脈沖直流發電機的積分分離數字PID控制技術研究

李志新，張國友

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脈沖直流發電機的積分分離數字PID控制技術研究

李志新，張國友

（海軍工程大學電氣工程學院，武漢 430033）

在對鐵磁物質實施磁性處理時，需要主電源系統輸出正負交替、幅值逐步衰減的脈沖電流，本文以設計磁性處理脈沖直流發電機控制系統為研究內容，在采用傳遞函數法建立主電源控制系統數學模型的基礎上，針對主電源系統電流波形的特點提出了積分分離PID調節方法，并進行了參數優化。本文的研究成果已在工程實踐中得到了驗證和應用。

磁性處理 直流發電機 PID調節 積分分離

0 引言

在對鐵磁物質實施磁性處理時，需要在工作線圈中通以圖1所示的正負交替、幅值逐步衰減的脈沖電流，在被處理的鐵磁物質周圍空間產生正負交替、幅值逐漸衰減的脈沖強磁場，達到消除鐵磁物質固定磁場的目的[1]。首脈沖幅值達數千安培甚至更大，脈沖形狀要求嚴格，這就對磁性處理主電源及其控制技術提出了很高的要求。磁性處理主電源系統根據其實現方式有市電整流型、直流發電機加飛輪儲能型、同步發電機加飛輪儲能型、同步發電機加超級電容儲能型、同步電機直接晶閘管整流型等多種類型，盡管與同步發電機相比較，直流發電機換向等因素的影響，體積大、功率密度較小，但它具有良好的啟動性能、寬廣平滑的調速特性、控制方便等優點，所以直流發電機加飛輪儲能型主電源在工程實際中得到了廣泛的應用[2]。傳統的直流發電機加飛輪儲能型主電源，其勵磁電源為電機擴大機，采用的反饋控制方法，雖能滿足要求，但缺乏進一步提升的空間，也落后于控制技術的發展水平，故研究脈沖直流發電機的數字PID控制技術，為直流發電機加飛輪儲能型磁性處理主電源的改造儲備技術，對提升磁性處理水平有重要意義。以下本文中的主電源，均為電機擴大機勵磁的直流發電機加飛輪儲能型磁性處理主電源。

1 主電源電氣部分模型

某磁性處理主電源系統結構框圖如圖2所示，控制臺產生形狀與圖1波形相同的方波脈沖控制信號，經電機擴大機放大功率，給直流發電機勵磁，從而控制直流發電機輸出電流的大小和方向，也就是工作線圈電流的大小和方向。直流發電機輸出的電流信號、電機擴大機輸出的電壓信號（即勵磁電壓）反饋至控制臺。

交磁電機擴大機利用了交軸電樞反應磁場，可用一套電樞繞組實現兩級放大作用。在忽略補償繞組與補償調節電阻所構成的回路對控制繞組的互感作用，忽略交軸換向去磁與鐵耗去磁構成的等效回路與控制繞組之間的互感作用，假定過渡過程中，磁路狀態保持不變的情況下，交磁電機擴大機傳遞函數如圖3所示。

以某磁性處理主電源系統的電機擴大機、直流電機及繞組參數為基礎，在僅考慮反饋控制的情況下，圖2所示主電源系統的電氣部分模型如圖5所示，其中，假定為750r/m不變，即假設在磁性處理過程中直流電機轉速為額定值。

2 積分分離數字PID控制算法

在普通的數字PID控制器中引入積分環節的目的在于消除系統的穩態誤差，提高系統控制精度。但磁性處理主電源系統輸出的工作電流在上升、下降階段時由于電流值的大幅增減，使得系統偏差很大，會造成PID運算的積分積累，進而引起系統較大的超調，但如果減小PID運算的積分作用，又會導致系統穩態誤差較大，系統輸出精度不高，兩種情況都是系統設計中不愿看到的。引進積分分離PID控制算法，能夠很好的解決這一矛盾。其具體算法如下：根據系統調試實驗的結果，人為設定一閥值，當，即系統偏差過大時，減小積分作用或取消積分作用，使系統的超調量減小，避免系統的振蕩；當，即系統偏差較小時，加大積分作用，保證系統的調節精度。以位置式數字PID算法為例，寫成積分分離形式即為[3]：

其中的值根據系統調試的結果設定，以決定PID控制中積分作用的大小。

3 積分分離數字PID控制算法的仿真建模

依據離散PID控制模型，對控制系統傳遞函數采用Z變換進行離散化，選取采樣時間為3 ms，建立離散的系統模型見圖6所示，模型中的T即根據系統時間常數選擇的信號采樣時間。“Transfer Fcn2”為參數優化后的系統模型，優化過程參考文獻[3]。

4 積分分離數字PI控制器的參數優化

不斷調整參數，以最快上升時間為目標反復優化整定[10,11]得系統階躍響應如圖8(c) 所示，超調量、上升時間、調節時間，此時控制器比例、積分參數為=3.5、=8.0，閥值為=0.4，系數為b=0.1。與普通PI調節相比，積分分離PI調節有一定的優越性。

積分分離PI調節器控制脈沖輸出仿真如圖9所示，與不加PID調節器時相比，上升快、調節時間短，也帶來了一定的超調量，下降階段甚至有振蕩，但磁性處理主電源電流下降時有自關斷功能，該振蕩不影響工作。

5 積分分離數字PID控制器的參數優化

采用積分分離數字PID控制需要設定的參數較多，但最具影響力的還是比例、積分、微分參數。在前面PI參數調節的基礎上，制器比例、積分參數為=3.5、=8.0，閥值為=0.4，系數為b=0.1不變，取=31（T=3 ms），得單位階躍響應如圖10(a)所示，系統響應變慢。曾大比例系數，取=5.0，得系統單位階躍響應如圖10(b)所示，達到穩定輸出之前，輸出值大多數時間小于穩定值，系統積分作用不夠。增大積分系數，取=12.5，得單位階躍響應如圖10(c)所示，改善了積分問題。如此反復調節整定，得系統積分分離數字PID控制器最優參數，其單位階躍響應如圖10(d)所示，超調量、上升時間、調節時間，此時控制器比例、積分、微分參數為=5.0、=12.5、，閥值為=0.4，系數為b=0.1。

積分分離數字PID調節器控制脈沖電流輸出仿真如圖11所示，與積分分離數字PI調節器時相比，響應快、超調量小、調節時間短。采用積分分離數字PID調節可獲得滿意的脈沖電流波形。

5 小結

本文首先采用傳遞函數法建立基于直流發電機的磁性處理主電源系統數學模型，并針對磁性處理脈沖電流的特點，提出了采用積分分離數字PID控制技術控制主電源的輸出，然后通過仿真、比較、分析，證實了積分分離數字PID調節技術控制主電源輸出的優越性。基于PLC的積分分離數字PID調節技術應用于主電源系統的改造，取得了很好的效果。

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Research on Integral separation Digital PID Control Technology of Pulse DC Dynamo for Deperming

Li Zhixin, Zhang Guoyou

(College of Electrical Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

TM46

A

1003-4862（2016）05-0046-05

2016-01-09

李志新(1981-)，男，碩士。研究方向：艦船消磁。