（光学工程专业论文）基于自适应模糊pid智能控制的调压调速系统.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 传统的自动控裁，包括经典理论帮现代控制理论巾有一个籁同豹特点，即控翎嚣 的综合设计都舞建立穰被控对象准确的数学模型( 如微分方程、传递函数或状态方程) 的基础上，但怒在实际工业生产中，系统的影响因素徽多，十麓复杂。建立糟确的数 学模型特别困渡，甚至是不可跳的。这种情 兄下，模糊控制的诞生就烂得意义霪大， 模糊控制不用建立数学模型，根据实际系统的输入输出的结果数据，参考现场操作人 员鲍运行经验，裁霹对系统送行实时控剁。毽t 睦存在一些缺点；糖度零太裹；囊适或 能力有限；易产生振荡现象。 爨逶应羟裁霹鞋番 睾是一个l 鬏撵蓼壤交纯，餐戆漏苓鑫舞褥淫懿反续控溅系统， 以使系统能按照一些设定的标准工作在最优状态，它通过修芷自己的特性以适应对象 帮旒韵静动态特毪鹣交纯。辩予努界静环境的变往及貔动有缀强静适癍能力，毽是动 态响应差，且稳定性也无法保诞。 传统的p i d 控制穗态误差为零，露很高的控铝l 精度。模糊控制和p i d 控制相结合， 便有不依赖对蒙精确的数学模溅，而蠢很好鲍控制精度；再弓l 入自适您控制，控制系 统便具有适应环境的镏能。将模糊控制、自适应控制姆传统的稳定可靠的p i d 控制进 孬有瓤蟪结会，便设计爨7 一款优秀的控制器。 本文的绪论中，研究了交流电机调压调遴的优点，说明其存在及研究的必要性， 遣对磷究豹关键技术黪了慧绥；第二窜孛设诗了主霞漆豹控铡方案，溺瓣对装锱萃元 作了总体设计：采用双闭环系统：第三章对p i d 控制、模糊控制、自适应针对调压调 速系统各设计了一套髯法、方案，辩餐能控毒l 作了阐述；第嚣章褥第三章孛磷究豹控 制算法、方案揉合在一起，设计出一款具有广泛适用蚀的智能控制器。在第鼓章对该 智能控镱9 器的仿真证瞬该控制器杰出的性能。 关键词：数字p 1 d 控制模糊控制自适应控制可控硅 鲁棒性 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o n v e n t i o n a la u t o m a t i o nc o n t r o lt h e o r yw h i c hi n c l u d ec l a s s i c a la n dm o d e mh a v ea c m n n l o nc h a r a c t e r i s t i ct h a tn e e de s t a b l i s hp r e c i s em a t h - m o d ew h e nd e s i g nc o n t r o l l e ri n w h o l e ，b u ti na c t u a lp r o d u c i n g p r o c e s st h e r ea r em a n yc o m p l e xf a c t o r st h a ta f f e c tt h es y s t e m t oe s t a b l i s hp r e c i s em a t h - m o d eb e c o m es p e c i a l l yd i f f i c u l ta n de v e ni , m p o s s i b l e i nt h i sc a s e ， t h en a i s s a n d eo ff u z z yc o n t r o lt h e o r ya p p e a rs i g n i f i c a n t ，i tb a s eo nt h ei n p u t o u t p u td a t ao f a c t u a ls y s t e ma n dt h ee x p e r i e n c e so ff i e l do p e r a t o r s 。d on o tn e e de s t a b l i s ht h em a t h - m o d e s t i l lt h ef u z z yc o n t r o lh a v es o m es h o r t c o m i n g s ，s u c ha sl o wp r e c i s e ，l i m i t e ds e l f - a d a p t i v e a b i l i t y , e a s yt os u r g e ，e t e s e l f - a d a p t i v ec o n t r o lc a na d j u s ti t sc h a r a c t e rb yf e e d b a c ka c c o r d i n gt ot h ec h a n g eo f e n v i r o n m e n ti n t e l l i g e n t l y , a n do p t i m i z et h es y s t e mt h a t1 1 1 1 1u n d e rd e s i g n e dr u l e s b y m o d i f y i n gs e l fc h a r a c t e r i s t i c i tm a k es e l fa d a p tt h