系統(tǒng)的閉環(huán)控制

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1、第6章系統(tǒng)的閉環(huán)控制 第6章系統(tǒng)的閉環(huán)控制6.4.1直接計算法6.4.2模型參考自適應(yīng)法6.4.3觀測器6.4.4其他方法6.5數(shù)字濾波器在磁鏈觀測中的應(yīng)用6.5.1有限沖擊響應(yīng)濾波器的工作原理6.5.2使用有限沖擊響應(yīng)數(shù)字濾波器的定子磁鏈觀測器6.5.3有限沖擊響應(yīng)數(shù)字濾波器的效果6.6矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制的魯棒性分析6.6.1關(guān)于魯棒性的簡單說明6.6.2變頻調(diào)速系統(tǒng)的魯棒性分析 6.6.3速度傳感器對控制系統(tǒng)魯棒性的影響 第6章系統(tǒng)的閉環(huán)控制6.7矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制試驗比較6.7.1試驗條件6.7.2試驗系統(tǒng)平臺6.7.3試驗原理分析6.7.4試驗內(nèi)容與結(jié)果分析 6.1異步電機動態(tài)

2、數(shù)學(xué)模型異步電機是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統(tǒng)。 6.1.1基本假設(shè)與物理模型1)忽略磁路飽和，認為磁動勢、磁通、各繞組的自感和互感都是線性的。2)忽略空間諧波，定子繞組A、B、C及轉(zhuǎn)子繞組a、b、c在空間對稱分布，且認為磁動勢和磁通等在空間上都是正弦變化的。3)忽略鐵心損耗。4)繞組電阻為常數(shù)，不考慮頻率和溫度變化對繞組電阻的影響。 圖6-1三相異步電機的物理模型(加坐標) 6.1.2動態(tài)數(shù)學(xué)模型 (1)定子電壓積分模型法這種方法在電機的定子電壓、電流測量值(如Uab,Ucb,ia,ic等)的基礎(chǔ)上，僅僅需要知道電機的定子電阻即可得到定子磁鏈的觀測值，而定子電阻可以容易的離線測得，因

3、此該方法容易實現(xiàn)。(2)電流模型法即通過定轉(zhuǎn)子電流值和部分電機參數(shù)計算定子磁鏈的幅值和相位。(3)狀態(tài)觀測器法即通過設(shè)計全階或降階的狀態(tài)觀測器來觀測磁鏈。 6.2矢量控制針對三相異步電機的矢量控制基本原理，即為將三相對稱的定子交流繞組等效為轉(zhuǎn)子邊兩相正交的直流繞組，其中一個直流繞組的軸線與轉(zhuǎn)子磁鏈方向重合，稱為虛擬勵磁繞組，其中的電流分量為勵磁電流分量；另一個繞組與轉(zhuǎn)子磁鏈方向垂直，稱為虛擬轉(zhuǎn)矩繞組，其中的電流分量為轉(zhuǎn)矩電流分量。通過控制定子電流在旋轉(zhuǎn)坐標系的位置和大小，就可控制勵磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量的大小，從而使異步電機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩的控制就像直流電機那樣實現(xiàn)解耦控制。 6.2.1矢量控制

4、的基本原理矢量控制也稱為磁鏈定向控制，本質(zhì)是實施勵磁分量與轉(zhuǎn)矩分量的解耦，其關(guān)鍵在于坐標變換。根據(jù)所選取的定向磁鏈不同，可分為轉(zhuǎn)子磁鏈定向、氣隙磁鏈定向和定子磁鏈定向等幾種。從理論上講，由于所控制的磁鏈不同，則三者的差別在于對磁鏈測量和計算有所不同。 6.2.2矢量控制系統(tǒng)的類型1.直接型矢量控制2.間接型矢量控制 1.直接型矢量控制 圖6-2直接型矢量控制框圖ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ATR轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器AR磁鏈調(diào)節(jié)器 2.間接型矢量控制 圖6-3間接型矢量控制框圖 6.2.3磁通觀測器1.電壓模型2.電流模型3.閉環(huán)觀測模型 1.電壓模型 圖6-4電壓模型 2.電流模型 圖6-5電流模型(靜止坐標) 3

5、.閉環(huán)觀測模型前面介紹的方法都是開環(huán)的磁鏈觀測模型，由于沒有引入誤差校正項，磁鏈觀測的精度對參數(shù)變化和測量誤差等影響十分敏感。更有效的方式是采用觀測器的方法，如Luenberger觀測器，擴展卡爾曼濾波或滑模觀測器等現(xiàn)代控制理論中的觀測器理論。限于篇幅這里不再詳細介紹。 6.3直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)的基本思想就是避開電機轉(zhuǎn)子參數(shù)及轉(zhuǎn)子磁鏈，直接通過量測到的定子電壓和電流計算出定子繞組上的磁鏈和相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩，而對交流電機轉(zhuǎn)矩進行直接控制。由于所有運算及其控制都在定子坐標系下進行，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，控制效果不受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響。下面首先分析電壓與轉(zhuǎn)矩和磁通之間的關(guān)系。 6.3.1直接轉(zhuǎn)矩控

