？梢娍关?fù)載擾動(dòng)能力顯著。                                                

12、                     6 結(jié)束語(yǔ)文章綜合運(yùn)用多種控制策略，不追求精確的數(shù)學(xué)模型，而根據(jù)工程條件建立了一種比較模糊的仿人智能控制，這便于計(jì)算機(jī)作出由粗到精、由快到穩(wěn)轉(zhuǎn)換關(guān)系的判斷，并結(jié)合智能控制和經(jīng)典控制實(shí)現(xiàn)了較好的控制效果。