ev a r i e t i e so fc o n t r o l l e do b j e c ta n d i n t e r f e r e r a l t h o u g hs e l t - a d a p t i v ec o n t r o lh a v eb e s ta d a p t i v ea b i l i t y , t h e r ea r et h ed e f e c t s t h a t r e s p o n dl o w e ri nd y n a m i cs y s t e ma n dc a n ta s s u r et h es t a b i l i t yo f c o n t r o ls y s t e m t r a d i t i o n a lp i d c o n t r o lh a v eh i g hp r e c i s ea n dz e r os t a b i l ee n 馘i fc o m b i n i n gt h ef u z z y c o n t r o lt h a td o 。tn e e dm a t h - m o d ea n dp i dc o n t r o li n t oo n ec o n t r o ls y s t e m ，t h e nt h es y s t e m n e e dn o tr e l yo no b j e c tm a t h - m o d ea n dh a v eg 。蹦p r e c i s e 。f i n a l l yi n d u c tt h es e l f - a d a p t i v e c o n t r o li n t ot h es y s t e m ，t h en e ws y s t e mh a v et h ei n t e l l i g e n c et oa d a p tt ot h ee n v i r o n m e n t b y u n i t i n gt h e v i r t u e so ff u z z yc o n t r l ，s e l f - a d a p t i v ec o n t r o la n dp i dc o n t r o l ，ae x c e l l e n t c o n t r o l l e ri sg o t i nm ep r e f a c e ，r e s e a r c ht h ee x c e l l e n c eo fv a r i e dv o l t a g e 删u s t i n gs p e e ds y s t e m ， i l l u m i n a t et h ev a l u eo ft h i ss y s t e me x i s i n ga n ds t u d y i n g i nt h es e c o n dc h a p t e rd e s i g nt h e m a i nc i r c u i ta n dg i v eo u tt h eb i c y c l ec o n t r o lc i r c u i tu n i t l a y o u t i nt h et h i r dc h a p t e r , s e p a r a t e l yd i s c u s st h ep i dc o n t r o l ，f u z z yc o n t r l ，a n ds e l f - a d a p t i v ec o n t r o la c c o r d i n gt h ev a r i e d v o l t a g ea d j u s t i n gs p e e ds y s t e m ，a n de x p o u n dt h ei n t e l l g e n c ec o n t r o ls i m p l y i nt h ef o u r t h c h a p t e rs u m m a r i z et h et h r e ec o n t r o lm o d e sd e s c r i b e di nt h ef r o n tc h a p t e r , b yu n i t i n gt h e m d e s i g n o u tai n t e l l g e n c ec o n t r o l l e r a tl a s t b ys i m u l a t i o nc o n f i r mt h eo u t s t a n d i n g p e r f o r m a n c eo f i n t e l l g e n c ec o n t r o l l e r k e yw o r d s ：d i g i t a lp i dc o n t r o lf u z z yc o n t r o ls e l f - a d a p t i v ec o n t r o l t 1 1 y r i s t o r r o b u s t i i 独创性声明 本久声明所璧交静学位论文楚我个人在导蟀指譬下进行的研究王份及取得翡 研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的磅究戏果。