6、制的基本原理1.磁通控制原理2.電磁轉(zhuǎn)矩控制原理 1.磁通控制原理 圖6-6定子電壓與定子磁鏈及其增量的關(guān)系 2.電磁轉(zhuǎn)矩控制原理表明在定子磁鏈矢量的作用下，轉(zhuǎn)子磁鏈矢量的動態(tài)響應(yīng)具有一階滯后特性。當定子磁鏈矢量發(fā)生變化時，轉(zhuǎn)子磁鏈矢量的變化總是要滯后于定子磁鏈矢量的變化，在短暫的時間增量內(nèi)，可以認為轉(zhuǎn)子磁鏈矢量基本不變。直接轉(zhuǎn)矩控制就是檢測定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的變化，通過施加不同的定子電壓矢量使定子磁鏈快速變化，同時改變定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈的夾角，從而達到控制轉(zhuǎn)矩的目的。 6.3.2基本直接轉(zhuǎn)矩控制 圖6-7轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈砰-砰控制的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng) 6.3.2基本直接轉(zhuǎn)矩控制 圖6-8轉(zhuǎn)矩和磁鏈滯

7、環(huán)比較器 6.3.2基本直接轉(zhuǎn)矩控制表6-1開關(guān)選擇表 6.3.3磁鏈觀測1.基本開環(huán)磁鏈觀測方法2.u-i模型的改進3.閉環(huán)觀測模型 1.基本開環(huán)磁鏈觀測方法1)綜合了u-i模型和i-模型的優(yōu)點，又很自然的解決了切換問題。2)引入了PI電流調(diào)節(jié)器，提高了觀測模型的仿真精度，減少了定子電阻偏差所產(chǎn)生的觀測誤差，但需適當選擇PI調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)。3)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實現(xiàn)起來相對困難。 1.基本開環(huán)磁鏈觀測方法 圖6-9u-模型算法 2.u-i模型的改進 圖6-10改進型u-i模型框圖 3.閉環(huán)觀測模型除上述方法外，還可以建立系統(tǒng)的全階觀測器，應(yīng)用現(xiàn)代控制理論中的觀測器方法來觀測磁鏈、轉(zhuǎn)速，包括電機參數(shù)

8、的在線辨識，鑒于篇幅的限制，本節(jié)不作一一介紹。 6.4無速度傳感器控制無速度傳感器技術(shù)由于不需要昂貴的速度碼盤，省卻了機械安裝，降低了成本，能夠適應(yīng)惡劣環(huán)境，提高了系統(tǒng)的可靠性，從而獲得了較大的進展并已經(jīng)運用到高性能閉環(huán)電機控制中。 6.4.1直接計算法直接計算法是基于電機動態(tài)模型的Park方程的一種開環(huán)計算方法，理論上無延時，但對參數(shù)的依賴性較強，需要準確的磁鏈觀測和電機參數(shù)，而且計算中會引入微分噪聲，抗干擾能力較差。對于異步電機，轉(zhuǎn)速在同步轉(zhuǎn)速上減去轉(zhuǎn)差角速度即可。 6.4.2模型參考自適應(yīng)法 圖6-11以電壓模型為參考模型的MRAS結(jié)構(gòu) 6.4.2模型參考自適應(yīng)法 圖6-12基于反電動勢

9、的MRAS結(jié)構(gòu) 6.4.2模型參考自適應(yīng)法 圖6-13基于無功功率的MRAS結(jié)構(gòu) 6.4.3觀測器 圖6-14全階觀測器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 6.4.3觀測器 圖6-15全階狀態(tài)觀測器的結(jié)構(gòu)圖 6.4.4其他方法1.卡爾曼濾波法2.轉(zhuǎn)子齒諧波方法3.智能控制法 1.卡爾曼濾波法它是在2 0世紀6 0年代初提出的一種最小方差意義上的最優(yōu)預(yù)測估計的方法，其突出特點是可以有效地削弱隨機干擾和測量噪聲的影響。擴展卡爾曼濾波算法則是線性卡爾曼濾波器在非線性系統(tǒng)中的推廣應(yīng)用。如果將電機轉(zhuǎn)速也看作一個狀態(tài)變量，而考慮電機的五階非線性模型，在每一步估計時都重新將模型在該點線性化，再沿用線性卡爾曼濾波器的遞推公式進行估

