用多种控制策略实现矢量变频调速系统的速度调节

1、用多种控制策略实现矢量变频调速系统的速度调节             用多种控制策略实现矢量变频调速系统的速度调节 王东兴， 庄 斌，苏剑霞 (北京机械工业学院自动化系，北京 100085)     摘  要：针对交流变频调速器抗负载扰动能力差及宽范围调速时遇到的交流模型严重非线性变化的问题，提出了一种新型速度调节器，该调节器运用多种控制策略实现速度闭环控制。这些控制策略有开环控制、模糊控制和变参数PID(比例、积分

2、、微分)控制。根据实时工况选用某种控制策略，使系统具有较好的快速性、精确性。    关键词：速度调节器； 开关控制； 模糊控制； 变参数PID控制 1 引言     20世纪80年代之前，占电力拖动容量约80%的拖动系统都采用直流电机，80年代后，随着电力电子技术和微型计算机技术的发展，出现了高性能的交流变频调速系统，交、直流拖动的格局被打破。在一些工业部门中可调速交流拖动系统取代了直流拖动系统，交流变频调速器得到了广泛的应用。由于变频调速器多数是速度开环，抗负载扰动能力差，尤其是调速范围宽时很难得到满意的拖动性能

3、。为解决这一问题，研制成功了一种高性能价格低的微控制速度调节器。实现了速度闭环调节，提高了系统性能。它体积小、成本低，与变频器连接简单，容易配套使用。经过专家鉴定，认为有一定的创新性和先进性。2 调速原理被控对象是鼠笼式异步电动机，它的近似模型已经知道，但是供应商不提供变频器的数学模型。系统中采用德国西门子公司的Micro Master 150/3变频器，选择磁通电流控制方式。变频器与电动机组成了一个电流、磁通闭环系统。因此，将变频器、异步电动机及负载合在一起作为一个广义对象来建立其数学模型是符合客观实际的，如图1所示。在我们的系统中，负载不变使电机平稳运行在600 r/min，运用阶跃响应法

4、对广义对象辨识得到的传递函数表达式是：                                这是一个非最小相位稳定系统，可以采用PID调节器实现速度闭环，达到高性能的稳速要求。实际上由于下述原因的存在，影响着系统的性能指标：广义对象的传函是在600 r/min及负载不变的条件下得

5、到的。严格地说该模型只能做到适用于这个检测点，然而，该系统要求能在1:20的调速范围内，存在负载扰动的情况下实现最佳调节。实验也证明了这一论点：在高速时广义对象为欠阻尼系统，在低速时为过阻尼系统。显然，要得到在整个调速范围内的最佳调节，引入参数固定的PID调节器是不行的，必须使用参数自适应PID调节器。考虑到工程实现的简单易行，选用了按速度段查表的变参数PID调节器，见表1 (H-16进制数)。3 速度调节器的构造常规PID调节器由于其算法简单、连续性强、精度高、可靠性好等优点而成为控制领域中应用最广泛、最基本的一种控制装置，特别是对于线性定常系统的控制非常有效。然而，鼠笼型异步电动机是一个强

6、耦合的多变量高阶非线性系统，加之电机参数的时变性，在较宽的范围内调速或出现较强扰动时，很难做到快、稳、准。因此构造了一种调节器，它集开关控制、模糊控制和变参数PID控制于一身，根据偏差的大小，选择适当的控制策略，控制性能大大优于常规PID控制。结构如图2所示。   (1) e>200开关控制 (e = n*-n) (2) 40<e<200 压缩的模糊控制 (3) IeI40 变参数PID控制将速度01500 r/min分做14段，每段的PID参数由查表得到。 在偏差很大时，调节器输出量的绝对值很大，采用开关控制策略，以便尽快把偏差减下来，提高系统的响应速度

7、；当偏差降到一定程度时，切换到模糊控制，它根据速度偏差e及其变化率ec决定输出量u的大小，参阅表2。由于在开关控制与变参数PID控制之间构成了模糊控制器，它根据速度偏差及其变化率决定输出量，使系统以最佳轨迹渐近稳定于原点，克服了开关控制易造成超调的缺点，实现了系统快速、无超调、高鲁棒性；当速度偏差绝对值小于或等于40 r/min时，说明系统趋于稳定，切换至PID控制，充分发挥PID调节器连续性好及控制精度高的优点，使系统避免震颤。4 实现方法在本系统中，采用80C196KB作为核心处理单元，通过键盘进行速度设定，将光码盘送来的速度信号经光电隔离和整型后，进行逻辑预处理，与80C196KB的高速

8、输入、输出口HSI和HSO相连，配合软件实现M/T法测速。控制器输出则利用HSO实现周期为2.5ms的PWM波，经两级积分滤波、电压平移为05V的直流电压信号送至变频器的输入口。其结构如图3所示。                         5 运行结果及分析本系统经过实际运行调试，通过了机械工业部教育司的鉴定。实现以下主要性能指标：调速静差为额定转速的

9、千分之一；调速比为1:20；超调量2.5%；加入扰动后进入稳定时间0.5s。 图4和图5为速度调节器在600 r/min时采用多种控制策略和PID调节的仿真曲线(10s/格)。可以看出调节的精度和动态性能前者优于后者。                                

10、0;                                 图6为实际系统开环下加、减负载的响应曲线。曲线A、B对应转速分别为700r/min和900r/min，从图中看出系统有明显的速度改变。    图7为闭环控制下转速为700r/min时加、减载

11、响应曲线。可见抗负载扰动能力显著。                                                

12、                     6 结束语文章综合运用多种控制策略，不追求精确的数学模型，而根据工程条件建立了一种比较模糊的仿人智能控制，这便于计算机作出由粗到精、由快到稳转换关系的判断，并结合智能控制和经典控制实现了较好的控制效果。