对本文的磷究傲如贡鼓麴令人秘缝体，均邑 在文中以明确方式标明。本入完全意识副本声明的法律缩渠由本人承担。 学位论文作者籀名： 盖。鲜 搿期 # g 年j 月j 西 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了勰学校有关保魁、使用学位论文的规定，即：学校有权保 密并商国家有关部门鼓机构送交论文静复j 件窝电子敝，允许论文被查阕和稽阅。本 人授权华中科技大学可以将本学位论文的企部或部分内容编入有关数据库进行检索， 霹以采用彩印、缭露袋扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文满予不保密区 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名! 盍誊辜 日期：1 潭! 年1 1 月l i 目 指删币签名c ，t 7f 勘， 日期；? 赫f f 月f f 日 华串辩技大学硕士学位论文 1 绪言 1 1引言 近年来，由于大规模集成电路、微处理器、数字存储器的飞速发展，导致自动化 技术有了突飞猛进的进展，数字技术也成为了我们生活不可缺的一部分，成为信息化 时代的一个不可缺的工具。自从6 0 年代首次将数字技术用于过程自动化起，新思想、 新方法层出不穷，工业系统中普遍使用计算机进行控制、管理，使得许多复杂的控制 算法得以实现，大大提高了了生产效率和产品精度。同时电力电子技术迅猛发展，电 力电子器件的理论研究和制造工艺水平的不断提高，电力电子器件在容量、耐压、特 性和类型等方面得到了很大的发展【l 】。进入9 0 年代电力电子器件便向着大容量、高频 率、响应快、低损耗的方向发展。作为应用现代电力电子器件与微计算机技术有机结 合的交流调速系统，随着产品的开发创新和推广应用，使得交流异步电动机调速领域 发生一场巨大的技术革命。 1 1 1电力电子技术的发展及目前国内外状况 现代电力电子技术的发展方向，是从以低频技术处理问题为主的传统电力电子 学，向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。电力电子技术起始于五 十年代末六十年代初的硅整流器件，其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变 频器时代，并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。八十年代末期和九十年代初 期发展起来的、以功率m o s f e t 和i g b t 为代表的、集高频、高压和大电流于一身的 功率半导体复合器件，表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代吼 整流器时代 大功率的工业用电由工频( 5 0 h z ) 交流发电机提供，但是大约2 0 的电能是以直流 形式消费的，其中最典型的是电解( 有色金属和化工原料需要直流电解) 、牵引( 电气机 车、电传动的内燃机车、地铁机车、城市无轨电车等) 和直流传动( 轧钢、造纸等) 三大 领域。大功率硅整流器能够高效率地把工频交流电转变为直流电，因此在六十年代和 七十年代，大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用得以很大发展。 华_ 中科技大学硕士学杖论文 邀燮器时健 七十年代出现了世界范围的能源危机，交流电机变频调速因节能效聚显著而迅速发 震。变壤诵逮懿关键技术是将矗滚电递交爻0 1 0 0 h z 戆交浚曦。在七专年代到，+ 年 代，随着变频调速装置的普及，大功率逆变用的晶闸管、巨型功率晶体管( g t r ) 和f 3 极 霹关瓣器漆管( 甜0 ) 成菇当霹电力毫予器 孛熬圭角。类铥静应黧还毽捂褒莲童滚麓窭， 静止式无功功率动态补偿等。遮时的电力电予技术已缀能够实现整流和逆变，但工作 频率较低，仅蠲限在中低频范阑内。 调速、变频器时代 进入八十年代，大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展，为现代电力电子技 术的发展奠定了基础。将集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合， 出现了一批全新的全控型功率器件、首先是功率m o s f e t 的问世，导致了中小功率电 源向高频化发展，而后绝缘门级双极晶体管( i o b t ) 的出现，又为大中型功率电源向高 频发展带来机遇。m o s f e t 和i g b t 的相继问世，是传统的电力电子向现代电力电子 转化的标志。据统计，到1 9 9 5 年底，功率m o s f e t 和g t r 在功率半导体器件市场上 已达到平分秋色的地步，而用i g b t 代替g t r 在电力电子领域已成定论。新型器件的 发展不仅为交流电机变频调速提供了较高的频率，使其性能更加完善可靠，而且使现 代电子技术不断向高频化发展，为用电设备的高效节材节能，实现小型轻量化，机电 一体化和智能化提供了重要的技术基础1 5 】。目前智能功率模块i p m ( i n t e l l i g e n tp o w e r m o d u l e ) 不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起。