基于擾動觀測器的他勵直流電機調速系統

李全棒，惠運東

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基于擾動觀測器的他勵直流電機調速系統

李全棒，惠運東

（東南大學，江蘇 南京 210009）

冷軋管的生產過程中，負載轉矩會發生周期性的波動，針對該問題，提出一種新的復合控制方法。通過結合冷軋管機的電機結構，將擾動觀測器與雙閉環控制相結合，從而提高了系統的動態性能。理論分析與實驗仿真表明，這種復合控制方式優于原有的PID控制，可以有效地提高系統的抗擾動性能。

擾動觀測器；雙閉環；PID；復合控制

在冷軋管的生產過程中，電機的負載轉矩會發生周期性的波動，如何降低軋機動態速降，并能縮短其恢復時間，這是冷軋管機在軋制鋼管的生產過程中的重要問題。在原有的工業生產過程中，PID控制器存在抗擾動性能差、動態性能差的問題。

針對這些問題，結合冷軋管機中電機的數學模型，本文將雙閉環控制[1]與擾動觀測器相結合。經仿真驗證，該策略可以有效地提高系統的動態性能與抗擾動性能，提高軋機的生產效率。

1 軋機生產過程中的傳動力矩

軋機生產過程中，電機端的轉矩有負載轉矩和軋機空載轉矩[1]，軋機空載轉矩即在冷軋管機的工作過程中，曲柄驅動軋機機架作往返運動，帶動曲柄的轉輪每旋轉360°，軋機機架做一次往返運動。當軋管加載到軋輥上，此時軋機機架開始做正向運動，負載轉矩逐步上升到最大值，并保持不變。當管材軋制結束完畢，扎好的管材也剛好送出，軋機機架開始做反向運動，此時負載轉矩也變為0.

空載轉矩主要包含附加摩擦力矩、空轉力矩和動力矩。附加摩擦力為克服軋制時軋輥軸承，傳動機構等摩擦所需要的力矩?？辙D力矩為克服軋制時軋輥軸承，傳動機構等空轉所需要的力矩。動力矩為克服軋輥在不均勻轉動時所產生的慣性所需力矩，與電機的轉速角加速度有關，電機的加速度越大，則動力矩的數值越大。因此一般情況下，在電機起動時動力矩較大，等到電機的速度平穩下來，動力矩為0.一般而言，軋機在啟動過程中，動力力矩最大，大約為空載轉矩的10倍左右，而在軋制鋼材時，軋機的動力力矩大約為空載轉矩的3～4倍左右。

2 基于擾動觀測器的雙閉環調速系統

2.1 雙閉環反饋控制

工業生產使用中的冷軋管機多為他勵直流電機。他勵直流電機主要有三種調速方式：調節電樞電壓調速、調節電樞回路電阻調速、弱磁升速。對于要求在一定范圍內無極平滑調速的系統來說，調壓調速的方式最佳。對于冷軋管機中的直流電機，采用調壓調速可以獲得很寬的調速范圍，并可以在調速范圍內的任何轉速上運行，調速時的損耗小，運行效率比較高，同時便于實現電機的控制算法，滿足工藝要求。由上所述，調節直流電機的電樞電壓可以調節轉速，同時也便于直流電機控制方案的實現[2]。在實際應用中，廣泛采用電流-轉速雙閉環反饋控制方案[1]，與單閉環反饋調節相比，雙閉環反饋控制不僅繼承了單閉環結構簡單、工作可靠等優點，同時動態性能更好。

在雙閉環直流調速系統中，內環采用電流控制，外環采用速度控制。轉速調節器的輸出作為電流調節器的輸入，電流調節器的輸出控制電力電子變換器（即晶閘管移相觸發角）。轉速環為外環，是主控制環，調節電動機的轉速。轉速調節器ASR的主要工作是使轉速能夠跟隨給定電壓變化，并且能保證穩態無靜差，同時對負載轉矩的變化有抗擾動的作用。

2.2 擾動觀測器原理

擾動觀測器的基本原理是將外部干擾以及參數模型的變化造成的實際對象模型與名義模型的不確定干擾等效到控制輸入端，在控制端對擾動進行補償，以消除干擾對系統的影響，達到抑制擾動的效果[3]。一般情況下，被控系統的傳遞函數為嚴格真有理分式（即分母的階數比分子的階數高），因此參考模型的逆是物理上無法實現的。為了解決上述問題，需要在觀測值的后面加上低通濾波器[3]。

