李全棒，惠運(yùn)東

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基于擾動(dòng)觀測(cè)器的他勵(lì)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

李全棒，惠運(yùn)東

（東南大學(xué)，江蘇 南京 210009）

冷軋管的生產(chǎn)過(guò)程中，負(fù)載轉(zhuǎn)矩會(huì)發(fā)生周期性的波動(dòng)，針對(duì)該問(wèn)題，提出一種新的復(fù)合控制方法。通過(guò)結(jié)合冷軋管機(jī)的電機(jī)結(jié)構(gòu)，將擾動(dòng)觀測(cè)器與雙閉環(huán)控制相結(jié)合，從而提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。理論分析與實(shí)驗(yàn)仿真表明，這種復(fù)合控制方式優(yōu)于原有的PID控制，可以有效地提高系統(tǒng)的抗擾動(dòng)性能。

擾動(dòng)觀測(cè)器；雙閉環(huán)；PID；復(fù)合控制

在冷軋管的生產(chǎn)過(guò)程中，電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩會(huì)發(fā)生周期性的波動(dòng)，如何降低軋機(jī)動(dòng)態(tài)速降，并能縮短其恢復(fù)時(shí)間，這是冷軋管機(jī)在軋制鋼管的生產(chǎn)過(guò)程中的重要問(wèn)題。在原有的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，PID控制器存在抗擾動(dòng)性能差、動(dòng)態(tài)性能差的問(wèn)題。

針對(duì)這些問(wèn)題，結(jié)合冷軋管機(jī)中電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，本文將雙閉環(huán)控制[1]與擾動(dòng)觀測(cè)器相結(jié)合。經(jīng)仿真驗(yàn)證，該策略可以有效地提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能與抗擾動(dòng)性能，提高軋機(jī)的生產(chǎn)效率。

1 軋機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中的傳動(dòng)力矩

軋機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中，電機(jī)端的轉(zhuǎn)矩有負(fù)載轉(zhuǎn)矩和軋機(jī)空載轉(zhuǎn)矩[1]，軋機(jī)空載轉(zhuǎn)矩即在冷軋管機(jī)的工作過(guò)程中，曲柄驅(qū)動(dòng)軋機(jī)機(jī)架作往返運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)曲柄的轉(zhuǎn)輪每旋轉(zhuǎn)360°，軋機(jī)機(jī)架做一次往返運(yùn)動(dòng)。當(dāng)軋管加載到軋輥上，此時(shí)軋機(jī)機(jī)架開(kāi)始做正向運(yùn)動(dòng)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩逐步上升到最大值，并保持不變。當(dāng)管材軋制結(jié)束完畢，扎好的管材也剛好送出，軋機(jī)機(jī)架開(kāi)始做反向運(yùn)動(dòng)，此時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩也變?yōu)?.

空載轉(zhuǎn)矩主要包含附加摩擦力矩、空轉(zhuǎn)力矩和動(dòng)力矩。附加摩擦力為克服軋制時(shí)軋輥軸承，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等摩擦所需要的力矩?？辙D(zhuǎn)力矩為克服軋制時(shí)軋輥軸承，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等空轉(zhuǎn)所需要的力矩。動(dòng)力矩為克服軋輥在不均勻轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性所需力矩，與電機(jī)的轉(zhuǎn)速角加速度有關(guān)，電機(jī)的加速度越大，則動(dòng)力矩的數(shù)值越大。因此一般情況下，在電機(jī)起動(dòng)時(shí)動(dòng)力矩較大，等到電機(jī)的速度平穩(wěn)下來(lái)，動(dòng)力矩為0.一般而言，軋機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中，動(dòng)力力矩最大，大約為空載轉(zhuǎn)矩的10倍左右，而在軋制鋼材時(shí)，軋機(jī)的動(dòng)力力矩大約為空載轉(zhuǎn)矩的3～4倍左右。