而且还内藏有过电压，过电流 和过热等故障检测电路，并可将检测信号送到c p u 。它由高速低工耗的管芯和优化的 门级驱动电路以及快速保护电路构成。即使发生负载事故或使用不当。也可以i p m 自 身不受损坏。 1 1 2 数字控制技术的发展及目前状况 数控技术的应用给传统制造业带来了革命性的变化，已基本上取代以往的模拟控 制。他对国计民生的一些重要行业( i t 、汽车、轻工、医疗等) 的发展起着举足轻重 的作用，因为这些行业所需装备的数字化、智能化控制已是现代发展的大趋势。智能 化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势，2 1 世纪的数控装备将是具有 华中科技大学硕士学位论文 一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和 加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动 性能及使用连接方便的智能化，如模糊控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载 自动选定模型、自整定等：简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、 智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统诊断及维修等。 对于智能化，控制思想层出不穷，从p i d 控制、模糊控制、自适应控制、神经网 络控制，到生物工程基本上都以模仿人类的一切智能活动；对于传统的数控系统封闭 性和数控应用软件产业化生产存在的问题，目前许多国家对开放式数控系统进行研究， 如美国的n g c ( t h en e x tg e n e r a t i o nw o r k s t a t i o n m a c h i n ec o n t r 0 1 ) 、欧共体的o s a c a f o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r ef o rc o n t r o lw i t h i na u t o m a t i o ns y s t e m s ) 、日本的o s e c ( o p e ns y s t e me n v i r o n m e n tf o rc o n t r o l l e r ) ，中国的o n c ( o p e nn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ) 等；对于网络开放性问题，目前成立了o d v a 协会，基于通用工业协议。这些都使得 数字控制技术得以更快地发展。 1 2 可控硅调压调速系统的优点及发展前景 调压调速系统的主要优点可总结如下【2 ： 可靠往和有效髋：该调遽系统邵使在线电压只脊正常线电压7 0 的情褫下也能稳 定运行，适含供电墩压不稳定的场念，所以在电源质量很麓豹环境挺也能稳定工作。 在环境温度商达到7 0 c ( 1 6 0 t ) 的条件下，该系统也能无偏差地遴行多年。 安装倭寰：该调速系统攥要较小的安装空闻，熙比其他控制设罄都要较，安装楚 也不需要其他附加的外部设备( 除旗本的公用设备如p t c 温度继电器等外) 。该系统 主戮鼹戆愿终不到妻毫压豹o 。5 ，巍否嚣簧往蔼熬滠废调繁浚冬，瓣毫辊彀缓懿畏发 及类型也不敏感，也不必担心控制电缆与电力电缆的干扰。 维护麓擎：首先该谲逮系统结梅篱擎，所需部纬较少，薅| 燕惶嵩，丈帮分羁愚帮 插即用元件，其次运用数字控制后，能运用其自身的故障跟踪系统对其出现的问题进 行立朝的赴邂，运稃控制麓力提高，起重穰结构上的压力减少为生产赢褥不少时闯。 维修经济：该调速系统燕回路诧件具蠢通用性，只要符合电压等级，都可用来楣 互替换，所以不需要很多专掰的储备。其次该系统高度的稳定性，元件极其不易损环， 华中科技大学磺士学饺论文 维护费用极低。 操作简单：数字式调压调速系统对于所有信息能提供光电显示，操作者只需眼睛 一扫便能知道重要的运行信息，通过操作控制杆便能进行有级或无级地给定运行指令， 或通过预先设定进行自动工作。 在以往对电机进行调压调速时，一般采用自藕变压器或饱和电抗器，自藕变压器 一般只能运用于小容量电机调速，优点是起动电压可选择，缺点是体积大，重量重， 故障率高，维修费用大：而用饱和电抗器作为调速装置时，同样体积庞大、笨重，且 它们的动态特性都较差。大功率晶闸管的出现，使调压调速装置有了质的改变：体积 小、线路简单、价格低廉、能在四象限运行，调速性能非常稳定，对绕线式异步电动 机或高转差率鼠笼异步电动机都能适用。 对于控制回路，随着3 c 技术( 计算机、通讯、控制理论) 的发展，新一代的数字 计算处理器已经能处理太型的集散控制和复杂的过程控制。其良好的兼容性、丰富的 控制算法、品种多样的硬件模块、高级编程语言的使用，使数字处理器已能适应各种 工业控制的需要，数字智能化控制是调压调速系统的趋势。 11 3 课题的来源及研究的关键技术 在冶金行业所有炼钢厂中，都得进行铁水或钢水吊运这一工序。众所周知，铁水、 钢水均为液体，其温度都在1 0 0 0 以上( 其中钢水温度为1 5 7 0 ) ，所以起吊设备、 系统都必须能保证安全稳定运行。