復雜交流多電機系統的研究

沈翠鳳，顧光旭

(鹽城工學院，江蘇鹽城224051)

0 引 言

隨著現代高新科技的發展以及工業自動化程度的提高，多臺交流電機同步協調運行顯得尤為重要。兩臺電機同步系統的控制較為簡單，這方面的研究已經取得了較好的效果。對于多臺變頻器驅動的多感應電機系統，其控制變得尤其復雜，需要人們去研究新的控制方法。

自抗擾控制器［1］在電機調速系統等領域得到了廣泛的應用。本文建立了多電機按轉子磁場定向的物理模型，將自抗擾控制器應用到多電機同步控制中。利用擴張狀態觀測器統一觀測系統的擾動，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子轉速和皮帶張力的解耦控制。

1 多電機同步運行的數學模型

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的轉速，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、電機轉子極對數、半徑和速比;T為張力變化時間常數;K為傳遞系數。

2 多電機同步運行的轉速模型分析

三電機同步系統中，當變頻器運行于矢量控制時，按轉子磁鏈Ψr定向的同步旋轉正交M、T坐標系下的簡化模型［4］:

式中:ωr為轉子角轉速;Ψr為轉子磁鏈;ω為電機同步旋轉角轉速;p為極對數;J為轉動慣量;TL為負載轉矩;Tr為電機時間常數;Lr為轉子電感;Lm為轉子和定子互感。

由簡化模型可知，電機的磁通子系統僅取決于定子電流，而Ψr不變，則系統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，只需實現轉速張力子系統的解耦，則系統模型可進一步簡化［5］:

3 多電機自抗擾控制系統設計

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

圖2 三電機自抗擾控制結構圖

3.1 一階ADRC的設計

自抗擾控制器(圖3)是基于跟蹤微分器(TD)來安排過渡過程、擴張狀態觀測器(ESO)估計系統狀態、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 自抗擾控制器結構

本文設計了一個基于一階ADRC控制器按轉子磁鏈定向的矢量控制異步電動機調速系統。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z2統一觀測補償，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調節代替非線性誤差反饋，同時省略TD環節，則可得到結構簡化的一階ADRC模型。如果再適當提高反饋增益，則同樣可以實現較好的控制性能。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;b0為補償因子。試驗中系統速度的采樣周期 h=0.1 s，取20。實驗中通過整定 kp、b0來調整系統的控制性能。

4 多電機同步運行的實驗結果

4.1 硬件組成

三電機同步控制系統硬件連接示意圖如圖6所示，系統采用WinCC作為上位機創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行三電機調速，采用OPC技術實時采集系統速度和張力數據。

圖6 多電機同步系統結構框圖

4.2 試驗結果對比研究

4.2.1 抗擾性能研究

變頻器設定為矢量控制方式。圖7(a)為PID控制下在對系統突減和突加負載系統響應，圖7(b)為ADRC控制下在對系統突減和突加負載系統響應對比圖。可以看出，ADRC控制下系統的魯棒性和抗干擾性優于PID控制。

圖7 突減/突加負載系統響應曲線

4.2.2 解耦性能研究

圖8和圖9分別為PID控制、神經元解耦RBF網絡自整定PID控制(筆者將文獻［6］的方法推廣到三電機系統中)和ADRC控制時的多電機系統速度和張力的實驗波形。圖8(a)中，由于電機速度給定變化，系統輸出張力波形出現較大的尖峰抖動誤差;而在圖8(b)、圖8(c)中，系統輸出張力波形僅出現微小的抖動誤差，但圖8(c)中的系統動態響應速度明顯快于圖8(b)。圖9(a)中，由于兩張力同時突加，電機輸出速度出現一定的抖動誤差;而在圖9(b)、圖9(c)中，當兩張力同時突加，電機輸出速度幾乎不變，同樣的是，圖9(c)中的系統動態響應速度明顯快于圖8(c)。

由此可見，采用自抗擾控制器時，系統速度和張力解耦效果較好，且具有較快的響應速度和較高的穩態精度。

5 結 語

本文提出了一種新的基于一階自抗干擾的控制技術應用于復雜三交流電動機同步控制系統中，實現了對系統行之有效的控制，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用［J］.控制與決策，1998，13(1):19－23.

［2］劉星橋，趙亮，陳沖.基于神經網絡控制的三電機同步系統［J］.江蘇大學學報(自然科學版)，2009，30(6):596－600.

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

［4］劉國海，康梅，尤德同，等.兩電機同步系統的神經網絡逆控制［J］.江蘇大學學報(自然科學版)，2006，27(1):67－70.

［5］戴先中，劉國海，張興華.交流傳動神經網絡逆控制［M］.北京:機械工業出版社，2007.

［6］趙亮，劉星橋，陳沖，等.基于神經元解耦RBF網絡多電機系統參數 PID 控制［J］.電氣傳動，2009，39(1):59－62.