時(shí)間:2014-10-27 15:58:07來源:秦嶺 鄒富春
摘要:本論文把永磁同步直線電機(jī)作為研究對(duì)象,采用模糊PD控制、模糊PID控制方法分別設(shè)計(jì)直線電機(jī)控制系統(tǒng)速度控制器,并與傳統(tǒng)PID速度控制器進(jìn)行比較分析。同時(shí),針對(duì)直線電機(jī)中特有的一些問題,如摩擦力擾動(dòng)不良因素,對(duì)兩種控制器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),削弱、抑制擾動(dòng)因素的不良影響,實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)給定速度信號(hào)的快速、準(zhǔn)確響應(yīng),從而達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。
關(guān)鍵詞:永磁同步直線電機(jī)(PMSLM);速度控制器;模糊PID控制;Matlab
Keyword:PMSLM;speedcontroller;fuzzyPIDcontrol;Matlab
【中圖分類號(hào)】TS49【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B
1引言
直線驅(qū)動(dòng)技術(shù)以直線電機(jī)作為主要研究對(duì)象,以電磁感應(yīng)原理為理論基礎(chǔ),集電磁學(xué)、電力電子技術(shù)、智能控制、控制工程、信號(hào)處理、機(jī)械學(xué)、動(dòng)力學(xué)等學(xué)科為一體的新技術(shù)[1]。無論在民用領(lǐng)域,還是在軍用領(lǐng)域,都體現(xiàn)了巨大的實(shí)際價(jià)值,發(fā)揮極其重要的作用。本論文以實(shí)際應(yīng)用為背景,根據(jù)相應(yīng)的設(shè)計(jì)指標(biāo),并針對(duì)直線驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中的實(shí)際問題,對(duì)系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行研究,設(shè)計(jì)出可達(dá)到系統(tǒng)性能指標(biāo)的控制器。
2直線電機(jī)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型
2.1永磁同步直線電機(jī)d-q模型
永磁同步直線電機(jī)的數(shù)學(xué)模型和永磁旋轉(zhuǎn)同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型基本相同,在推導(dǎo)過程中,首先進(jìn)行一些假設(shè):1、忽略鐵心飽和;2、不計(jì)渦流和磁滯損耗;3、動(dòng)子上沒有阻尼繞組,永磁體沒有阻尼作用;4、反電勢(shì)是正弦的。
在僅考慮基波分量,使用d-q軸模型,則對(duì)永磁直線同步電動(dòng)機(jī)有磁鏈方程為
(1)
( (2)
((3)
其中,分別為的d、q軸和永磁體的磁鏈;分別為d、q軸和等效的永磁體電感及電流;對(duì)于永磁體為表面安裝式的電動(dòng)機(jī)有、、、為常數(shù)。
d-q軸模型電壓方程為
(4)
(5)
其中,、分別為d、q軸動(dòng)子電壓,、分別為d、q軸動(dòng)子磁鏈,為動(dòng)子電阻,為線速度,為極距,微分算子。
電磁推力表達(dá)式為:
(6)
在磁場(chǎng)定向控制方式中,若控制d軸電流不為零(),并控制的方向,則可以起到對(duì)永磁體去磁或增磁作用。利用去磁作用能夠?qū)崿F(xiàn)永磁同步直線電機(jī)的弱磁控制。若控制d軸電流為零(),則在d軸方向上就只有永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)。通常情況下,永磁直線同步電機(jī)在恒推力區(qū)間運(yùn)行,因此采用d軸電流為零()的控制方式。電流內(nèi)環(huán)采用勵(lì)磁分量的控制策略,則有q軸電壓—電流方程:
(7)
電磁推力表達(dá)式:
(8)
其中,為電磁推力系數(shù),為極距,為永磁體磁鏈。機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程為:
(9)
(10)
(11)