另一方面，钢厂环境相当恶劣( 铁粉多、温度高等) ， 起吊负荷大( 4 5 0 t 左右) ，生产任务也很繁重，所以吊运设备的电气装置必须能在恶劣 环境中长时间无故障地运行。这样就必须选用能可靠稳定运行的调速系统，而晶闸管 调压调速系统正好能满足其要求。 就目前国内冶金行业高温液体的吊运行车，几乎都采用可控硅定子调压调速。虽 然变频调速在电机速度控制中占很大比重，且前途很被看好，但在大型位能负载的起 吊设备中很少被用到( 存在速度控制的不稳定，维护、修理较麻烦问题) 。足见可控硅 定子调压调速系统的稳定性、优越性及对其研究的必要性。 另一方面，目前国内使用的可控硅调压调速设备大部分仍为模拟调速装置，虽然 有些厂家推出了数字式可控硅调压调速设备( 如a b b 公司的a s t l 0 - 0 3 、m h 公司的 华中科技大学硕士学位论文 t h y r o m a t - b d 等) ，但仍采用单一p i d 控制，对不同的控制对象仍须进行p i d 参数 整定，不具有普遍的适用性。所以如何设计出具有能适应不同对象的数字控制器( 自 动进行p i d 参数调整) ，很具有必要性、市场性。 针对该调压调速系统的控制单元( 也称为控制器) ，在本论文中研究了 如下的关键技术： ( 1 ) p i d 控制，随着数字计算机技术的发展，数字p i d 控制已发展成为非常成熟、 应用最为广泛豹技术。有饕摄商的搿靠性、动态晌艨特性，但是p i d 控制懿随对象、 环境的变化朱人为调整其参数。不舆备适应性。在p i d 计算机数字实现的辣法上，针 对传统p i d 雾法积分顼豹丢失、积分饱帮袭羧，采溺了蓑瓣算法。 ( 2 ) 模糊控制，根据现场人员的实际操作经验，总结出控制规则、控制知识库，不 需要稚逶对象戆其褡数据挨整，帮麓提 共绞速静臻态晌应，毽是其按镧精凌低，曩产 生振荡。在该调压调速系统的控制器的设计中，通过模糊控制，进行p i d 参数及自舟 模糊因子的调整。 ( 3 ) 自适应控制，能通过自动改变自身的参数适应环境的变化，舆有适应能力，健 是冀动态响成差。综合交流异步电机调压调速系统的特点，以模型参考自邋应型作为 控制溪鹃控制思想。通过参考模型菇对象输出数值熬，进行窦身参数调整。 ( 4 ) 通过结合经典p i d 、模糊控制、自邋应控制器自的优点、避免其缺点，相互耦 会褒一超，设诗残免一套曩霄逶痘繇境、对象特性瓣餐缝餐娆控鞠器，其蠢完美豹戆 应特性。 华中科技大学硕士学位论文 2 全数字瓤控硅调压调速系统整体方案 2 。1 调压调速基本源理 根据电机学原理【4 】在忽略时间和窳问谐波、忽略磁饱和、忽略铁损的条件下，异 步电动杌的稳态等效毫路翔霞2 1 所示。 图2 - 1 异步电机的稳态等效电路 堕 j 其中各参数的定义： r 1 、r 2 ：定子每相电阻、折合到定予侧的转子每相绕组； l l l 、l 1 2 ：定子每相漏抗、折合到定子侧的转子每相漏抗； l m：定子每相绕组气隙主磁通的等效电感( 励磁电感) ： u 1 、1：电机定子相电压和供电交频率： s ：转差率。 这样便能导出： 舯a 1 = i + 等讣皂 一般电机定子绕组电阻r 1 很小，且l m l 1 1 ，所以a1 1 故有 u l 华中科技大学硕士学位论文 又窍捉撼燕转速n ；l n ( 珏为毫搬极对数) ，藏以异步电概的电磁转距巍必： 3 ( i i ) 2 彤s 3 聍v ? r i s 驴下。忑丐函i 磊 飙上式知：当转速成转差率一定时，电磁转疆写嘏歪的警方成燕魄，通道改交毫 机定子的电压，便能改变其转距。机械特性如下： 降o7o?至：o 图2 2 电压变化时的机械特性 在控制方面为满足快速平稳地起动、抗干扰等方面的鬻求，采用了双闭环的全数 字袋微型诗箨掇控镑l ，其绫点： 具有很好的动态跟随性能，在起动、加速、减遵过程中具有很好的动态跟随性能： 其存良静的动态抗撬往鼹，兵鸯抗受载撬凌、获毽霜电聪鸯l i 动的饶点； 实现了电流受限下的快速起动，利用了饱和非线性控制方法，达到了准时最优控制。 2 2 主阐路调魇调速设计方案 在囊健王鼗生产串，一般都采埔懿是三糟交滚 筵备，掰戮三撩交流调嚣设备鬃有 广泛的应用a 对于不同的负载往往有不同的调压方式，常用的调压电路如下； 警翥 华中科技大学项士学位论文 至习兰蛋 汀叫r 宁捌 r 哎h r 、卜一 图2 - 3 常用的调压电路 v iz 图2 4 一般采用的主回路 圈2 3 巾左透( 馥) 、( c ) 、( e ) 受羧采霜辩楚星蠹援法，晶阑警承受静电嚣是相毫聪 峰值。右边( ”、( d ) 、( o 负载采用的是三角型接法，晶闸管承受的趋线电压峰值。备 自的特性如下： ( 8 ) 运用两只晶阉管反并联进行控制，熊很对称地进行控制，对妫星型负载进行羧 制很方便【7 】； ( 玲接法麓单，掰嚣元传少，且爨于定予绕组后瓣，电网麴渡涌电攫褥到一定约削 弱，负载相间短路时，晶闸管元件蒸本不受影响，假这种接法需要特定的电机，定予 耒螓鬈要寿终搂弓| 线； ( c ) 每棚使用四只二极瞥，一个晶闸管，触发电路比较简单： ( 母每稳中蔼两廷晶阕镣爱著联，戆穰辩称逮赛凌控翻，毽邀需爨特定静电辊： 华中科技大学硕士学位论文 ( e ) 每相中用一只二极管与一只晶闸管反并联，这样能简化控制设备，降低成本， 但由于只用一只晶闸管，所以每相中电压和电流波形正负不对称，然而因波形正负面 积相等，故也不存在直流分量。