基于MATLAB／SIMULINK的直流双闭环调速.pdf

2 0 0 6 年 第 2 8卷 第 6期 第 2 9页 电 气 传 动 自动 化 electri c di uve autom atl on vo 1 2 8 。 no 6 2 0 0 6 。 2 8 ( 6 ) ： 2 9 3 3 文章编号： 1 o 0 5 7 2 7 7 ( 2 0 0 6 ) o 6 o o 2 9 0 5 基于 ma t l a b s i mu l i n k的直流双闭环调速 系统的两种负载力矩观测器观测结果的对比 黄丽，沙立民 (1 海人学 机电 【 程： - j 自动化学院， 海 2 0 0 0 7 2 ) 摘要： 介绍了按电机模型 ( 运动方程)推导和用 p i自适应两种方法设计的负载力矩观测器，并用 m a t l a b s i m u l i n k进行仿真和结果对比。 研究了观测器参数与实际参数有误差时对观测器性能的影响。 并比对 了带前 馈补偿的双闭环调速系统中速度调节器采用不同控制规律时的控制效果。 关键词：负载力矩观测器； 前馈补偿； ma t l a b s i mu l i n k 中图分类号： t m 3 5 9 7 文献标识码： a re s u l t s c o mp a r i s o n s o f t wo k i n d s o f l o a d - - t o r q u e o b s e r v e r s f 0 r dc t wo c l o s e d l o o p s p e e d c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n m atlab s i m uli nk 日 e g 。s 工f m ( c o l l e g e o fm e c h a t r o n i c s e n g i n e e r i n g a n d au t o ma t i o n ， s h a n g h a i u n i v e r s i t y ， s h ang h ai 2 0 0 0 7 2 ，c h i n a ) ab s t r a c t ： t wo me t h o d s ， u s i n g mo t o r mo d e l o r mo t i o n e q u a t i o n a n d p i s e l f a d a p t i n g ， t o d e s i g n l o a d t o r q u e o b s e r v e r s a r e p r e s e n t e d ，t h e s y s t e m s i mu l a t i o n mo d e 1 a r e b u i l t w i t h t h e ma t l a b s i mu l i n k s o ft w a r e a n d t h e r e s u l t s a r e o b s e r v e d a n t i a n a l y z e d ho w t h e p a r a me t e r d i ff e r e n c e b e t w e e n t h e o b s e r v e r s a n d t h e r e a l s y s t e ms a f f e c t o i l t h e p e rf o r ma n c e s o f t h e l o a d【 i r q u e o b s e r v e l a r c a l s o s t u d i e d an d t h e r e s u l t s a r e c o mp a r e d u n d e r d i 舳 r e n t r u l e s o f s p e e d r e g u l a t o r i n t h e( 1 o u h l e 一 ( l ( ) s e l 一 l 0 o p s p e e d r e g u l a t i o n s y s t e ms wi t h f o r w a r d f e e d c o mp e n s a t i o n b l o c k ke y wo r d s ：l o a d t o r q u e o b s e l v e r ；t b r wa r d f e e d c o mp e n s a t i o n ：ma t l a b s i mu l i n k l 概述 采用转速电流双闭环控制的直流调速系统具 有良好的起制动性能，宜于在大范 内半滑调速， 因而住许多需要 测速或快速 反转的电力拖 动领 域中得到了， 泛的应用。 但是勾了满址迕轧机较高 的抗干扰指标要求， 需蛰利用复合控制原理， 引入 前馈控制， 以减 动态速降。 缩短恢复时间， 改善动 态性能以满足系统性能要求 采用前馈控制来改善 系统动态特性的前提条件是系统负载力矩的可观 测性， 这就涉及到负载力矩观测器的设计。一般来 说 ，设计负载力矩观测器主要有按运动方程推算 、 状态观测器没计及 p i 自 适应 3 种方法。