在低通濾波器的低頻區域，系統模型與參考模型近似相等，同時對干擾具有較強的抑制能力，在低通濾波器的高頻領域，高頻噪聲對系統近乎沒有作用，而一般噪聲都是高頻噪聲，所以，對擾動觀測器的影響不大，因此，擾動觀測器可以有效抑制擾動，可以在雙閉環控制中引入擾動觀測器，這樣可以有效地抑制在生產過程中負載轉矩的周期性變化。

2.3 引入擾動觀測器的速度環調速系統

在冷軋管機軋制冷軋管的瞬間，相當于對軋機施加了一個階躍擾動，此時負載轉矩會大于電機的電磁轉矩，轉矩平衡關系被打破，電機轉速下降。電機轉速的下降進一步引起電機感應電動勢的下降，引發電機電流的提高，電機電流與磁場作用下的電磁轉矩增加，電磁轉矩與負載轉矩形成新的平衡，電機轉速停止下降。同理，在冷軋管機離開鋼管的瞬間，軋機又從滿負荷負載狀態轉換到空載狀態，電機轉速又會經歷一個動態升高的過程。電機轉速動態速降過大，需要引入擾動觀測器來改善電機的控制。

2.3.1 雙閉環控制系統電流環的結構分析

對于直流電機模型而言，電流變化很大，而轉速相對而言變化較小。反電動勢對電流環的干擾比較緩慢，當電流突然變化時，可以認為Δ=0；這樣依據動態性能來設計電流環時，可以忽略反電動勢的變化。不考慮電機電樞反電動勢，對電流環干擾條件。電流環一般采用PI調節器，通過調節PI參數，可以使得電流環的傳遞函數為一個一階慣性環節，相比于速度環，電流環的響應時間一般要遠遠短于速度環的響應時間[4]，因此，在進行速度環的分析時，可以將電流環等效成理想的比例環節。

2.3.2 雙閉環控制系統速度環的結構分析

由以上分析可知，電流環為等效的比例環節，同時，因為速度環的響應速度遠短于電流環的響應速度，因此，不考慮直流電機模型中，速度環生成的反電勢對電流環的作用?；跀_動觀測器的原理，結合直流電機的數學模型，引入擾動觀測器后，設計后的速度環的結構如圖1所示。

圖1 基于擾動觀測器的速度環結構圖

在該控制方案中，假定實際系統與目標系統的模型一致。單獨進行速度環的PI控制調節，通過調節ASR控制器的PI參數，使得PI調節的效果達到最優。然后考慮擾動的影響，通過調節（）濾波環節的參數，來提高系統抗擾動能力，獲得更好的控制效果。

3 仿真分析

在理想條件下，假定模型參數與實際模型一致，比較雙閉環條件下與雙閉環+擾動觀測器下系統的仿真波形如圖2所示。

圖2 抗擾響應

由圖2可知，PI控制器與PI+DOB均有超調，但PI+DOB控制器的超調較小。調節時間方面，PI+DOB控制器的調節時間短于PI控制器的調節時間。對于系統的抗擾動能力而言，由圖2可看出，PI+DOB控制器的抗擾動性能要明顯高于PI控制器。

4 結束語

該文針對工業生產過程中的外部擾動，提出了基于擾動觀測器的雙閉環PI控制策略。將擾動觀測器的控制策略與冷軋管的物理模型結合，提高了系統的動態性能和抗擾動性能。仿真結果表明，該策略可以有效提高工業生產過程中的控制效果。

［1］張厚升，李素玲.基于Matlab的雙閉環直流調速系統設計與仿真分析［J］.山東理工大學學報，2013，27（04）：50-53.

［2］Bequette B W. Process control：modeling，design，and simulation［M］.New Jersey：Prentice Hall，2003.

［3］胡曉冤.基于擾動觀測器的內?？刂圃诠I過程中的應用研究［J］.工業儀表與自動化裝置，2011（01）：23-25.

［4］許彥卿.基于擾動觀測器的永磁同步電機調速系統控制［D］.南京：東南大學，2016.

2095－6835（2019）07－0088－02

TM33

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10.15913/j.cnki.kjycx.2019.07.088

李全棒（1992—），男，研究方向為控制科學與工程?；葸\東（1993—），男，研究方向為控制工程。

〔編輯：張思楠〕