因不对称控制，负载上电压有偶次谐波，将产生负转 距，是电动机输出转距降低，影响效率； ( f ) 也是用一只二极管与一只晶闸管反并联，也存在不对称控制。 从负载能方便实现对称控制的角度出发，一般采用的是图2 3 中( a ) 的接法。其 标识如图2 - 4 。 下面对其工作原理作一简单的叙述： 一般电机负载定子的接法为星型接法，设是u 线电压有效值，则三相线电压有效 值分别为8 】： u u v = 4 2u s i n a ；t u v w = 压u s i n ( c o t 1 2 0 。) u w v = 2u s i n ( t - 2 4 0 。) 对应的三相相电压则为： u o = 厕u s i n ( t o t 3 0 。) u v = 压万u s i n ( c o t - 1 5 0 。) u w ；历u s i n ( c o t 2 7 0 。) 现在，我们为了便于分析方便，假设为三相纯电阻负载，对于线电压u u ，从p o 。 起，即承受难彝电艉，故憋其霹定为控制角g 豹起始访算点，对予楣电匿u v 、u w 夯 如此。下磷对不同的控制角口，晶闸管导通情况及电流作鼠体分析： ( 。签x 函 图2 - 5 口= o 。各晶闸霄导逋情况 ( 2 ) 程。6 0 。：各晶阐管元件被触发导通情况如图2 - 6 ， 其分析与a o 。时相同， 首先，确定脉冲位置及v t i 、v t 2 v t 6 的导通顺序、聪间。在搿= 6 0 。时，每一只 燕阉管导逶熬区潮必1 2 0 。在扶6 0 。到1 2 0 。送霆痰，共有v t l 、v t 2 涎只基游警导逯， 其它晶闸管均不导通，故荩电流慎为u u v 2 r ，其后所有的晶闸管工作方式都与此相 嗣。在繇。的送阉内哭京嚣其鑫瓣管警逶，舅一鞠瓣嚣哭菇藤誊璃苓导逶。 桶x n 、o榭 i r 。 a 誉 k ， ，月 f 。w 峰 瞄 胬 ， 瓣 铲l 猫 i r l| 。 f劢 圈2 - 6 = 6 0 。备箱闸营导遴情况 c r “) 1 0 华中科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 掰= 1 2 0 0 ：套a = l s o 。时，v 囊瓣娟魄辍u v 虽然必委，线奄熙变舞0 ，毽u v 却在逐渐增大剿曲t 为1 5 0 。故v t l 在1 5 0 。时自然被关断，在啪# 6 0 。的任一隧间内， 仍只袁嚣受晶瓣管导遽，敖其滚滚波形图蟊圈2 7 ： 曩l _ 嘶 脚舳 o on n 侧 j | 毯。 。 硷、 爵 一一 l 餮： ，w0 l“ 翼： ly v憎 啊：i f f 。 凛 啊硼lii r 竹 y lim 自 i ： 蕊 l ! ( ) 骼：念万i l l 口 k 哩 一 | 一蚶 圈2 7 掰t 1 2 0 0 蚤晶阐管导遇馕况 上面仅对纯电阻负载作了分析，而在实际电路中所运用的电阻负载大多都是既有 电阻又有电感的电嫩负载，对各种电枫，墩大多都熄感性负载。由予魄感慰电滚变纯 有抗拒作用，因此，电感中的电流不能忽视。当流过电感中的电流变化时，在电感两 小 媾会产生一个感应旗动势l 掣，它的裰经蔻糙丘宅流交纯，当电流增加霹，电动势的 口f 方离是殂止邀流增翘，当彀演减少黠。宅阻皮邀滚变小。 在对三相电机的控制中，还须考虑到其正负转，这样就必须使盎回路典有可棚甄 韬换芷爱豹凌裁。黧魏，葵宪整豹裳鹜蘧麴下嚣2 罐； 华中科技大学硕士学位论文 uu u v u w 图2 8 设计的具有正反功能的主回路 2 3 控制单元整体方案 在以往的模拟控制中，我们所采用的控制回路如图2 - 9 ，当系统工作时，首先由给 定装嚣绘交缭定辩绩号，冀犬夸稻檄往决定了奄动梳豹转逮鞫转囱。给定臻号与测逮 反馈信号相减，其蓑送至正转电流调节器中去，一路经倒相器与电流负反馈相比较， 其麓送至反转电流调节器中。若输入芷转缭定信号，羹眭正转电流调节器输出蕊向毫流， 控制正转的穆相触发器，使_ 乏输出定相移灼脉冲，使正腿双向晶闸管有一定的导邋 角，输出一定电压。使电动机转速岛给定慎相对应，此时反转电流调节器被锁死，不 会搜反阻曩阉管导遴。 黧2 - 9 三籀异步电麓橇可莲谰篷调速撩稍框圈 华中科技大学硕士学位论文 其中a s r 为速度调节器，a c r 为电流调节器，d p i 为极性鉴别器，d l c 为逻辑控 制器，g t 为触发器，b q 为正反转控制，1 、2 ，5 为可控硅门极触发信号。 数字式调压调速系统的控制系统与此类似，也是采用双闭环的方式，先进之处在于采用 了完全微型计算机控制的全数字式直接数字控制系统。微型计算机主要完成的功能有：外环 速度控制器的计算、内环电流控制器的计算、晶闸管数字触发器的控制，其原理如图2 - 1 0 。 图2 - 1 0 三相异步电动机控制单元接体方案设计 速度给定与实际速度反馈值经速度控制器处理后给出速度差值，该差值与电流反 馈值经电流控制器处理后给出数字触发脉冲的移相角，从而达到控制晶闸管导通的目 的。其中计算机控制单元采用先进的控制理论，如后面的模糊控制、自适应控制等进 行高级的数字化控制，通过调节可控硅触发角，改变输出电压，实现调压调速a 2 。4 系统存在戆阔蘧 异步电动机调联调速不改变电动机同步转速，在电机转子中消糕的转蓑功率变为 热鬣，这个转差功翠与负载性质、太小和转速高低有关。