2 基于擾動(dòng)觀測(cè)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

2.1 雙閉環(huán)反饋控制

工業(yè)生產(chǎn)使用中的冷軋管機(jī)多為他勵(lì)直流電機(jī)。他勵(lì)直流電機(jī)主要有三種調(diào)速方式：調(diào)節(jié)電樞電壓調(diào)速、調(diào)節(jié)電樞回路電阻調(diào)速、弱磁升速。對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無(wú)極平滑調(diào)速的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，調(diào)壓調(diào)速的方式最佳。對(duì)于冷軋管機(jī)中的直流電機(jī)，采用調(diào)壓調(diào)速可以獲得很寬的調(diào)速范圍，并可以在調(diào)速范圍內(nèi)的任何轉(zhuǎn)速上運(yùn)行，調(diào)速時(shí)的損耗小，運(yùn)行效率比較高，同時(shí)便于實(shí)現(xiàn)電機(jī)的控制算法，滿足工藝要求。由上所述，調(diào)節(jié)直流電機(jī)的電樞電壓可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，同時(shí)也便于直流電機(jī)控制方案的實(shí)現(xiàn)[2]。在實(shí)際應(yīng)用中，廣泛采用電流-轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)反饋控制方案[1]，與單閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)相比，雙閉環(huán)反饋控制不僅繼承了單閉環(huán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)動(dòng)態(tài)性能更好。

在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，內(nèi)環(huán)采用電流控制，外環(huán)采用速度控制。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，電流調(diào)節(jié)器的輸出控制電力電子變換器（即晶閘管移相觸發(fā)角）。轉(zhuǎn)速環(huán)為外環(huán)，是主控制環(huán)，調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的主要工作是使轉(zhuǎn)速能夠跟隨給定電壓變化，并且能保證穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差，同時(shí)對(duì)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化有抗擾動(dòng)的作用。

2.2 擾動(dòng)觀測(cè)器原理

擾動(dòng)觀測(cè)器的基本原理是將外部干擾以及參數(shù)模型的變化造成的實(shí)際對(duì)象模型與名義模型的不確定干擾等效到控制輸入端，在控制端對(duì)擾動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，以消除干擾對(duì)系統(tǒng)的影響，達(dá)到抑制擾動(dòng)的效果[3]。一般情況下，被控系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為嚴(yán)格真有理分式（即分母的階數(shù)比分子的階數(shù)高），因此參考模型的逆是物理上無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。為了解決上述問(wèn)題，需要在觀測(cè)值的后面加上低通濾波器[3]。

在低通濾波器的低頻區(qū)域，系統(tǒng)模型與參考模型近似相等，同時(shí)對(duì)干擾具有較強(qiáng)的抑制能力，在低通濾波器的高頻領(lǐng)域，高頻噪聲對(duì)系統(tǒng)近乎沒(méi)有作用，而一般噪聲都是高頻噪聲，所以，對(duì)擾動(dòng)觀測(cè)器的影響不大，因此，擾動(dòng)觀測(cè)器可以有效抑制擾動(dòng)，可以在雙閉環(huán)控制中引入擾動(dòng)觀測(cè)器，這樣可以有效地抑制在生產(chǎn)過(guò)程中負(fù)載轉(zhuǎn)矩的周期性變化。

2.3 引入擾動(dòng)觀測(cè)器的速度環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

在冷軋管機(jī)軋制冷軋管的瞬間，相當(dāng)于對(duì)軋機(jī)施加了一個(gè)階躍擾動(dòng)，此時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩會(huì)大于電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系被打破，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降。電機(jī)轉(zhuǎn)速的下降進(jìn)一步引起電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的下降，引發(fā)電機(jī)電流的提高，電機(jī)電流與磁場(chǎng)作用下的電磁轉(zhuǎn)矩增加，電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩形成新的平衡，電機(jī)轉(zhuǎn)速停止下降。同理，在冷軋管機(jī)離開(kāi)鋼管的瞬間，軋機(jī)又從滿負(fù)荷負(fù)載狀態(tài)轉(zhuǎn)換到空載狀態(tài)，電機(jī)轉(zhuǎn)速又會(huì)經(jīng)歷一個(gè)動(dòng)態(tài)升高的過(guò)程。電機(jī)轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)速降過(guò)大，需要引入擾動(dòng)觀測(cè)器來(lái)改善電機(jī)的控制。

