基于pi自适应的负载力矩观测器的研究

基于pi自适应的负载力矩观测器的研究

1负载建模方法直驱速体系采用双重旋转电流环，具有良好的电机性能，适合在大面积内平滑复位，因此在许多需要速度或快速逆转的能源扰动领域得到了广泛应用。但是为了满足连轧机较高的抗干扰指标要求，需要利用复合控制原理，引入前馈控制，以减少动态速降，缩短恢复时间，改善动态性能以满足系统性能要求。采用前馈控制来改善系统动态特性的前提条件是系统负载力矩的可观测性，这就涉及到负载力矩观测器的设计。一般来说，设计负载力矩观测器主要有按运动方程推算、状态观测器设计及PI自适应3种方法。其中状态观测器设计方法如果只考虑转速变化，则得出的结果和用运动方程推导结果是一致的。因此，本文主要研究按电机模型推算和PI自适应两种方法设计负载力矩观测器，采用Matlab/Simulink进行了仿真，对比其观测结果以及分析参数变化对两种负载力矩观测器的影响。并进一步研究了分别带有两种不同观测器的闭环调速系统中，转速调节器采用不同控制规律时对速度调节的作用。2观测器的组成原理2.1电机反电动势由感应电势方程E=Ce*n电磁转矩方程Te=Cm*Id通常转速和电流检测信号均有滤波环节，假定滤波常数同为τ0,整理可得IdL=1τ0s+1(Id+τ0Tm′n）-τ0Tm′·n（其中Tm′=Tm·RCe）(6)Ce为额定磁通下的电动势系数；Cm为额定磁通下的转矩系数；Tm为机电时间常数：Te为电磁转矩；TL为负载转矩；id为电枢电流；τ0为滤波时间常数；n为电机转速；E为电动机反电动势；IdL为与负载转矩TL对应的负载电流，构成如图1所示结构的负载力矩（电流）观测器。2.2扰动负载仿真观测量的确定如图2所示为用PI自适应方法构成的负载转矩观测器原理。其中为观测器理想电机转速；为负载力矩观测值；KB1为自适应规律中比例放大倍数；TB2为自适应规律中积分时间常数。这是一个二阶系统，其中ζ为阻尼比，Td为观测器等效时间常数。当扰动力矩电流作用于实际电机轴上，引起电机转速下降，则出现偏差，PI调节器对此偏差起作用，使跟随n变化。经PI调节器的积分环节的输出即为扰动负载仿真观测量。将此观测量前馈至电流给定环节，平衡负载扰动转矩，使电机转速回升。同时，对象模型的转速n赞也在动态转矩的作用下回升，直到回到扰动前的状态。3晶闸管装置总电阻某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，下面给出基本数据。直流电动机：220V,136A,1460r/min,Ce=0.132V*min/r，允许过载倍数λ=1.5;晶闸管装置放大系数：Ks=40；电枢回路总电阻：R=0.5Ω；时间常数：Tl=0.03s,Tm=0.18s;电流反馈系数β=0.05V/A（≈10V/1.5IN）；转速反馈系数α=0.007V*min/r（≈10V/nN）。3.1观测结果与分析根据调节器的工程设计方法，依据要求计算出直流调速系统中各参数，系统在0秒时带68A负载电流启动，到达2秒时再叠加一个68A的负载电流信号。得到如图3、4所示的仿真模型。此仿真中，τ0=2ms此仿真中，观测器等效时间常数Td为2ms仿真所加负载电流信号与两种负载观测器的观测结果如图5所示。从观测波形上看，两种方法观测电流的上升时间均为10ms，恢复时间均为210ms。观测的稳态值与实际负载电流值相同。仿真研究表明，在这两种方法中，滤波时间常数τ0和观测器等效时间常数Td相同，且比机电时间常数Tm约小两个数量级时，它们的负载电流观测性能基本相同。3.2观测器性能对比从观测模型的推导和原理图中可知，电机的机电时间常数Tm对两种观测器的性能均有影响。此外，滤波时间常数τ0会影响用动态方程推算方法建立的观测器的性能，观测器等效时间常数也会影响到用PI自适应方法建立的观测器的负载检测性能。3.2.1转速对负载电流观测结果的影响在这两种观测器部分，都涉及到了电机的机电时间常数。但是此参数的取值并不一定完全和实际值相同。当时间常数Tm取值是实际值的90%时的负载电流观测结果如图6所示。从图6可以看出，在电机调速的动态过程中，观测器不能正确反映负载电流变化。由式（3）可以解释其原因：在电机起动过程中，由于模型电机中的Tm和实际值不相同，在转速的变化率较大时，造成了负载电流观测值偏大。而在突加负载过程中，由于转速变化率较小，所以观测到的负载电流比较准确。而当系统达到稳态后，由于转速的微分项为0，此时，即使Tm不准确，也不会再影响观测结果准确性。也就是说，机电时间常数取值的误差不会影响稳态时的负载电流观测值，但是在动态过程中会引入观测误差。3.2.2等效基于常数的影响如图7所示为滤波时间常数和观测器等效时间常数变化时的负载电流观测波形。从观测波形可以看出，滤波时间常数τ0或观测器的等效时间常数Td越大，越有利于抑制尖峰，但是响应也会相应变慢。当τ0和Td相同，且和机电时间常数Tm相当时，响应过慢，且自适应方法明显慢于推导法。3.3采用两种负载矩阵观测器的前效控制中评价装置对结果的影响(1）wclis的等效传递函数如图8所示为带前馈补偿的直流双闭环调速系统动态结构图。Un*为转速环的给定电压；α为转速反馈系数；WASR(s）为转速调节器的传递函数；Wcli(s）为电流内环闭环等效传递函数；W(s）为电机的等效传递函数；G(s）为前馈环节。若要引入前馈后的系统和原系统等效，则要求。由于Wcli(s）可以等效为一个小时间常数的惯性环节，即（β为电流反馈系数；1/K1为电流环等效时间常数），所以实际应用中构成G(s）的形式为，其中是小时间常数的惯性环节。这里α取0.05。若α取值太小，系统会发生振荡。(2）转速控制器仿真带不同负载力矩观测器的直流调速系统，转速调节器分别采用P和PI控制规律的转速如图9所示：从仿真结果中可以看出，转速调节器采用P调节器，上升时间和恢复时间以及动态速均与采用PI调节器无大差异，但前者的超调量却小很多，在放大倍数适当的情况下，可以实现无超调，且在前馈基本上补偿电流扰动的情况下，不会造成系统稳态静差。4等效时间常数误差从仿真结果看出，两种方法设计的观测器都可正确观测出负载力矩（电流），且当动态方程推算方法模型中的滤波时间常数和PI自适应方法的观测器等效时间常数相等且和机电时间常数相比较小（约小一至二个数量级）时，两种观测器的观测性能基本相同。机电时间常数误差不