復(fù)雜交流多電機系統(tǒng)的研究

沈翠鳳，顧光旭

(鹽城工學(xué)院，江蘇鹽城224051)

0 引 言

隨著現(xiàn)代高新科技的發(fā)展以及工業(yè)自動化程度的提高，多臺交流電機同步協(xié)調(diào)運行顯得尤為重要。兩臺電機同步系統(tǒng)的控制較為簡單，這方面的研究已經(jīng)取得了較好的效果。對于多臺變頻器驅(qū)動的多感應(yīng)電機系統(tǒng)，其控制變得尤其復(fù)雜，需要人們?nèi)パ芯啃碌目刂品椒ā?/p>

自抗擾控制器［1］在電機調(diào)速系統(tǒng)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本文建立了多電機按轉(zhuǎn)子磁場定向的物理模型，將自抗擾控制器應(yīng)用到多電機同步控制中。利用擴張狀態(tài)觀測器統(tǒng)一觀測系統(tǒng)的擾動，通過補償，將控制對象進行確定化以及近似線性化處理，這樣較好地達到了轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和皮帶張力的解耦控制。

1 多電機同步運行的數(shù)學(xué)模型

圖1為多臺電機同步運行的物理模型。電機1作為主電機控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速，電機2、電機3作為從電機跟隨主電機1的速度變化，使相鄰兩電動機之間速度差保持恒定，從而使系統(tǒng)的張力恒定［2－3］。

圖1 多臺電機同步運行的物理模型

基本的動態(tài)方程如下:

式中:ωr、p、r、k 分別為皮帶輪的電氣角速度、電機轉(zhuǎn)子極對數(shù)、半徑和速比;T為張力變化時間常數(shù);K為傳遞系數(shù)。

2 多電機同步運行的轉(zhuǎn)速模型分析

三電機同步系統(tǒng)中，當(dāng)變頻器運行于矢量控制時，按轉(zhuǎn)子磁鏈Ψr定向的同步旋轉(zhuǎn)正交M、T坐標(biāo)系下的簡化模型［4］:

式中:ωr為轉(zhuǎn)子角轉(zhuǎn)速;Ψr為轉(zhuǎn)子磁鏈;ω為電機同步旋轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)速;p為極對數(shù);J為轉(zhuǎn)動慣量;TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩;Tr為電機時間常數(shù);Lr為轉(zhuǎn)子電感;Lm為轉(zhuǎn)子和定子互感。

由簡化模型可知，電機的磁通子系統(tǒng)僅取決于定子電流，而Ψr不變，則系統(tǒng)的輸入可簡化為給定的三個頻率信號，輸出為電機1的速度ωr1、皮帶張力F12和F23。這里，只需實現(xiàn)轉(zhuǎn)速張力子系統(tǒng)的解耦，則系統(tǒng)模型可進一步簡化［5］:

3 多電機自抗擾控制系統(tǒng)設(shè)計

針對三輸入三輸出的多電機同步系統(tǒng)，本文中提出了一種新的基于自抗擾控制技術(shù)的控制方案。其中速度和張力控制器均采用優(yōu)化的一階ADRC，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 三電機自抗擾控制結(jié)構(gòu)圖

3.1 一階ADRC的設(shè)計

自抗擾控制器(圖3)是基于跟蹤微分器(TD)來安排過渡過程、擴張狀態(tài)觀測器(ESO)估計系統(tǒng)狀態(tài)、模型和干擾，非線性誤差反饋(NLSEF)來給定控制信號的一種非線性控制器［3］。

圖3 自抗擾控制器結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計了一個基于一階ADRC控制器按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制異步電動機調(diào)速系統(tǒng)。這里利用ADRC的特性，對J變化引起的一系列影響歸于擴張狀態(tài)z2統(tǒng)一觀測補償，控制器原理框圖如圖4所示。