2.3.1 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)電流環(huán)的結(jié)構(gòu)分析

對(duì)于直流電機(jī)模型而言，電流變化很大，而轉(zhuǎn)速相對(duì)而言變化較小。反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)的干擾比較緩慢，當(dāng)電流突然變化時(shí)，可以認(rèn)為Δ=0；這樣依據(jù)動(dòng)態(tài)性能來(lái)設(shè)計(jì)電流環(huán)時(shí)，可以忽略反電動(dòng)勢(shì)的變化。不考慮電機(jī)電樞反電動(dòng)勢(shì)，對(duì)電流環(huán)干擾條件。電流環(huán)一般采用PI調(diào)節(jié)器，通過(guò)調(diào)節(jié)PI參數(shù)，可以使得電流環(huán)的傳遞函數(shù)為一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)，相比于速度環(huán)，電流環(huán)的響應(yīng)時(shí)間一般要遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于速度環(huán)的響應(yīng)時(shí)間[4]，因此，在進(jìn)行速度環(huán)的分析時(shí)，可以將電流環(huán)等效成理想的比例環(huán)節(jié)。

2.3.2 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)速度環(huán)的結(jié)構(gòu)分析

由以上分析可知，電流環(huán)為等效的比例環(huán)節(jié)，同時(shí)，因?yàn)樗俣拳h(huán)的響應(yīng)速度遠(yuǎn)短于電流環(huán)的響應(yīng)速度，因此，不考慮直流電機(jī)模型中，速度環(huán)生成的反電勢(shì)對(duì)電流環(huán)的作用?；跀_動(dòng)觀測(cè)器的原理，結(jié)合直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，引入擾動(dòng)觀測(cè)器后，設(shè)計(jì)后的速度環(huán)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于擾動(dòng)觀測(cè)器的速度環(huán)結(jié)構(gòu)圖

在該控制方案中，假定實(shí)際系統(tǒng)與目標(biāo)系統(tǒng)的模型一致。單獨(dú)進(jìn)行速度環(huán)的PI控制調(diào)節(jié)，通過(guò)調(diào)節(jié)ASR控制器的PI參數(shù)，使得PI調(diào)節(jié)的效果達(dá)到最優(yōu)。然后考慮擾動(dòng)的影響，通過(guò)調(diào)節(jié)（）濾波環(huán)節(jié)的參數(shù)，來(lái)提高系統(tǒng)抗擾動(dòng)能力，獲得更好的控制效果。

3 仿真分析

在理想條件下，假定模型參數(shù)與實(shí)際模型一致，比較雙閉環(huán)條件下與雙閉環(huán)+擾動(dòng)觀測(cè)器下系統(tǒng)的仿真波形如圖2所示。

圖2 抗擾響應(yīng)

由圖2可知，PI控制器與PI+DOB均有超調(diào)，但PI+DOB控制器的超調(diào)較小。調(diào)節(jié)時(shí)間方面，PI+DOB控制器的調(diào)節(jié)時(shí)間短于PI控制器的調(diào)節(jié)時(shí)間。對(duì)于系統(tǒng)的抗擾動(dòng)能力而言，由圖2可看出，PI+DOB控制器的抗擾動(dòng)性能要明顯高于PI控制器。

4 結(jié)束語(yǔ)

該文針對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的外部擾動(dòng)，提出了基于擾動(dòng)觀測(cè)器的雙閉環(huán)PI控制策略。將擾動(dòng)觀測(cè)器的控制策略與冷軋管的物理模型結(jié)合，提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和抗擾動(dòng)性能。仿真結(jié)果表明，該策略可以有效提高工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的控制效果。

［1］張厚升，李素玲.基于Matlab的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真分析［J］.山東理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，27（04）：50-53.

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2095－6835（2019）07－0088－02

TM33

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10.15913/j.cnki.kjycx.2019.07.088

李全棒（1992—），男，研究方向?yàn)榭刂瓶茖W(xué)與工程。惠運(yùn)東（1993—），男，研究方向?yàn)榭刂乒こ獭?/p>

〔編輯：張思楠〕