其中状态 观测器设计方法如果只考虑转速变化 ， 则得 的结 果和用运动方程推导结果是一 致的。因此， 本文主 要研究按 电机模型推算和 p l自适应两种方法设计 负载力矩观测器，采用 m a tl a b s i m u li n k 进行丁仿 真， 对比其观测结果以及分析参数变化对两种负载 力矩观测器的影响? 并进一步研究 j 分别带有两种 不 l 司观测 器 的l 羽环调 速 系统 中 ，转 速调 节 器 采用 不同控制规律时对速度调节的作用。 2 观测器构成原理 2 1按电机模型即根据运动方程推算构成的力矩 负载观测器 由感应电势方程e = c o * n 电磁转矩方程 = * 并定义 ： c * 和电机运动方程 一 死= d e ( 1 ) 即可得c m ( ) = a_ d l ( 2 ) 令 = ， 对上式取拉氏变换 得死= 一 - ( 3 ) 11 11 = 一 t m 。 s b , ( 4 ) 涵常转 速 和 电 流柃洲 信 号均有 滤波 环节 ， 假定 维普资讯 3 o 电气传 动 自动化 2 0 0 6年 第 6 期 滤波常数同为 ， 其中 为观测器理想电机转速； 为负载力矩 即 。 一 。 。 ( 5 ) 观测值； k 刖为自适应规律中比例放大倍数； 为 整理可得 自适应规律中积分时间常数。 = _ ( + ， ) 一 ( 其中 7 = )( 6 ) 7 o s+ i to to c 为额定磁通下的电动势系数； c m 为额定磁 通下的转矩系数； 为机电时间常数： 为电磁转 矩； 为负载转矩； i 为电枢电流； 7 b 为滤波时间常 数； n 为电机转速； e为电动机反电动势； 为与负 载转矩 7 对应的负载电流，构成如图 l 所示结构 的负载力矩( 电流) 观测器。 tr a n s f e r f c n1 图 1按电机模型推导的负载力矩观测器结构图 2 2 用 p l 自适应方法构成的负载观测器原理 如图 2 所示为用 p i 自适应方法构成的负载转 矩观测器原理。 罔 2用 p i 自适应方法构成的负载转矩观测器原理图 由原理图知 ， 1 1 2 1 b 2 ； j也 m 1 _ n 1 _1 厂 _ _ 2 、 k r ： 2 、 ， = v 1 2 1 这是一个二阶系统，其中 为阻尼比， 为观 测器等效时间常数。 当扰动力矩电流作用于实际电机轴上， 引起电 机转速下降，则 一 n 出现偏差， p l 调节器对此偏差 起作用， 使五 跟随 变化。经 p l 调节器的积分环节 的输出即为扰动负载仿真观测量 将此观测量前馈 至电流给定环节， 平衡负载扰动转矩， 使电机转速 回升。 同时， 对象模型的转速 也在动态转矩的作用 下回升， 直到回到扰动前的状态。 3 设计举例及馆果对比 某晶闸管供电的双闭环直流调速系统， 整流装 。 置采用三相桥式电路， 下面给出基本数据。 直 流 电 动 机 ： 2 2 0 v， 1 3 6 a， 1 4 6 0 r rai n ， c e= 0 1 3 2 v-k m in r ， 允许过载倍数 h = 1 5 ； 晶闸管装置放大系数 ： k s = 4 0 ；电枢回路总电 阻 ： r = 0 5 ； 时间常数 ： = 0 0 3 s ， t = 0 1 8 s ； 电流反馈系数口 = 0 0 5 v a ( 1 0 v 1 5 i n ) ； 转速 反馈系数 c x = 0 0 0 7 v-k m i n r ( 1 0 v n n) 。 3 1负载转矩( 电流 ) 的观测 根据调节器的工程设计方法 ， 依据要求计算出 直流调速系统中各参数，系统在 0秒时带 6 8 a负 载电流启动，到达 2 秒时再叠加一个 6 8 a的负载 电流信号。得到如图3 、 4 所示的仿真模型。 图 3用运动方程推算方法建立的仿真模型 维普资讯 2 0 0 6年 第 6 期 黄丽 沙立民 基于m a t l a b s i m u l i n k的直流双闭环调速系统的两种负载力矩观测器观测结果的对比 3 1 图 4用 p i自适应的方法建立的仿真模型 此仿真中， 7 -0 = 2 m s 此仿真中， 观测器等效时间常数 为2 m s 仿真所加负载电流信号与两种负载观测器的 观测结果如图 5所示。 ( a )实际负载电流波形 ( b ) 动态模型推算方法观测的负载电流 r =0 0 02 ( c ) p i 自 适应方法观测的负载电流观测器 等效时间常数为2 m s 图 5实际负载电流波形及两种观测器观测的波形 从观测波形上看， 两种方法观测电流的上升时 间均为 1 0 m s ， 恢复时间均为 2 1 0 m s 。观测的稳态 值与实际负载电流值相同。仿真研究表明， 在这两 种方法中，滤波时间常数 r 。 和观测器等效时间常 数 相同， 且比机电时间常数 约小两个数量级 时， 它们的负载电流观测性能基本相同。 3 2 观测器参数对观测结果的影响 从观测模型的推导和原理图中可知， 电机的机 电时间常数 对两种观测器的性能均有影响。此 外， 滤波时间常数 r 0 会影响用动态方程推算方法建 立的观测器的性能， 观测器等效时间常数也会影响 到用 p i 自适应方法建立的观测器的负载检测性能。 3 2 1机 电时间常数对观测性能的影响 在这两种观测器部分， 都涉及到了电机的机电 时间常数。 