CN102231617A - 双闭环直流调速系统最优控制器的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于双闭环直流调速系统技术领域，特别是涉及一种双闭环直流调速系统最优控制器的设计方法，首先确定控制器以外其它各环节的时间常数，然后选定控制器的结构；再通过计算机辅助设计技术，采用OCD程序可以同时设计双闭环直流调速系统的两个串级控制器，并通过程序的执行直接得出控制器的参数。系统工作时，最优控制器设计程序启动运行，直接得出JITAE指标最优化情况下内、外环控制器的参数。在电流、速度双闭环的结构下由两控制器通过对电动机电枢电流和速度信号的连续反馈控制，很好地实现电动机的调速。此方法超越了传统的必须在内环参数基础上设计外环的做法，设计思路更为简洁且程序执行方便快捷；同时由于减少了系统模型推导中的简化和近似，使得系统的计算误差减小，结果更为准确。
Description
技术领域
本发明属于双闭环直流调速系统技术领域，特别是涉及一种双闭环直流调速系统最优控制器的设计方法。
背景技术
双闭环直流调速系统的传统设计方法有两种：一是采用伯德图法；二是采用工程计算方法。但这两种方法均有缺点。采用伯德图法设计控制器时，需要先求出所设计闭环的原始系统开环对数频率特性，再根据性能指标确定校正后系统的预期特性，经过反复试凑，才能确定控制器的特性，并计算其参数。这种反复试凑的过程需要熟练的设计技巧，并伴随大量的运算。采用工程计算方法是把实际系统校正或简化成典型系统后，利用现成的公式和图表来进行参数计算，设计过程相对简单。但它只有参数计算公式，在调试系统时，如果系统性能不够满意，不能明确调整参数的方向；而且在公式和图表的形成过程中忽略了次要因素而进行一些近似和简化，使得计算结果存在有一定误差。对于复杂的不能简化成典型系统的情况，工程计算方法就无能为力了。
发明内容
本发明的目的是提供一种双闭环直流调速系统最优控制器的设计方法，以采用ITAE准则设计出适合双闭环直流调速系统的最优控制器。通过最优控制器进而实现系统的最优控制，使系统尽快进入稳态，具有小超调量、短调节时间，精确的跟踪性能；消除传统设计方法的缺陷，使得控制器的设计思路更为简洁、计算更为准确、执行更为便捷。
本发明的目的是这样实现的：
本发明的双闭环直流调速系统最优控制器的设计方法，其特征在于包括下述步骤：
1)首先确定双闭环系统中除控制器外各环节的时间常数：
(1)整流装置滞后时间常数Ts，对于三相桥式整流装置，所述的整流装置滞后时间常数的平均滞后时间Ts＝0.0017s，
(2)电流滤波时间常数Toi对于交流侧为工频的三相桥式电路，所述的电流滤波时间常数Toi，每个波头的时间是3.33ms[1s/(50*6)＝3.33ms)]，为了基本滤平波头，应有(1～2)倍的Toi＝3.33ms，因此取Toi＝2ms＝0.002s，
(3)速度滤波时间常数Ton，根据所用测速发电机纹波情况，所述的速度滤波时间常数Ton＝0.01s，
2)选择电流控制器结构：从稳态要求上看，希望电流无静差，从动态性能看，不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在起动过程中不超过允许值，因此，电流环应以跟随性能为主，即选用典型I型系统，又由于电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型I型系统，采用PI型电流控制器，
3)选择速度控制器结构：为实现速度无静差，在负载扰动点前面必须有一个积分环节，它包含在速度控制器中，现在扰动点后已经有了一个积分环节，即速度环开环传递函数共有两个积分环节，所以设计成典型II型系统，同时也能满足动态抗扰性能好的要求，由此速度控制器也采用PI控制器，
4)建立系统仿真模型：将前面的分析结果和已知条件填入双闭环直流调速系统的动态结构框图，就可以建立系统仿真模型，在该模型中定义了4个待定参数，Kp1，Ki1，Kp2，Ki2，并定义了误差的ITAE指标，输出到第一输出端子上，
5)启动OCD即Optimal Controller Designer最优控制器设计程序，直接得出ITAE指标最优化下的两控制器设计参数，
6)观察系统输出，得出结论。
