時(shí)間:2017-12-21 10:31:09來(lái)源:網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)載
1引言
隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和微處理器的不斷發(fā)展,異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速性能得到了很大提升,與傳統(tǒng)的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)相比,它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)速范圍寬、效率高、特性好、運(yùn)行平穩(wěn)、安全可靠等特點(diǎn),在生產(chǎn)實(shí)踐中得到了廣泛應(yīng)用。變頻器加異步電機(jī)構(gòu)成的變頻調(diào)速系統(tǒng)大有取代直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。
可編程邏輯控制器(PLC)被公認(rèn)為現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的3大支柱之一,其控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠,通訊組網(wǎng)靈活,可方便集成到現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)中,適應(yīng)當(dāng)前自動(dòng)化程度日益提高的要求。PLC變頻調(diào)速系統(tǒng)以其優(yōu)越的性能得到了越來(lái)越多的重視,但對(duì)于多變量非線性強(qiáng)耦合的異步電動(dòng)機(jī),采用常規(guī)的定參數(shù)PID控制方法,對(duì)負(fù)載變化的適應(yīng)能力差、抗干擾能力弱且受系統(tǒng)參數(shù)變化影響大。因此,在現(xiàn)有硬件設(shè)備的基礎(chǔ)上,如何進(jìn)一步提升變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制性能,是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。
這里在異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中采用了自抗擾控制器方法,將系統(tǒng)的內(nèi)擾、外擾等視為系統(tǒng)總擾動(dòng),由擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器統(tǒng)一觀測(cè)并加以補(bǔ)償,使控制對(duì)象被近似線性化和確定性化,從而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的非線性控制,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該控制方案的有效性。
2異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型
由電流跟蹤型SPWM逆變器供電的異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)在d,q兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的狀態(tài)方程可用五階非線性模型描述,當(dāng)忽略變頻器時(shí)滯時(shí),系統(tǒng)模型可用降階的二階非線性模型描述:
式中:ω1為電氣同步角速度;ωr為轉(zhuǎn)子速度;isd,isq分別為d,q軸的定子電流;ψrd,ψrq分別為d,g軸的轉(zhuǎn)子磁鏈;np為極對(duì)數(shù);Lm為互感;Lr為轉(zhuǎn)子電感;J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;Tr為電機(jī)轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù);TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩。
由文獻(xiàn)可知,變頻器在矢量運(yùn)行模式下系統(tǒng)可逆,且整個(gè)系統(tǒng)可以簡(jiǎn)化為轉(zhuǎn)速的單輸入、單輸出系統(tǒng)。
3異步電機(jī)變頻調(diào)速自抗擾控制系統(tǒng)
3.1一階自抗擾控制器的設(shè)計(jì)
圖1為自抗擾控制器結(jié)構(gòu)圖。該控制器是基于跟蹤微分器(TD)來(lái)安排過(guò)渡過(guò)程、擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器(ESO)來(lái)估計(jì)系統(tǒng)狀態(tài)、模型和干擾,非線性誤差反饋(NLSEF)來(lái)給定控制信號(hào)的一種非線性控制器。
對(duì)于矢量控制的異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),采用一階模型控制器,相應(yīng)采用二階ESO結(jié)構(gòu)。矢量控制中,一般保持轉(zhuǎn)子磁鏈恒定,利用ADRC的特點(diǎn),對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變化引起的系統(tǒng)模型誤差和負(fù)載擾動(dòng)的影響等歸于擴(kuò)張狀態(tài)z2統(tǒng)一觀測(cè)并加以補(bǔ)償?;谝浑AADRC的轉(zhuǎn)速控制器原理框圖如圖2所示。
3.2ADRC的優(yōu)化