其中,v為動(dòng)子速度,為粘滯摩擦系數(shù),為動(dòng)子和動(dòng)子所帶動(dòng)負(fù)載的總質(zhì)量,為總阻力,為負(fù)載阻力,為端部效應(yīng)力,為動(dòng)子與導(dǎo)軌的滑動(dòng)摩擦力,為動(dòng)子線位移。式(7)、(8)描述了永磁直線電機(jī)的數(shù)學(xué)模型,對(duì)兩式進(jìn)行拉氏變換可得
(12)
(13)
由式(12)、式(13),可得到永磁同步直線電機(jī)的模型框圖,如下圖1所示。
圖1永磁同步直線電機(jī)模型方框圖
分析電流環(huán)控制,其結(jié)構(gòu)為一個(gè)帶有電流負(fù)反饋的功放驅(qū)動(dòng)級(jí),而在實(shí)際應(yīng)用中,與電機(jī)相配套的驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部含有這樣一個(gè)具有電流負(fù)反饋功放驅(qū)動(dòng)電路。如圖2.6所示的模型,帶有電流反饋功放級(jí)的電機(jī)模型方框圖。其中
為給定電流控制信號(hào),電流環(huán)中的ACR(Automaticcurrentregulator)的參數(shù)在驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)時(shí)就已經(jīng)確定好,一般是不可調(diào)節(jié)的。其功放驅(qū)動(dòng)級(jí)相當(dāng)于一個(gè)電流源,電機(jī)的電樞電流
直接由功放級(jí)的輸入信號(hào)所控制,反電勢(shì)的影響被負(fù)反饋電流回路所抑制,另外,因?yàn)殡姍C(jī)的機(jī)械慣性比電樞繞組的電磁慣性大很多,電流環(huán)的響應(yīng)速度比電機(jī)速度環(huán)的響應(yīng)速度要快得多,因此,在實(shí)際中反電勢(shì)回路的影響可以忽略不計(jì)。
圖2帶電流負(fù)反饋的直線電機(jī)模型
通常電流環(huán)的帶寬一般在速度環(huán)帶寬5倍以上,并且電流濾波、逆變器控制的滯后,均可等效為小慣性環(huán)節(jié),可以按照小慣性環(huán)節(jié)的處理方法合成為一個(gè)小慣性環(huán)節(jié)。因此在進(jìn)行速度環(huán)和位置環(huán)控制器設(shè)計(jì)時(shí),常把電流環(huán)等為一個(gè)小慣性環(huán)節(jié),甚至有時(shí)還會(huì)將其傳遞函數(shù)直接等效1。若將電流環(huán)等效為一個(gè)小慣性環(huán)節(jié),根據(jù)經(jīng)驗(yàn),其時(shí)間常數(shù)在左右,進(jìn)一步簡(jiǎn)化模型,如圖3所示。
圖3簡(jiǎn)化后的永磁同步電機(jī)模型方框圖
2.2整個(gè)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型
在實(shí)際系統(tǒng)中,采用直線光柵尺作為位移傳感器,用以實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)動(dòng)子的位置,并通控制器的相應(yīng)計(jì)算,間接得到動(dòng)子的運(yùn)行速度。在系統(tǒng)的建模和仿真過程中,也可以將位置傳感器作為單位反饋元件來處理。同樣,在速度閉環(huán)控制中,速度傳感器也作為單位反饋元件來處理。在本文設(shè)計(jì)中,速度的反饋間接通過位置傳感器得到,在控制芯片的處理速度足夠快的情況下,可以認(rèn)為速度反饋為實(shí)時(shí)反饋。
在本課題中,主要研究的是直線電機(jī)模型問題,即直線驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)推動(dòng)某負(fù)載,在有效的行程內(nèi),能以給定的速度穩(wěn)定運(yùn)行,最終以固定的速度將負(fù)載彈出軌道的過程。同時(shí),在設(shè)計(jì)的過程中,要保證速度響應(yīng)既要快,又要無差,并在一定內(nèi)部、外部擾動(dòng)(模型參數(shù)攝動(dòng)、摩擦力)的情況下,保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性。
為了提高系統(tǒng)的提高對(duì)外部擾動(dòng)的干擾能力,以及保證系統(tǒng)的響應(yīng)速度,將整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為一個(gè)速度環(huán)、電流環(huán)雙閉環(huán)的串級(jí)控制系統(tǒng)。