所述的启动最优控制器设计程序直接得出ITAE指标最优化下的控制器设计参数为Kp1＝50.7748，Ki1＝1.7050，Kp2＝8.9919，Ki2＝10.776，即速度环控制器Gc1(s)＝50.7748+1.7050/s，电流控制器Gc2(s)＝8.9919+10.776/s。
所述的系统仿真模型由两部分组成：
第一部分通过第一输出端输出最优指标值，该部分由偏差信号e(t)取绝对值后与时间信号time相乘，再经过积分环节1/s后得到JITAE指标：JITAE＝∫∞ 0t |e(t)|dt，用于实现系统的最优控制，这里采用ITAE作为最优控制的准则，是因为时间time比较大时，为保证1端输出的指标值小，可使稳态误差迅速变小，从而让系统快速进入稳态区域。
第二部分为一典型双闭环直流调速系统，通过第二输出端输出系统的速度响应值，由依次连接的给定的阶跃信号Step环节、速度外环的滤波环节Filter1、速度外环PI控制器Outer PI Controller、带有滤波的速度外环反馈环节Speed with filter、电流内环滤波环节Filter、电流内环PI控制器Inner PI Controller、三相桥式整流电路Thyrister、他励直流电动机的电枢电压——电枢电流变换环节UdO——Id即
带有滤波的电流内环反馈环节Current with filter、电动机的电枢电流-电动势变换环节Id——E即
带有滤波的速度外环反馈环节Speed with filter、电动机的电动势——速度换环节1/Ce，电动机的三个环节共同组成电动机整体数学模型，实现电枢电压——速度的变换。
所述的电动机的电磁时间常数T1＝0.03s，机电时间常数Tm＝0.18s，电枢回路总电阻R＝0.5Ω，结构常数Ce＝0.132V·min/r。
所述的三相桥式整流电路的放大系数KS＝40。
所述的电流内环反馈环节、速度外环反馈环节的电流反馈系数β＝0.05V/A，速度反馈系数α＝0.007V·min/r。
按照本发明的双闭环直流调速系统最优控制器的设计方法，首先确定控制器以外其它各环节的时间常数，然后选定控制器的结构；再通过计算机辅助设计技术，采用OCD(Optimal Controller Designer)程序可以同时设计双闭环直流调速系统的两个串级控制器，并通过程序的执行直接得出控制器的参数。此方法超越了传统的必须在内环参数基础上设计外环的做法，使得设计思路更为简洁；且程序执行方便快捷；同时，由于减少了系统模型推导中的简化和近似，使得系统的计算误差减小，结果更为准确。采用ITAE准则后，JITAE＝∫∞ 0t |e(t)|dt，对时间大时加权大，迫使响应误差尽快趋近于0，使系统很快进入稳态，很适用于控制系统最优设计时使用。
当系统工作时，最优控制器设计程序启动运行，可以直接得出JITAE指标最优化情况下内、外环控制器的参数。这样在电流、速度双闭环的结构下由两控制器通过对电动机电枢电流和速度信号的连续反馈控制，就可以很好地实现电动机的调速。
本发明的优点是：
1)此方法可以直接得出两个控制器的设计参数，超越了传统的必须在内环参数基础上设计外环的做法，使得设计思路更为简洁，且程序执行方便快捷；
2)在设计过程中减少了系统模型推导中的简化和近似，使得系统的计算误差减小，结果更为准确。
3)通过最优控制使系统能够快速跟踪，尽快进入稳态，具有小超调量、短调节时间，精确的跟踪性能。
附图说明
图1双闭环直流调速系统最优控制器设计步骤流程图
图2双闭环直流调速系统最优控制器设计仿真图
图3双闭环直流调速系统最优控制的阶跃响应图
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的的具体实施方式。
如图1所示，本发明的双闭环直流调速系统最优控制器的设计方法，其特征在于包括下述步骤：
1)首先确定双闭环系统中除控制器外各环节的时间常数：
(1)整流装置滞后时间常数Ts，对于三相桥式整流装置，所述的整流装置滞后时间常数的平均滞后时间Ts＝0.0017s，
(2)电流滤波时间常数Toi，对于交流侧为工频的三相桥式电路，所述的电流滤波时间常数Toi，每个波头的时间是3.33ms[1s/(50*6)＝3.33ms)]，为了基本滤平波头，应有(1～2)倍的Toi＝3.33ms，因此取Toi＝2ms＝0.002s，