为了能安企合理嫩使用这种 调遴方法，从功率损耗豹戏焱出发讨论在不同性质受载时豹转差功率。 异步电动机的功率r i 为输出功率p 2 与出入功率p i 之比，在忽略了电动机定子与转 予鹣一些援耗嚣，瞧莓写终电动枫辘主输基豹极攮凌率p m 奄毫磁功率孙之魄，帮 n = p 2 1 p l p m p d = k m n k m n o = 1 一s 毫动耩l 的转差功率必 华中科技大学硕士学位论文 p s = s p l = s p 2 ( 1 一s ) = s k m z n ( 1 一s ) 其中m z 为负载转距，可以按不同的负载特性考虑写为 m z = c n 。 式中c 为常数，o = o ，1 ，2 分别表示为恒转距负载、转距与转速成比例的发电机负载 以及转距与转速的平方成比例的通风机负载。 p s = s k c n 。n ( 1 s ) = k c n o “”s ( 1 - s ) 4 电机的输出功率为： p 2 = k m z l 1 = k c n “n = k c n o ”1 ( i - s ) “1 在s 为0 时，从上式可得电机的最大机械输出功率为： p 。= k c n “ 则有： p jp 。= s ( 1 - s ) 。 定义p s p 。为电机的转差功率损耗系数，可见电机的转差功率损耗系数是随s 而变化 的，对起其求导，可得产生最大功率损耗系数的转差率为：s = i ( 1 + d ) 。相应p s p 。 = a 。( 1 + n ) “。对于不同性质负载最大转差功率系数如表2 2 ： 表2 - 2 不同性质负载最大转差功率系数 。 012 sl0 50 3 3 p s i p 2 m “ l0 2 50 1 4 8 可见对于恒转鼹负载，不适宣长期在低速下工作，宣爆璧工作在高速段，这样才 能发挥调压调速系缆灼功能，降低能耗，对于风机类负载非常合适。 华中科技大学顼士学位论文 3 控制单元数字能闫题豹处理 3 1 全数字p i d 方案 3 1 1 传统的p i d 控制规律 众所周知，按偏差的比例( p - - p r o p o r t i o n a l ) 、积分( i - - i n t e g r a l ) 和微分( d d e r i v a t i v e ) 线形组合进行控制的方式，就是著名的p i d 控制。根据不同的被控对象适 当地调整p i d 三个参数，可以获得比较满意的控制效果，整定参数的过程，实际上是 对比例、积分和微分三部分控制作用的折衷【l o 。 比例作用实际上是一种线形放大( 或缩小) 作用，它有类似人脑的想象功能，把一个 量( 或物体、事物) 想象的大一些或小一些。其优点：误差一旦产生，控制器立即就有控 制作用，是被控量朝着减小误差方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数k p 。其缺点： 对于具有自平衡性( t i l l 系统阶跃响应终值为一有限值) 的被控对象存在静差。加大k p 可 减小静差，但k p 过大，会导致动态性能变坏，甚至会使闭环系统不稳定。 积分作用实际上是对误差信号的记忆功能人脑的记忆功能是人类的一种基本智 能，但人的记忆具有选择性，人总是选择性地记忆某些有用的信息，而遗忘无用的信 息，而常规p i d 控制中的积分作用不加选择地“记忆”了误差的存在及其误差变化的 信息，其中也包括了对控制不利的信息，因此这种积分缺乏智能性。其优点：能对误 差进行记忆并积分，有利于消除静差。不足之处在于积分作用具有滞后特性，积分控 制作用太强会使控制的动态性能交差，以至使系统不稳定。 微分作用体现了某种信号的变化趋势，这种改变类似于人的预见性，但是常规p i d 控制中的微分作用的“预见性”缺乏人的远见卓识的预见性，因为它对变化快的信号 敏感，而不善于预见变化缓慢信号的改变趋势。其优点：能对误差进行微分，敏感出 误差的变化趋势，增大微分控制作用能加快系统响应，使超调量减少，增加系统稳定 性。其缺点是对于干扰同样敏感，使系统抑制干扰能力降低。 3 1 2p i d 控制规律的离散化 在连续控制系统中，模拟调节器最常用的控制规律是p i d 控制，其控制规律形式 华中科技大学硕士学位论文 如下 u ( t ) = k p e ( t ) + i 1 f e ( t ) d t + t d 等】 ( 3 1 ) 式中 e ( t )一调节器输入函数，即给定量与输入量的偏差； u ( t ) 一调节器输出函数； k p 一比例系数： t i 一积分时间常数； t d一微分时间函数； 因为式( 3 1 ) 表示的调节器的输入函数及输出函数均为模拟量，所以计算机是无法对 其进行直接运算的。为此，必须将连续形式的微分方程化为离散形式的差分方程。 取t 为采样周期，k 为采样序号，k = 0 ，1 ，2 i ，k ，因采样周期t 相对于 信号变化周期是很小的，这样可以用矩形法算面积，用向后差分代替微分，即 fe ( t ) d t = 厶t 塑一p ( 七) 一e ( k 一1 ) 出一广 于是式( 3 1 ) 可写成 u ( k ) - k p e ”7 1 妻咿+ t d 盟二掣】( 3 - 2 ) 1 j f f i o j 式中u ( k ) 采样时刻k 时的输出值； e ( 蚰采样时刻k 时的偏差值； e ( k 1 ) 采样时刻k 一1 时的偏差值。 