但是此参数的取值并不一定完全和实际 ( a ) 动态方程推算方法的观测波形 ( b )p i自适应方法 的观测波形 图 6观测器中的机电时间常数与实际值 有误差时的负载电流观测波形 维普资讯 3 2 电气 传动 自动化 2 0 0 6年 第 6期 值相同。当时间常数 取值是实际值的9 0 时的 ：负载电流观测结果如图6 所示。 从图 6可 以看出 ，在电机调速的动态过程 中， 观测器不能正确反映负载电流变化。由式( 3 ) 可以 解释其原因： 在电机起动过程中， 由于模型电机中 的 和实际值不相同， 在转速的变化率较大时， 造 成了负载电流观测值偏大。而在突加负载过程中， 由于转速变化率较小， 所以观测到的负载电流比较 准确。而当系统达到稳态后， 由于转速的微分项为 0 ， 此时， 即使 不准确， 也不会再影响观测结果准 确性。也就是说， 机电时间常数取值的误差不会影 响稳态时的负载电流观测值， 但是在动态过程中会 引入观测误差。 3 2 2 滤波时间常数和观测器等效时间常数对观 测性能的影响 如图7 所示为滤波时间常数和观测器等效时 间常数变化时的负载电流观测波形。从观测波形 可以看出，滤波时间常数 或观测器的等效时间 常数 越大， 越有利于抑制尖峰， 但是响应也会相 应变慢。当 和 相同， 且和机电时间常数 相 当时， 响应过慢， 且自适应方法明显慢于推导法。 r 0 = o 0 4 7 “ 0 = 0 1 8 = 4 0 ms =1 8 0 ms 图 7滤波时间常数和观测器等效时间常数 变化时的负载电流观测波形 3 3利用两种负载力矩观测器的前馈控制中调节 器对结果的影响 ( 1 ) 前馈环节的构成 如图 8 所示为带前馈补偿的直流双闭环调速 系统动态结构图。 为转速环的给定电压； o r 为转 速反馈系数； w a 册 ( s ) 为转速调节器的传递函数； ( s ) 为电流内环闭环等效传递函数； ( s ) 为电机的 等效传递函数； g ( s ) 为前馈环节。 图8带前馈补偿的直流双闭环调速系统动态结构图 若要引入前馈后的系统和原系统等效， 则要求 g ( s ) _ 。由于 w c ( s ) 可以等效为一个小时间 常数的惯性环节 ， 即 r e ( s ) ( 卢为电流 反馈系数； 1 k ， 为电流环等效时间常数) ， 所以实际 应用中构成 g ( ) 的形式为 g ( ) 。 其 01 8十 l 中 是小时间常数的惯性环节。这里 o t 取 十 l 0 0 5 。若o l 取值太小， 系统会发生振荡。 p 调 节 器 p i 调 节 器 p 调 节 器 p l 调 节 器 p i自适应方法 图9转速调节器采用不同调节规律的两种负载 力矩观测器系统转速波形 维普资讯 2 0 0 6年 第6期 黄丽。 沙立民 基于m a t l a b s i m u l i n k的直流双闭环调速系统的两种负载力矩观测器观测结果的对比 3 3 ( 2 ) 采用不同调节器的转速对比 带不同负载力矩观测器的直流调速系统， 转速 调节器分别采用 p 和 p i 控制规律的转速如图9 所 示 ： 从仿真结果 中可以看 出，转速调 节器采用 p 调节器，卜 升时间和恢复时问以及动态速均与采 用 p i 调节器无大差异， 但前者的超凋量却小彳 f=! 多， 在放大倍数适当的情况下， 可以实现无超凋， 且在 前馈基本上补偿 电流扰动的情况下 ，不会造成系 统稳态静差 。 4 结论 从仿真结果看出， 两种方法设计的观测器都可 正确观测m负载力矩( 电流) ， 且当动态方程推算方 法模型中的滤波时间常数和 p i自适应方法 的观测 器等效时间常数相等且和机电时间常数相比较小 ( 约小一至二个数量级) 时， 两种观测器的观测性能 基本相同。 机电时间常数误差不会影响稳态时的负 载电流观测值，但在动态过程中会产生观测误差。 带前馈的双闭环调速系统的设计中， 转速调节器并 非 p i 调节器不可， 若采用 p 调节器， 系统的其它指 标不会有太大变化， 但可以使超调状况显著改善。 参考文献 ： l 1 陈伯时 电力拖动 自动控制系统l mj 北京： 机械工业 f 版社， 2 0 0 3 2 陈伯时、 自动控制系统 m 北京： 机械工业出版社， 1 9 8 1 3 薛定宇 系统仿真技术与应用 m 北京： 清华大学出版 礼 2 0 0 2 4 薛定宇 反馈控制系统设计与分析 m 北京： 清华大学出 版礼 ， 2 0 0 0 5 1 兆安， 黄 俊 电力电子技术 m 北京 ： 机械工业出版 社 ， 2 0 0 4 6 千保罗 热轧机带观测器直流调速系统 j 电气 自动化， l 98 3 7 张i c 铭 电力拖动直流凋速系统 m 华中理工大学出版 _i 斗 1 9 9 5 8 j 莫正康 晶闸管变流技术 m 北京： 机械工业出版社 ， l 98 5 9 张忐涌， 徐 彦 ma t l a b教程 m 航空航天大学出版 神 ， 2 0 0 1 1 0 欧阳黎明 m a t l a b控制系统设计f m 国防工业出版 神 ， 2 0 0 1 作者简介： 黄丽 ( 1 9 7 7 一 ) ， 女 ， 上海大学机电 工程与 自动化 学院 0 4 级硕 士研 究 生 。 沙立民 ( 1 9 5 5 一) ， 上海大学机电工 程与 自动化学院硕士生导师，副教 授 。 收稿 日期 ： 2