《系統(tǒng)的閉環(huán)控制》PPT課件.pptx

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1、第6章系統(tǒng)的閉環(huán)控制6.1異步電機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型6.1.1基本假設(shè)與物理模型6.1.2動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型 6.2矢量控制6.2.1矢量控制的基本原理6.2.2矢量控制系統(tǒng)的類型6.2.3磁通觀測(cè)器6.3直接轉(zhuǎn)矩控制6.3.1直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理6.3.2基本直接轉(zhuǎn)矩控制6.3.3磁鏈觀測(cè) 6.4無速度傳感器控制 第6章系統(tǒng)的閉環(huán)控制6.4.1直接計(jì)算法6.4.2模型參考自適應(yīng)法6.4.3觀測(cè)器6.4.4其他方法6.5數(shù)字濾波器在磁鏈觀測(cè)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(cè)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

2、魯棒性分析6.6.1關(guān)于魯棒性的簡(jiǎn)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(duì)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(yàn)比較6.7.1試驗(yàn)條件6.7.2試驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)6.7.3試驗(yàn)原理分析6.7.4試驗(yàn)內(nèi)容與結(jié)果分析 6.1異步電機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型異步電機(jī)是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)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(rèn)為磁動(dòng)勢(shì)、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(duì)稱分布，且認(rèn)為磁動(dòng)勢(shì)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

3、率和溫度變化對(duì)繞組電阻的影響。 圖6-1三相異步電機(jī)的物理模型(加坐標(biāo)) 6.1.2動(dòng)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(jī)的定子電壓、電流測(cè)量值(如Uab,Ucb,ia,ic等)的基礎(chǔ)上，僅僅需要知道電機(jī)的定子電阻即可得到定子磁鏈的觀測(cè)值，而定子電阻可以容易的離線測(cè)得，因此該方法容易實(shí)現(xiàn)。(2)電流模型法即通過定轉(zhuǎn)子電流值和部分電機(jī)參數(shù)計(jì)算定子磁鏈的幅值和相位。(3)狀態(tài)觀測(cè)器法即通過設(shè)計(jì)全階或降階的狀態(tài)觀測(cè)器來觀測(cè)磁鏈。 6.2矢量控制針對(duì)三相異步電機(jī)的矢量控制基本原理，即為將三相對(duì)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(gè)直流繞組的軸線與轉(zhuǎn)子磁鏈方向重合，稱為虛

4、擬勵(lì)磁繞組，其中的電流分量為勵(lì)磁電流分量；另一個(gè)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(biāo)系的位置和大小，就可控制勵(lì)磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量的大小，從而使異步電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩的控制就像直流電機(jī)那樣實(shí)現(xiàn)解耦控制。 6.2.1矢量控制的基本原理矢量控制也稱為磁鏈定向控制，本質(zhì)是實(shí)施勵(lì)磁分量與轉(zhuǎn)矩分量的解耦，其關(guān)鍵在于坐標(biāo)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(duì)磁鏈測(cè)量和計(jì)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

5、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(cè)器1.電壓模型2.電流模型3.閉環(huán)觀測(cè)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(biāo)) 3.閉環(huán)觀測(cè)模型前面介紹的方法都是開環(huán)的磁鏈觀測(cè)模型，由于沒有引入誤差校正項(xiàng)，磁鏈觀測(cè)的精度對(duì)參數(shù)變化和測(cè)量誤差等影響十分敏感。更有效的方式是采用觀測(cè)器的方法，如Luenberger觀測(cè)器，擴(kuò)展卡爾曼濾波或滑模觀測(cè)器等現(xiàn)代控制理論中的觀測(cè)器理論。限于篇幅這里不再詳細(xì)介紹。 6.3直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)的

6、基本思想就是避開電機(jī)轉(zhuǎn)子參數(shù)及轉(zhuǎn)子磁鏈，直接通過量測(cè)到的定子電壓和電流計(jì)算出定子繞組上的磁鏈和相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩，而對(duì)交流電機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行直接控制。由于所有運(yùn)算及其控制都在定子坐標(biāo)系下進(jìn)行，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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?zhǔn)噶康淖饔孟?，轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康膭?dòng)態(tài)響應(yīng)具有一階滯后特性。當(dāng)定子磁鏈?zhǔn)噶堪l(fā)生變化時(shí)，轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康淖兓偸且獪笥诙ㄗ哟沛準(zhǔn)噶康淖兓?，在短暫的時(shí)間增量內(nèi)，可以認(rèn)為轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶?/p>

7、基本不變。直接轉(zhuǎn)矩控制就是檢測(cè)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(shí)改變定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈的夾角，從而達(dá)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(cè)1.基本開環(huán)磁鏈觀測(cè)方法2.u-i模型的改進(jìn)3.閉環(huán)觀測(cè)模型 1.基本開環(huán)磁鏈觀測(cè)方法1)綜合了u-i模型和i-模型的優(yōu)點(diǎn)，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(cè)模型的仿真精度，減少了定子電阻偏差所產(chǎn)生的觀測(cè)誤差，但