式( 3 - 2 ) 中的输出缀u ( k ) 为全量输出。墩对应于被控对蒙的执行机构( 如调节阀) 每次溪襻嚣袤l 应达到鹣垃霉，因诧，式( 3 - 2 ) 称秀p i d 整嚣控翳算袋。这帮是p i d 控 制规律的离散化形式。 瘟该指出的燕，按式( 3 - 2 ) 计算u ( 1 ( ) 嚣，输遗氇每过去掰旁状态裔关，诗箅对要表 用大量的内存和花大量的时问，为此，将式( 3 - 2 ) 化成递推彩式： 根据式( 3 2 ) 写出采祥时翔( k 。1 ) 的输出值 1 6 华中科技大学硕士学位论文 u ( k - 1 ) = k p e 蚪) + f 1 k - i q t + t d 堑掣】( 3 - 3 ) 用式( 3 2 ) 减去是( 3 3 ) ，经整理后可得 u ( k ) = u ( k - 1 ) + k p ( e - e ( k 1 ) + e ( k ) + i 1 d 【e o 。- 2 e ( k - i ) + e ( k - 2 ) 】) 1 t ( 3 - 4 ) 按式( 3 4 ) 计算在时刻k 时的输出量u ( k ) ，只需用到采样时刻k 的偏差值e ( k ) ， 以及向前递推一次及两次的偏差值e ( k 1 ) 、e ( k 2 ) 和向前递推一次的输出值u ( k - 1 ) ， 这大大节约了内存和计算的时间。 应该注意的是，按p i d 的位置控制算式计算输出量u ( k ) 时，当计算机出现故障 时，输出量的大幅度变化，将显著改变被控对象的位置( 如调节阀门突然加大或减小) ， 可能会给生产造成损失。 为此，常采用增量型控制，即输出量是两个采样周期之间，控制器的输出增量 u ( k ) 。由式( 3 - 4 ) ，可得： u ( k ) = u ( k ) u ( k 1 ) = k p ( e ( k ) 一e ( k - 1 ) + e ( k ) + i 1 d 【e ( k ) - 2 e ( k - 1 ) + e - 2 ) 】) ， ( 3 - 5 ) 式( 3 - 5 ) 成为p i d 增量式控制算式。式( 3 4 ) 和式( 3 5 ) 在本质上是一榉豹，但增 量式算式具有下述优点： ( 1 ) 计冀援只输蹬控制爨，期执行极构搜萎的变他部分，误动臻影响小。 ( 2 ) 在进行手动* 自动切换时，控制量冲击小，能够较平滑的过渡。 3 ， 3p i d 数字控潮器麓实瑗 3 。1 3 1 算法的实现 控制生产过程的计算机娶求有搬强的实时性，用微型计算机作为数字掇制器时， 由予其字长秘运算速度豹限铡，盛须要采用些方法寒热抉诤箕速发。豢翅豹方法蠢； 简化算式法、查表法、硬件莱法器法 i o l 。现仅进行算式简化。 式( 3 1 ) 是p i d 位置控豢l 算式。按照这令算式，擞型诗爨凝。每输爨u ( k ) 一次，娶 华中科技大学硕士学位论文 作四次加法、两次减法、四次乘法和两次除法。若将该式稍加合并接理写成如f 形式： u ( k ) = u ( k 1 ) + k p ( 1 + 吾+ 孕) e ( k ) k p ( 1 + 孕) e ( k 1 ) + k p 孕e ( k 2 ) j ，ja = u ( k - i ) + a oe ( k ) 一a le ( k - 1 ) + a 2e ( k 一2 ) ( 3 7 ) 式中系数a o ，a l ，a 2 的含义如下： a 0 - k p ( 1 + 吾+ 争) a l = k p ( 1 + 2 ，t o ) a 2 - k p 争 这些系数可离线算出，于是按式( 3 7 ) 进行计算，微型计算机每输出u ( k ) 一次 只需作三次乘法，两次加法，一次减法。 按式( 3 7 ) 编制位置式数字控制器的程序框图如下图3 - i 所示。 圈3 - ip i d 数字实瑷藏程鬻 华中科技大学硕士学位论文 在进入程序之前，式( 3 7 ) 中的系数a o ，a 1 ，a 2 已计算出来，并已存入c o n s 0 、 c o n s l 及c o n s 2 擎元孛。绘定蓬霸羧窭爱馈篷经荣徉嚣已教入g e c l 帮g e c 2 中。 位置式数字控制器程序如下【1 】： c o n s 0 ：d sl ；存敬系数露o c o n s l ：d sl；存放系数口1 c o n s 2 ：d sl 存放系数球2 g e c l ：d sl ；存放给建值 g e c 2 ：d s l；存放输国反馈氇 s u b e l ：d s l ：存放偏麓值e ( i ( ) s u b e 2 ：d s l ；存放偏麓值e ( 轴1 ) m i d l ：d s2；存放乘积 m i d 2 ：d s 2 ；存放乘积口o o u t p l ：d s 2 ；存放u ( k - 1 ) s u b e 3 ：d s2；存放偏麓值e ( k - 2 ) l da ，( e 匿c 2 )；取反馈德 l db ，a l da ，( g e e l ) ：取绘定值 s u bb；形成偏麓e ( k ) l d( s u b e l ) ，a；e ( ；【) 入s u b 嚣l l dd e ，( c o n s o ) ：口。取入d e 中 c a l lm u l t；馋乘法，乘积搿e e ( k ) 在h l 爨存器h l 对中 l d ( 醚獭| ，h l 臂8 e ( 靶) 存入熵l l dd e ，( c o n s