電機溫度時滯耦合系統自抗擾控制仿真研究*

廖金權

(重慶電子工程職業學院,重慶 401331)

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電機溫度時滯耦合系統自抗擾控制仿真研究*

廖金權*

(重慶電子工程職業學院,重慶 401331)

摘要:電機過熱時會造成繞組絕緣降低,嚴重時會燒壞電機。傳統的雙通道PID控制算法降低了對電機溫度的控制精度,導致電機過熱。提出一種基于自抗擾控制算法(ADRC)的電機溫度控制方法,以雙通道PID控制方法為基礎進行了改進,對內外擾動進行綜合處理,對擴張狀態觀測器進行估計,并在反饋中引入非線性特性。仿真實驗中,在電壓電流均改變30%的情況下,改進算法仍能實現溫度的精準穩定控制。比傳統算法穩定性強,準確率提高36.5%,適合推廣應用。

關鍵詞:電機過熱;自抗擾控制算法;時滯;解耦

在工業生產中對電機溫度的控制要求越來越高。在時滯系統中,信號的傳輸存在著時間延遲現象。耦合關系和時滯性的同時存在,極大的增加了電機運行過程中對各個參數的控制難度,使電機溫度難以控制,性能下降。基于此原因,帶有時滯性的耦合關系成為電機運行領域中一個重要的研究方向[1]。由于電機溫度控制方法應用范圍十分廣泛,因此受到了很多專家的重視,成為研究的主要課題,有很大的發展空間和實用價值[2-3]。

利用傳統的PID控制算法進行電機溫度控制,由于電機溫度存在較大的時滯性和耦合性,無法用準確的數學控制模型進行描述,從而降低了電機溫度控制的精度,導致電機過熱[4-5]。

1　傳統PID控制解耦原理

利用PID控制器進行電機溫度調節時,可以根據溫度變化率、積分時間和微分時間通過線性組合的方式進行控制[6]。用式(1)表述:

(1)

式中,LQ表示電機溫度變化率,UJ表示積分時間,UE是微分時間。電機溫度控制用式(2)表示:

Δv(l)=LQΔf(l)+LJf(l)+LE[Δf(l)-Δf(l-1)]

(2)

其中,LQ表示電機溫度變化率,LJ=LQU/UJ是積分參數,LE=LQUE/U是微分參數。

在利用PID算法進行電機溫度控制的過程中,輸入電機溫度變化率f,計算能夠輸出的控制變量,通過迭代處理的方法減少溫度變化率,直至電機溫度的控制差值小于閾值。其原理能夠用下圖進行描述。

圖1　傳統電機溫度控制原理

2　基于改進PID控制器的電機溫度自抗擾控制器設計

2.1電機時滯耦合系統的數學模型

為了利用自抗擾控制器對電機溫度進行精確控制,利用目前廣泛采用的階躍響應曲線法對電機時滯耦合系統的溫度建立傳遞函數,用式(3)表示:

(3)

2.2電機溫度自抗擾控制器的結構

電機溫度自抗擾控制器由數據跟蹤器,狀態查看器和非線性反饋這3部分組成。

數據跟蹤器有2個作用。(1)對輸入的參數進行跟蹤,對輸入信號進行處理,使輸入數據變平滑,避免產生超調,能夠提高系統的穩定性;(2)為系統提供更合理的微分信號,避免了傳統的PID控制方法中信號產生過程中同時出現的放大擾動信號的過程。本文將數據跟蹤器設計成二階離散數據跟蹤器,以滿足實際需要。用式(4)表示:

(4)

式中,fh是電機速度,fhan是電機速度函數,v是輸入信號;x1是處理后的輸入信號;x2是輸入信號的一階導數;h為步長,步長越小噪聲就越小,步長越大系統就越容易產生超調。h0是濾波因子,當h值不變且輸入信號存在噪聲時,增大h0能夠進行濾波;h,h0和速度因子r都是待調參數。提高r的值能夠減小調節時間,同時增加了震蕩產生的概率。

狀態查看器是自抗擾控制器中的關鍵部分。它的輸入是控制參數和系統輸出參數,輸出是狀態變量和系統的實時作用量。狀態查看器把系統的內外擾動作為整體進行控制,從而提高了系統對內外擾動的抗干擾性。可以用式(5)表示狀態查看器。

(5)

式中,z1,z2是系統輸入y和它的一階導數的估計。z3是對系統造成干擾的新變量,fal表示誤差變化函數。β1、β2、β3、δ、b是可調參數。

非線性反饋中的輸入值是數據跟蹤器和狀態查看器中的對應的系統狀態的差值,和狀態查看器中的系統加速度的實時作用量。非線性反饋中的數值是非線性函數。三階自抗擾控制器的非線性反饋用式(6)表示:

(6)

式中,α1,α2,δ1,δ2,b0是可調參數;kp,kd是比例系數和微分系數。

2.3自抗擾控制器的解耦原理

由于影響電機溫度的參數如電壓、頻率等各變量都不是隨時間變化而變化的,因此本文設計的自抗擾控制器用靜態解耦法進行解耦。在電機溫度時滯耦合系統中,在默認工頻的條件下,輸入的主要參數有電流、電壓,輸出部分為有功功率和熱量。因此自抗擾控制器的設計成兩輸入兩輸出系統,用式(7)表示:

(7)

(8)

(9)

經過上述公式變換,得到式(10)

(10)

在上述公式中,已經解除了輸入參數的耦合。能夠利用U1,U2分別對2個通道進行分別進行控制。電機溫度解耦過程如圖2所示。

圖2　電機溫度自抗擾控制器解耦原理圖

3　仿真研究

本文利用MATLAB7.0平臺進行仿真實驗。實驗步驟如下:

(1)利用S函數編寫電機溫度自抗擾控制器的控制模塊。

(2)在simulation中對單獨的模塊進行封裝。

(3)建立仿真環境并對電機溫度進行仿真實驗。

3.1解耦過程仿真

3.1.1自抗擾控制器的參數設置

自抗擾控制器的2個通道取值相同。設r=10 000;h=0.001;β01=0.001;β02=0.001;β03=0.01;c=0.003;h1=2。

3.1.2雙通道PID控制器的參數設置

設第1通道:kp=0.05,ki=0.02,kd=0;第2通道:kp=0.04,ki=0.03,kd=0;第1、2通道輸入幅值為1的階躍信號,仿真時間為600s。

通過仿真實驗,自抗饒控制方法曲線與雙通道控制方法曲線對比結果如圖3所示。

圖3　兩通道控制曲線對比圖

從對比曲線可知,自抗擾控制器響應時間短,無超調,穩態好,2個通道效果相似;PID雙通道的響應時間長,存在超調現象,穩態性較差。表明自抗擾控制器比PID控制器的性能更好。

3.2受控對象時滯變化后的魯棒性研究

由于電機在啟動運行制動時的電流、電壓大小不是恒定的,故電機溫度的數學函數的時滯耦合部分也是在變化的。因此本文在仿真實驗中對被控對象時滯變化部分專門進行了實驗。

在仿真實驗中,將被控對象2個通道中的電流的數值發生正負30%的改變,控制器中的電壓和頻率數據不變,得到控制曲線如圖4、圖5所示。

圖4　電流增加30%兩通道響應曲線

圖5　電流減小30%兩通道曲線

由響應曲線可知,電流發生正負30%的改變時,PID雙通道都出現超調現象,自抗擾控制器的雙通道都沒出現。說明自抗擾控制器比PID控制器在動態響應,穩態性更優越。

電機在運行中的頻率、電壓等在默認功率的前提下都是不變的,如果這些數值發生變化,那么數學模型中的慣性系數也將發生改變,因此,設計的自抗擾控制器必須能夠適應慣性系數變化。

在仿真實驗室,令電壓、頻率發生正負30%的改變,而電流不變進行對比試驗。

圖6　電壓和頻率增加30%兩通道響應曲線

第1、2通道電壓和頻率增加(減少)20%后的控制曲線對比如圖6所示。

圖7　電壓和頻率減少30%兩通道響應曲線

由以上響應曲線可知,當電壓和頻率發生變化時,自抗擾控制器的動態與穩態都比PID控制器優越,表明自抗擾控制器能更好的適應慣性系參數變化。

4　結論

本文在傳統算法的基礎上,提出了一種基于自抗擾控制的電機溫度控制方法,通過實驗對本文算法的性能進行了驗證,實驗結果表明：本文方法的響應速度更快,超調和穩態誤差幾乎沒有,說明本文控制方法較好,適合推廣應用,對工業生產中電機溫度控制具有很高的價值。

參考文獻:

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[3]鄭恩讓,張玲等.神經網絡PID及在紙頁水分定量控制中的應用[J].基礎自動化,2000,7(3):198-201.

[4]安劍奇,吳敏,熊永華,等.高爐爐頂壓力智能解耦控制方法及應用[J].信息與控制,2010,39(2):180-186.

[5]韓京清.自抗擾控制技術-估計補償不確定因素的控制技術[M].北京:國防工業出版社,2009.

[6]陳杰來,許寧.大型脫硫塔內流場溫度測試方法研究與優化[J].科技通報,2012,12(28):60-61.

廖金權(1980-),男(漢族),四川遂寧人,碩士,講師,主要研究方向為計算機應用,liaojinquan1980@163.com。

SimulationofActiveDisturbanceRejectionControlforCold-HotWaterMixerSystem*

LIAOJinquan*

(Chongqing College of Electronic Engineering,Chongqing 401331,China)

Abstract:Motor overheating will cause the winding insulation,when it is serious the motor will burn down.Dual channel of traditional PID control algorithm reduced the motor temperature control accuracy and led to motor overheating.Put forward a control algorithm based on the immunity(ADRC)of motor temperature control method,to improve the dual channel PID control method,comprehensively treat the internal and external disturbance,estimate the extended state observer,and introduce the nonlinear characteristics in the feedback.In simulation experiment,the change in voltage and current under the condition is of 30%,the improved algorithm can realize accurate and stable temperature control better than the traditional algorithm.The stability and accuracy increase by 36.5%,and it suits for popularization and application.

Key words:motor overheating;since the immunity control algorithm;delay;the decoupling

doi:EEACC:830010.3969/j.issn.1005-9490.2014.04.038

中圖分類號:TP273

文獻標識碼:A

文章編號:1005-9490(2014)04-0759-04

收稿日期:2014-04-22修改日期:2014-05-21

項目來源:重慶市科委項目(cstc2013jcsfA90002)