8、需適當(dāng)選擇PI調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)。3)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起來相對(duì)困難。 1.基本開環(huán)磁鏈觀測(cè)方法 圖6-9u-模型算法 2.u-i模型的改進(jìn) 圖6-10改進(jìn)型u-i模型框圖 3.閉環(huán)觀測(cè)模型除上述方法外，還可以建立系統(tǒng)的全階觀測(cè)器，應(yīng)用現(xiàn)代控制理論中的觀測(cè)器方法來觀測(cè)磁鏈、轉(zhuǎn)速，包括電機(jī)參數(shù)的在線辨識(shí)，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(jī)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(jìn)展并已經(jīng)運(yùn)用到高性能閉環(huán)電機(jī)控制中。 6.4.1直接計(jì)算法直接計(jì)算法是基于電機(jī)動(dòng)態(tài)模型的Park方程的一種開環(huán)計(jì)算方法

9、，理論上無延時(shí)，但對(duì)參數(shù)的依賴性較強(qiáng)，需要準(zhǔn)確的磁鏈觀測(cè)和電機(jī)參數(shù)，而且計(jì)算中會(huì)引入微分噪聲，抗干擾能力較差。對(duì)于異步電機(jī)，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(dòng)勢(shì)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(cè)器 圖6-14全階觀測(cè)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 6.4.3觀測(cè)器 圖6-15全階狀態(tài)觀測(cè)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(jì)6 0年代初提出的一種最小方

10、差意義上的最優(yōu)預(yù)測(cè)估計(jì)的方法，其突出特點(diǎn)是可以有效地削弱隨機(jī)干擾和測(cè)量噪聲的影響。擴(kuò)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(jī)轉(zhuǎn)速也看作一個(gè)狀態(tài)變量，而考慮電機(jī)的五階非線性模型，在每一步估計(jì)時(shí)都重新將模型在該點(diǎn)線性化，再沿用線性卡爾曼濾波器的遞推公式進(jìn)行估計(jì)。擴(kuò)展卡爾曼濾波法提供了一種迭代形式的非線性估計(jì)方法，避免了對(duì)測(cè)量的微分計(jì)算，而且可以通過對(duì)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(jì)中對(duì)電機(jī)參數(shù)的依賴性，可利用定子電流信號(hào)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(dòng)勢(shì)計(jì)算轉(zhuǎn)差頻率，但只能在較高控制頻率下有效。由于

11、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(jìn)方法可以在穩(wěn)態(tài)下對(duì)大范圍的速度進(jìn)行測(cè)量計(jì)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(duì)數(shù)學(xué)模型依賴性不強(qiáng)的特點(diǎn)，都被用到速度辨識(shí)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)技術(shù)估算異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，將神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型的輸出與電機(jī)的實(shí)際值進(jìn)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(jì)值跟蹤轉(zhuǎn)速的真實(shí)值。 6.5數(shù)字濾波器在磁鏈觀測(cè)中的應(yīng)用從前面的章節(jié)分析可以知道，在異步電機(jī)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(cè)值中直流和低頻分量的存在，低速時(shí)無法精確

12、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(jī)低速性能，一般的做法是在定子磁鏈觀測(cè)值后加一個(gè)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(cè)器原理結(jié)構(gòu)及實(shí)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。當(dāng)一組離散信號(hào)序列x(n)通過此系統(tǒng)時(shí)，其輸出序列為y(n)。輸出信號(hào)y(n)僅僅相當(dāng)于輸入信號(hào)x(n)在時(shí)間上的移位，故可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(cè)器消除諧波和直流分量，首先考慮設(shè)計(jì)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

13、是一個(gè)無限長非因果系統(tǒng)，為得到物理上可實(shí)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(cè)異步電機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的定子磁鏈值。2)采用該方法可以精確地測(cè)量不同頻率運(yùn)行和不同負(fù)載情況下電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，此轉(zhuǎn)矩測(cè)量值可以用于觀測(cè)不同變頻器下的電機(jī)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(jī)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(jī)定子磁鏈觀測(cè)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(jī)定子磁鏈觀測(cè)效果 6.5.3有限沖擊響應(yīng)數(shù)字濾波器的效果 圖6-

14、181Hz下的電磁轉(zhuǎn)矩計(jì)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(diǎn)問題之一。電機(jī)控制模型中的建模誤差，以及系統(tǒng)運(yùn)行中的參數(shù)漂移，諸如電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子電阻隨著溫度發(fā)生變化，相當(dāng)于對(duì)所研究的控制系統(tǒng)加入了擾動(dòng)。作為兩種最具代表性的交流變頻調(diào)速控制策略，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(jiǎn)單說明魯棒性能是衡量控制系統(tǒng)性能優(yōu)劣的一個(gè)重要指標(biāo)。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(hào)干擾的能力。對(duì)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(Elect