10、計。擴展卡爾曼濾波法提供了一種迭代形式的非線性估計方法，避免了對測量的微分計算，而且可以通過對誤差協(xié)方差陣的選擇來調(diào)節(jié)狀態(tài)收斂的速度。 2.轉(zhuǎn)子齒諧波方法為了克服速度估計中對電機參數(shù)的依賴性，可利用定子電流信號中與轉(zhuǎn)速相關(guān)的頻率成分來分析轉(zhuǎn)速。早期利用轉(zhuǎn)子齒諧波電動勢計算轉(zhuǎn)差頻率，但只能在較高控制頻率下有效。由于高速DSP芯片和硬件FFT芯片的出現(xiàn)才使這一方法有了充分的展示。利用轉(zhuǎn)子齒諧波的改進方法可以在穩(wěn)態(tài)下對大范圍的速度進行測量計算。 3.智能控制法神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)和模糊控制由于其非線性和對數(shù)學(xué)模型依賴性不強的特點，都被用到速度辨識中并且呈現(xiàn)出良好的性能。如利用基于反向通道技術(shù)的兩層神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)技

11、術(shù)估算異步電機的轉(zhuǎn)速，將神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型的輸出與電機的實際值進行比較，并利用兩者之間的偏差反向調(diào)節(jié)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的權(quán)，最終使轉(zhuǎn)速估計值跟蹤轉(zhuǎn)速的真實值。 6.5數(shù)字濾波器在磁鏈觀測中的應(yīng)用從前面的章節(jié)分析可以知道，在異步電機高性能閉環(huán)控制中，通常由電壓積分模型法得到磁鏈，由于觀測值中直流和低頻分量的存在，低速時無法精確獲得磁鏈，從而惡化了系統(tǒng)的低速性能。為改善高性能控制下的電機低速性能，一般的做法是在定子磁鏈觀測值后加一個數(shù)字濾波器。本節(jié)介紹有限沖擊響應(yīng)數(shù)字濾波器與電壓積分模型法相結(jié)合的方法，給出混合型定子磁鏈觀測器原理結(jié)構(gòu)及實施方法。 6.5.1有限沖擊響應(yīng)濾波器的工作原理該系統(tǒng)的相移與頻率成正比

12、。當一組離散信號序列x(n)通過此系統(tǒng)時，其輸出序列為y(n)。輸出信號y(n)僅僅相當于輸入信號x(n)在時間上的移位，故可以實現(xiàn)信號的無失真?zhèn)鬏敗?6.5.2使用有限沖擊響應(yīng)數(shù)字濾波器的定子磁鏈觀測器消除諧波和直流分量，首先考慮設(shè)計理想低通濾波器h(n)，使其在通帶內(nèi)滿足線性相位，阻帶內(nèi)幅頻響應(yīng)為0。顯然，它是一個無限長非因果系統(tǒng)，為得到物理上可實現(xiàn)且幅頻、相頻響應(yīng)與理想濾波器h(n)類似。 6.5.3有限沖擊響應(yīng)數(shù)字濾波器的效果1)能夠較為精確地觀測異步電機低速運轉(zhuǎn)時的定子磁鏈值。2)采用該方法可以精確地測量不同頻率運行和不同負載情況下電機的電磁轉(zhuǎn)矩，此轉(zhuǎn)矩測量值可以用于觀測不同變頻器下

13、的電機轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，從而可以比較不同變頻器的性能。3)將該方法用于直接轉(zhuǎn)矩控制之中，可以有效改善電機的低速性能。 6.5.3有限沖擊響應(yīng)數(shù)字濾波器的效果 圖6-1650Hz電機定子磁鏈觀測效果 6.5.3有限沖擊響應(yīng)數(shù)字濾波器的效果 圖6-171Hz電機定子磁鏈觀測效果 6.5.3有限沖擊響應(yīng)數(shù)字濾波器的效果 圖6-181Hz下的電磁轉(zhuǎn)矩計算 6.6矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制的魯棒性分析控制系統(tǒng)的魯棒性是高性能交流調(diào)速研究中的熱點問題之一。電機控制模型中的建模誤差，以及系統(tǒng)運行中的參數(shù)漂移，諸如電機的定、轉(zhuǎn)子電阻隨著溫度發(fā)生變化，相當于對所研究的控制系統(tǒng)加入了擾動。作為兩種最具代表性的交流變頻調(diào)速控制