根據(jù)上面的分析和簡(jiǎn)化,整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型如圖4所示。其中,電流環(huán)已經(jīng)被簡(jiǎn)化為一個(gè)小慣性環(huán)節(jié)。
圖4簡(jiǎn)化后的系統(tǒng)方框圖
如下圖4所示,為直線電機(jī)的速度反饋控制的系統(tǒng)框圖,其相關(guān)參數(shù)為:
系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為:
3速度控制方案的確立
在直線電機(jī)伺服控制系統(tǒng)中,直線電機(jī)動(dòng)子直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載,負(fù)載的變化和外部干擾將直接影響伺服系統(tǒng)的性能,同時(shí),直線電機(jī)的端部效應(yīng),系統(tǒng)參數(shù)(動(dòng)子質(zhì)量、粘滯摩擦系數(shù)等)變化,以及狀態(tài)的觀測(cè)噪聲等都會(huì)降低系統(tǒng)的伺服性能,傳統(tǒng)PID控制已經(jīng)無法勝任。
所以本文采用模糊控制來進(jìn)行設(shè)計(jì)。模糊控制器的本質(zhì)是模糊PD控制器,利用反饋系統(tǒng)中的誤差信號(hào)及其變化率來計(jì)算控制量的方法稱為模糊PD控制。
模糊控制的基本原理是根據(jù)現(xiàn)有的專家知識(shí)生成的專家知識(shí)庫(kù),通過模糊推理產(chǎn)生控制輸出。如圖5為永磁同步直線電機(jī)的速度進(jìn)行模糊控制的方框圖。
圖5永磁同步直線電機(jī)模糊速度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
模糊量化時(shí),輸入模糊變量為速度誤差E和誤差變化律EC,輸出模糊變量為U。建立本模糊推理模型的雙路輸入,單路輸出。變量E、EC和U論域設(shè)為,模糊變量,和v都有7個(gè)模糊語(yǔ)言值,分別為:PB,PM,PS,ZO,NS,NM,MB。量E,EC和U根據(jù)一定的隸屬關(guān)系用模糊集來表示。本文中的各變量的隸屬函數(shù)選用三角形隸屬函數(shù)。如圖6所示。
圖6各變量、和的隸屬度函數(shù)
系統(tǒng)仿真輸入,輸出變量模糊化后,利用專家的經(jīng)驗(yàn)建立模糊規(guī)則,進(jìn)行模糊推理。建立模糊推理規(guī)則后,可以得到模糊規(guī)則顯示圖像,如圖7所示。
(a)模糊規(guī)則顯示圖1
(b)模糊規(guī)則顯示圖2
圖7模糊規(guī)則顯示圖
4系統(tǒng)仿真
(1)傳統(tǒng)PI控制
圖8傳統(tǒng)PI控制仿真圖
(2)模糊PD控制
圖9模糊PD控制仿真圖
(3)模糊PID控制
圖10模糊PID控制仿真圖
結(jié)合傳統(tǒng)PID控制、模糊控制和模糊PID控制進(jìn)行對(duì)比分析,列一個(gè)如下1表格。
表1傳統(tǒng)PID、模糊、模糊PID控制器性能對(duì)比
5結(jié)束語(yǔ)
本文將模糊PID控制結(jié)合了傳統(tǒng)PID抗干擾性強(qiáng)和模糊控制器響應(yīng)速度快的優(yōu)勢(shì),提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的同時(shí),使系統(tǒng)變?yōu)闊o差,從而,又提高了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。具有很強(qiáng)的實(shí)用性,實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)給定速度信號(hào)的快速、準(zhǔn)確響應(yīng),從而達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。
作者簡(jiǎn)介:秦嶺(1990-),男,碩士研究生,現(xiàn)就讀于山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院,主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)控制方向。
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