15、romagnetic 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(dòng)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(duì)于RFOC系統(tǒng)而言，磁鏈觀測(cè)、轉(zhuǎn)速觀測(cè)、轉(zhuǎn)矩計(jì)算等均不可避免地用到轉(zhuǎn)子側(cè)參數(shù)，其各計(jì)算量的計(jì)算精度都要不同程度地受到轉(zhuǎn)子側(cè)參數(shù)的影響。 6.6.3速度傳感器對(duì)控制系統(tǒng)魯棒性的影響電力電子與電機(jī)集成系統(tǒng)中，不同控制策略對(duì)速度傳感器(碼盤)的依賴性，也是非常重要的一個(gè)方面。事實(shí)上，對(duì)于RFOC系統(tǒng)，一個(gè)高精度的碼盤意味著由的觀測(cè)而引入的偏差可以忽略不計(jì)。 6.7矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制試驗(yàn)比較本節(jié)從試驗(yàn)的角度比較矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制各自的特點(diǎn)及

16、其優(yōu)缺點(diǎn)。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(yàn)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(yàn)樣機(jī)。2)雖然兩個(gè)變頻器是被考察控制方法的主要載體，但在此試驗(yàn)中，主要的試驗(yàn)數(shù)據(jù)都是從同一臺(tái)異步電機(jī)上測(cè)取，選擇的試驗(yàn)比較指標(biāo)(比如，電壓電流畸變率、電磁轉(zhuǎn)矩等)都是從該電機(jī)的輸入端測(cè)取的。3)在試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)測(cè)取的過程中，充分考慮了試驗(yàn)環(huán)境和條件的相同性(比如，環(huán)境溫度、電機(jī)起始溫度、錄波儀采樣率等)。4)由于某些指標(biāo)的特殊性和試驗(yàn)條件所限，這些指標(biāo)不是一次測(cè)取，而是由

17、經(jīng)過幾次測(cè)取的原始數(shù)據(jù)計(jì)算得到。 6.7.2試驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái) 圖6-19對(duì)比試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 6.7.3試驗(yàn)原理分析1.異步電機(jī)的坐標(biāo)變換2.異步電機(jī)的定子磁鏈計(jì)算3.異步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩計(jì)算4.異步電機(jī)的輸入功率計(jì)算5.異步電機(jī)的功率因數(shù)和系統(tǒng)效率計(jì)算6.異步電機(jī)輸入電壓、電流的畸變率計(jì)算7.直流發(fā)電機(jī)的特性分析8.低速時(shí)異步電機(jī)定子磁鏈觀測(cè)的數(shù)值分析 6.7.4試驗(yàn)內(nèi)容與結(jié)果分析1.穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)2.轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)3.魯棒性試驗(yàn) 1.穩(wěn)態(tài)試驗(yàn) 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(yàn) 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(yàn) 圖6-22不同頻率下DTC電磁轉(zhuǎn)矩穩(wěn)態(tài)

18、紋波系數(shù) 1.穩(wěn)態(tài)試驗(yàn) 圖6-23帶碼盤時(shí)50Hz時(shí)的穩(wěn)態(tài)性能 2.轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn) 圖6-24轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)電磁轉(zhuǎn)矩波形仿真 2.轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn) 圖6-25轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時(shí)間(帶碼盤) 2.轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn) 圖6-26VC轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時(shí)間 2.轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn) 圖6-27DTC轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時(shí)間 3.魯棒性試驗(yàn) 圖6-28帶碼盤時(shí)50Hz魯棒性試驗(yàn)的穩(wěn)態(tài)性能 3.魯棒性試驗(yàn) 圖6-29帶碼盤時(shí)不同頻率下魯棒性試驗(yàn)中異步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩穩(wěn)態(tài)紋波系數(shù) 3.魯棒性試驗(yàn) 圖6-30不同頻率下VC魯棒性試驗(yàn)中異步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩穩(wěn)態(tài)紋波系數(shù) 3.魯棒性試驗(yàn) 圖6-31不同頻率下DTC魯棒性試驗(yàn)中異步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩穩(wěn)態(tài)紋波系數(shù) 3.魯棒性試驗(yàn) 圖6-32不同頻率下VC魯棒性試驗(yàn)中異步電機(jī)轉(zhuǎn)速紋波系數(shù)比較 3.魯棒性試驗(yàn) 圖6-33不同頻率下DTC魯棒性試驗(yàn)中異步電機(jī)轉(zhuǎn)速紋波系數(shù)比較