(3)速度滤波时间常数Ton，根据所用测速发电机纹波情况，所述的速度滤波时间常数Ton＝0.01s，
2)选择电流控制器结构：从稳态要求上看，希望电流无静差，从动态性能看，不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在起动过程中不超过允许值，因此，电流环应以跟随性能为主，即选用典型I型系统，又由于电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型I型系统，采用PI型电流控制器，
3)选择速度控制器结构：为实现速度无静差，在负载扰动点前面必须有一个积分环节，它包含在速度控制器中，现在扰动点后已经有了一个积分环节，即速度环开环传递函数共有两个积分环节，所以设计成典型II型系统，同时也能满足动态抗扰性能好的要求，由此速度控制器也采用PI控制器，
4)建立系统仿真模型：将前面的分析结果和已知条件填入双闭环直流调速系统的动态结构框图，就可以建立系统仿真模型，在该模型中定义了4个待定参数，Kp1，Ki1，Kp2，Ki2，并定义了误差的ITAE指标，输出到第一输出端子上，
5)启动OCD即Optimal Controller Designer最优控制器设计程序，直接得出ITAE指标最优化下的两控制器设计参数，
6)观察系统输出，得出结论。
所述的启动最优控制器设计程序直接得出ITAE指标最优化下的控制器设计参数为Kp1＝50.7748，Ki1＝1.7050，Kp2＝8.9919，Ki2＝10.776，即速度环控制器Gc1(s)＝50.7748+1.7050/s，电流控制器Gc2(s)＝8.9919+10.776/s。
如图2所示所述的系统仿真模型由两部分组成：
第一部分通过第一输出端输出最优指标值，该部分由偏差信号e(t)取绝对值后与时间信号time相乘，再经过积分环节1/s后得到JITAE指标：JITAE＝∫∞ 0t |e(t)|dt，用于实现系统的最优控制，这里采用ITAE作为最优控制的准则，是因为时间time比较大时，为保证1端输出的指标值小，可使稳态误差迅速变小，从而让系统快速进入稳态区域。
第二部分为一典型双闭环直流调速系统，通过第二输出端输出系统的速度响应值，由依次连接的给定的阶跃信号Step环节、速度外环的滤波环节Filter1、速度外环PI控制器Outer PI Controller、带有滤波的速度外环反馈环节Speed with filter、电流内环滤波环节Filter、电流内环PI控制器Inner PI Controller、三相桥式整流电路Thyrister、他励直流电动机的电枢电压——电枢电流变换环节UdO——Id即
带有滤波的电流内环反馈环节Current with filter、电动机的电枢电流——电动势变换环节Id——E即
带有滤波的速度外环反馈环节Speed withfilter、电动机的电动势——速度变换环节1/Ce，电动机的三个环节共同组成电动机整体数学模型，实现电枢电压——速度的变换。
所述的电动机的电磁时间常数T1＝0.03s，机电时间常数Tm＝0.18s，电枢回路总电阻R＝0.5Ω，结构常数Ce＝0.132V·min/r。
所述的三相桥式整流电路的放大系数KS＝40。
所述的电流内环反馈环节、速度外环反馈环节的电流反馈系数β＝0.05V/A，速度反馈系数α＝0.007V·min/r。
图3示出了本发明的双闭环直流调速系统最优控制的阶跃响应图。
本发明的优点是：
1)此方法可以直接得出两个控制器的设计参数，超越了传统的必须在内环参数基础上设计外环的做法，使得设计思路更为简洁，且程序执行方便快捷；
2)在设计过程中减少了系统模型推导中的简化和近似，使得系统的计算误差减小，结果更为准确。
3)通过最优控制使系统能够快速跟踪，尽快进入稳态，具有小超调量、短调节时间，精确的跟踪性能。系统的阶跃响应曲线如图3所示，可见在采用了最优控制方法所得到的控制器后，系统的响应还是很理想的。
Claims (6)
1.一种双闭环直流调速系统最优控制器的设计方法，其特征在于包括下述步骤：
1)首先确定双闭环系统中除控制器外各环节的时间常数：
(1)整流装置滞后时间常数Ts，对于三相桥式整流装置，所述的整流装置滞后时间常数的平均滞后时间Ts＝0.0017s，