一階ADRC結(jié)構(gòu)中,ESO輸出被控對(duì)象和未知擾動(dòng)的觀測(cè)值,沒(méi)有被控對(duì)象的微分項(xiàng)輸出,控制器無(wú)需跟蹤微分器的輸出,因此在ADRC結(jié)構(gòu)中省略跟蹤微分器環(huán)節(jié)。對(duì)于一階對(duì)象,采用線性的比例調(diào)節(jié)代替NLSEF,可在保證控制器性能的前提下,有效地簡(jiǎn)化模型,減小計(jì)算量,從而得到結(jié)構(gòu)優(yōu)化的一階ADRC模型。圖3為結(jié)構(gòu)優(yōu)化的一階ADRC轉(zhuǎn)速控制框圖。優(yōu)化后的轉(zhuǎn)速控制器的完整算法為:
式中:為電機(jī)速度給定值;為電機(jī)速度反饋ωr的跟蹤信號(hào);為總和擾動(dòng)W(t)的觀測(cè)值;u為控制量;β01,β02為ADRC輸出誤差校正增益;h為采樣周期;kp為比例系數(shù);b0為補(bǔ)償因子,通過(guò)整定kp,b0來(lái)調(diào)整系統(tǒng)的控制性能。
4實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析
4.1系統(tǒng)硬件連接
整個(gè)系統(tǒng)包括上位機(jī)和監(jiān)控軟件(WinCC)、S7-300PLC,MicroMasterVector(MMV)變頻器、異步電機(jī)和光電編碼器,如圖4所示。
4.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
4.2.1系統(tǒng)通訊設(shè)計(jì)
系統(tǒng)通訊由三部分組成:①PLC與變頻器之間的PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線通訊,實(shí)現(xiàn)PLC對(duì)變頻器的現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)程控制;②工控機(jī)與PLC之間的MPI通訊,一方面實(shí)現(xiàn)了STEP7和PLC之間的通訊,完成程序上載、下載、調(diào)試、故障診斷和在線監(jiān)視等;另一方面實(shí)現(xiàn)了WinCC與PLC之間的通訊,完成過(guò)程數(shù)據(jù)的傳輸,系統(tǒng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控;③WinCC與Excel之間的OPC通訊,通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)程數(shù)據(jù)的歸檔并啟用OPC通訊服務(wù),將過(guò)程數(shù)據(jù)導(dǎo)出到Excel中,用于系統(tǒng)響應(yīng)曲線的擬合和各項(xiàng)動(dòng)靜態(tài)性能指標(biāo)的分析。
4.2.2系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)
實(shí)驗(yàn)中使用語(yǔ)句表STL在工業(yè)軟件STEP7V5.2中編程。整個(gè)系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)化編程,系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)如圖5所示。
4.3ADRC的參數(shù)整定
研究表明,β01和β02主要由控制器的離散控制周期決定,一般為:β01=1/h,β02=1/(5h2)。試驗(yàn)中速度的采樣周期取為h=100ms,故取β01=10,β02=20。對(duì)于需整定的控制器參數(shù)kp,b0,實(shí)驗(yàn)中采用由小到大試湊法進(jìn)行整定,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和修改參數(shù),在得到較好的動(dòng)靜態(tài)效果時(shí)確定一組比較理想的控制器參數(shù),參數(shù)整定相對(duì)容易。
4.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比研究
變頻器設(shè)定為矢量控制方式。初始速度給定為200r·min-1,在40s后,速度給定為周期60s,n從200~500r·min-1變化的三角波得到系統(tǒng)的閉環(huán)響應(yīng)。由圖6可知,ADRC控制方式下的跟隨性能明顯優(yōu)于常規(guī)PID控制。
圖7a示出兩種控制下系統(tǒng)響應(yīng)曲線。由圖可知,ADRC控制下系統(tǒng)的魯棒性和抗干擾性優(yōu)于PID控制。圖7b示出圖6前40s的局部放大圖。
由圖可知,ADRC控制方式下的動(dòng)靜態(tài)性能明顯優(yōu)于常規(guī)PID控制。
5結(jié)論
針對(duì)PLC變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制性能需進(jìn)一步提高的問(wèn)題,簡(jiǎn)要介紹了變頻調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,設(shè)計(jì)了一種基于自抗擾控制器的異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)。與傳統(tǒng)線性PID控制方法相比,采用自抗擾控制器的變頻調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行性能得到了顯著提升。在保證較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的前提下,對(duì)ADRC進(jìn)行了優(yōu)化,減少了控制器參數(shù),減小了算法計(jì)算量,增強(qiáng)了控制器的工程實(shí)用性。
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