圖4 一階ADRC框圖

3.2 ADRC 的簡化

采用線性的P調(diào)節(jié)代替非線性誤差反饋，同時省略TD環(huán)節(jié)，則可得到結(jié)構(gòu)簡化的一階ADRC模型。如果再適當(dāng)提高反饋增益，則同樣可以實現(xiàn)較好的控制性能。本文中采用的ADRC控制原理框圖如圖5所示。

圖5 處理后的ADRC控制原理框圖

本文采用的ADRC控制器算法:

式中:v0為給定值;y為被控對象輸出;u為控制量;z1為y的跟蹤信號，z2為w(t)的觀測值;h為采樣周期;kp為比例系數(shù);b0為補償因子。試驗中系統(tǒng)速度的采樣周期 h=0.1 s，取20。實驗中通過整定 kp、b0來調(diào)整系統(tǒng)的控制性能。

4 多電機同步運行的實驗結(jié)果

4.1 硬件組成

三電機同步控制系統(tǒng)硬件連接示意圖如圖6所示，系統(tǒng)采用WinCC作為上位機創(chuàng)建可視化的過程控制畫面，采用PLC作為下位機硬件控制器控制三臺變頻器執(zhí)行三電機調(diào)速，采用OPC技術(shù)實時采集系統(tǒng)速度和張力數(shù)據(jù)。

圖6 多電機同步系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

4.2 試驗結(jié)果對比研究

4.2.1 抗擾性能研究

變頻器設(shè)定為矢量控制方式。圖7(a)為PID控制下在對系統(tǒng)突減和突加負(fù)載系統(tǒng)響應(yīng)，圖7(b)為ADRC控制下在對系統(tǒng)突減和突加負(fù)載系統(tǒng)響應(yīng)對比圖。可以看出，ADRC控制下系統(tǒng)的魯棒性和抗干擾性優(yōu)于PID控制。

圖7 突減/突加負(fù)載系統(tǒng)響應(yīng)曲線

4.2.2 解耦性能研究

圖8和圖9分別為PID控制、神經(jīng)元解耦RBF網(wǎng)絡(luò)自整定PID控制(筆者將文獻［6］的方法推廣到三電機系統(tǒng)中)和ADRC控制時的多電機系統(tǒng)速度和張力的實驗波形。圖8(a)中，由于電機速度給定變化，系統(tǒng)輸出張力波形出現(xiàn)較大的尖峰抖動誤差;而在圖8(b)、圖8(c)中，系統(tǒng)輸出張力波形僅出現(xiàn)微小的抖動誤差，但圖8(c)中的系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)速度明顯快于圖8(b)。圖9(a)中，由于兩張力同時突加，電機輸出速度出現(xiàn)一定的抖動誤差;而在圖9(b)、圖9(c)中，當(dāng)兩張力同時突加，電機輸出速度幾乎不變，同樣的是，圖9(c)中的系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)速度明顯快于圖8(c)。

由此可見，采用自抗擾控制器時，系統(tǒng)速度和張力解耦效果較好，且具有較快的響應(yīng)速度和較高的穩(wěn)態(tài)精度。

5 結(jié) 語

本文提出了一種新的基于一階自抗干擾的控制技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜三交流電動機同步控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)了對系統(tǒng)行之有效的控制，同時也為高性能的三交流電動機同步控制提供了一條新的途徑。

［1］韓京清.自抗擾控制器及其應(yīng)用［J］.控制與決策，1998，13(1):19－23.

［2］劉星橋，趙亮，陳沖.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的三電機同步系統(tǒng)［J］.江蘇大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2009，30(6):596－600.

［3］張今朝，劉國海.多電機同步系統(tǒng)的多模型辨識［J］.電機與控制學(xué)報，2009，13(1):138－142.

［4］劉國海，康梅，尤德同，等.兩電機同步系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆控制［J］.江蘇大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2006，27(1):67－70.

［5］戴先中，劉國海，張興華.交流傳動神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆控制［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2007.

［6］趙亮，劉星橋，陳沖，等.基于神經(jīng)元解耦RBF網(wǎng)絡(luò)多電機系統(tǒng)參數(shù) PID 控制［J］.電氣傳動，2009，39(1):59－62.