(2)电流滤波时间常数Toi，对于交流侧为工频的三相桥式电路，所述的电流滤波时间常数Toi，每个波头的时间是3.33ms[1s/(50*6)＝3.33ms)]，为了基本滤平波头，应有(1-2)倍的Toi＝3.33ms，因此取Toi＝2ms＝0.002s，
(3)速度滤波时间常数Ton，根据所用测速发电机纹波情况，所述的速度滤波时间常数Ton＝0.01s，
2)选择电流控制器结构：从稳态要求上看，希望电流无静差，从动态性能看，不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在起动过程中不超过允许值，因此，电流环应以跟随性能为主，即选用典型I型系统，又由于电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型I型系统，采用PI型电流控制器，
3)选择速度控制器结构：为实现速度无静差，在负载扰动点前面必须有一个积分环节，它包含在速度控制器中，现在扰动点后已经有了一个积分环节，即速度环开环传递函数共有两个积分环节，所以设计成典型II型系统，同时也能满足动态抗扰性能好的要求，由此速度控制器也采用PI控制器，
4)建立系统仿真模型：将前面的分析结果和已知条件填入双闭环直流调速系统的动态结构框图，就可以建立系统仿真模型，在该模型中定义了4个待定参数，Kp1，Ki1，Kp2，Ki2，并定义了误差的ITAE指标，输出到第一输出端子上，
5)启动OCD即Optimal Controller Designer最优控制器设计程序，直接得出ITAE指标最优化下的两控制器设计参数，
6)观察系统输出，得出结论。
2.根据权利要求1所述的双闭环直流调速系统最优控制器的设计方法，其特征在于所述的启动最优控制器设计程序直接得出ITAE指标最优化下的控制器设计参数为Kp1＝50.7748，Ki1＝1.7050，Kp2＝8.9919，Ki2＝10.776，即速度环控制器Gc1(s)＝50.7748+1.7050/s，电流控制器Gc2(s)＝8.9919+10.776/s。
3.根据权利要求1所述的双闭环直流调速系统最优控制器的设计方法，其特征在于所述的系统仿真模型由两部分组成：
第一部分通过第一输出端输出最优指标值，该部分由偏差信号e(t)取绝对值后与时间信号time相乘，再经过积分环节1/s后得到JITAE指标：JITAE＝∫∞ 0t |e(t)|dt，用于实现系统的最优控制，这里采用ITAE作为最优控制的准则，是因为时间time比较大时，为保证1端输出的指标值小，可使稳态误差迅速变小，从而让系统快速进入稳态区域。
第二部分为一典型双闭环直流调速系统，通过第二输出端输出系统的速度响应值，由依次连接的给定的阶跃信号Step环节、速度外环的滤波环节Filter1、速度外环PI控制器Outer PI Controller、带有滤波的速度外环反馈环节Speed with filter、电流内环滤波环节Filter、电流内环PI控制器Inner PI Controller、三相桥式整流电路Thyrister、他励直流电动机的电枢电压——电枢电流变换环节UdO——Id即
带有滤波的电流内环反馈环节Current with filter、电动机的电枢电流——电动势变换环节Id——E
即带有滤波的速度外环反馈环节Speedwith filter、电动机的电动势-速度变换环节1/Ce，电动机的三个环节共同组成电动机整体数学模型，实现电枢电压——速度的变换。
4.根据权利要求3所述的双闭环直流调速系统最优控制器的设计方法，其特征在于所述的电动机的电磁时间常数T1＝0.03s，机电时间常数Tm＝0.18s，电枢回路总电阻R＝0.5Ω，结构常数Ce＝0.132V·min/r。
5.根据权利要求3所述的双闭环直流调速系统最优控制器的设计方法，其特征在于所述的三相桥式整流电路的放大系数KS＝40。
6.根据权利要求3所述的双闭环直流调速系统最优控制器的设计方法，其特征在于所述的电流内环反馈环节、速度外环反馈环节的电流反馈系数β＝0.05V/A，速度反馈系数α＝0.007V·min/r。
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