14、策略，矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制在魯棒性能上各具特色。 6.6.1關(guān)于魯棒性的簡單說明魯棒性能是衡量控制系統(tǒng)性能優(yōu)劣的一個重要指標。這其中又分為內(nèi)部魯棒性和外部魯棒性，前者主要著眼于系統(tǒng)建模誤差和控制器的參數(shù)變化，后者則更側(cè)重于抗外界信號干擾的能力。對于變頻調(diào)速系統(tǒng)而言，其魯棒性不僅僅局限于抗外界的EMI(Electromagnetic Interference)能力上，還與其在控制策略中所采用的系統(tǒng)參數(shù)及其受擾動程度有關(guān)。 6.6.2變頻調(diào)速系統(tǒng)的魯棒性分析很明顯，對于RFOC系統(tǒng)而言，磁鏈觀測、轉(zhuǎn)速觀測、轉(zhuǎn)矩計算等均不可避免地用到轉(zhuǎn)子側(cè)參數(shù)，其各計算量的計算精度都要不同程度地受到轉(zhuǎn)子側(cè)參數(shù)的影

15、響。 6.6.3速度傳感器對控制系統(tǒng)魯棒性的影響電力電子與電機集成系統(tǒng)中，不同控制策略對速度傳感器(碼盤)的依賴性，也是非常重要的一個方面。事實上，對于RFOC系統(tǒng)，一個高精度的碼盤意味著由的觀測而引入的偏差可以忽略不計。 6.7矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制試驗比較本節(jié)從試驗的角度比較矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制各自的特點及其優(yōu)缺點。本節(jié)涉及到的部分理論分析內(nèi)容在前面的章節(jié)中已經(jīng)給出，不再重復(fù)。 6.7.1試驗條件1)分別利用兩典型的矢量控制通用變頻器(15kW，稱為“VC變頻器”)和直接轉(zhuǎn)矩控制通用變頻器(15kW，稱為“DTC變頻器”)作為試驗樣機。2)雖然兩個變頻器是被考察控制方法的主要載體，但在此

16、試驗中，主要的試驗數(shù)據(jù)都是從同一臺異步電機上測取，選擇的試驗比較指標(比如，電壓電流畸變率、電磁轉(zhuǎn)矩等)都是從該電機的輸入端測取的。3)在試驗原始數(shù)據(jù)測取的過程中，充分考慮了試驗環(huán)境和條件的相同性(比如，環(huán)境溫度、電機起始溫度、錄波儀采樣率等)。4)由于某些指標的特殊性和試驗條件所限，這些指標不是一次測取，而是由經(jīng)過幾次測取的原始數(shù)據(jù)計算得到。 6.7.2試驗系統(tǒng)平臺 圖6-19對比試驗測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 6.7.3試驗原理分析1.異步電機的坐標變換2.異步電機的定子磁鏈計算3.異步電機的電磁轉(zhuǎn)矩計算4.異步電機的輸入功率計算5.異步電機的功率因數(shù)和系統(tǒng)效率計算6.異步電機輸入電壓、電流的畸變

17、率計算7.直流發(fā)電機的特性分析8.低速時異步電機定子磁鏈觀測的數(shù)值分析 6.7.4試驗內(nèi)容與結(jié)果分析1.穩(wěn)態(tài)試驗2.轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)試驗3.魯棒性試驗 1.穩(wěn)態(tài)試驗 圖6-20不同頻率電磁轉(zhuǎn)矩穩(wěn)態(tài)紋波系數(shù) 1.穩(wěn)態(tài)試驗 圖6-21不同頻率下VC電磁轉(zhuǎn)矩穩(wěn)態(tài)紋波系數(shù) 1.穩(wěn)態(tài)試驗 圖6-22不同頻率下DTC電磁轉(zhuǎn)矩穩(wěn)態(tài)紋波系數(shù) 1.穩(wěn)態(tài)試驗 圖6-23帶碼盤時50Hz時的穩(wěn)態(tài)性能 2.轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)試驗 圖6-24轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)試驗電磁轉(zhuǎn)矩波形仿真 2.轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)試驗 圖6-25轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時間(帶碼盤) 2.轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)試驗 圖6-26VC轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時間 2.轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)試驗 圖6-27DTC轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時間 3.魯棒性試驗 圖6-28帶碼盤時50Hz魯棒性試驗的穩(wěn)態(tài)性能 3.魯棒性試驗 圖6-29帶碼盤時不同頻率下魯棒性試驗中異步電機電磁轉(zhuǎn)矩穩(wěn)態(tài)紋波系數(shù) 3.魯棒性試驗 圖6-30不同頻率下VC魯棒性試驗中異步電機電磁轉(zhuǎn)矩穩(wěn)態(tài)紋波系數(shù) 3.魯棒性試驗 圖6-31不同頻率下DTC魯棒性試驗中異步電機電磁轉(zhuǎn)矩穩(wěn)態(tài)紋波系數(shù) 3.魯棒性試驗 圖6-32不同頻率下VC魯棒性試驗中異步電機轉(zhuǎn)速紋波系數(shù)比較 3.魯棒性試驗 圖6-33不同頻率下DTC魯棒性試驗中異步電機轉(zhuǎn)速紋波系數(shù)比較