z基于PI控制的直流电机模型参数辨识-

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30卷第220106DIANLIYUDIANGONGISSN16746104CN35-1296TM基于PI控制的直流电机模型参数辨识ParameterIdentificationofDCMotorModelBasedonPIControl苏伟达福建师范大学物理与光电信息科技学院福建闽侯350108摘要提出一种获取直流电机模型的新方法通过调节PI控制参数获得直流电机控制系统临界稳定条件和临界阻尼响应条件根据实验结果利用劳斯稳定判据计算直流电机模型并给出直流电机模型参数辨识实例关键词直流电机模型数字PI控制劳斯稳定判据参数辨识Abstract:Inthispaper,anovelmethodispresentedtoobtainthemodelofDCmotor.ByModifyingthePIparameters,themarginalconditionsforDCmotorcontrolsystemstabilityandcriticallydampedresponsecanreach.Accordingtotheexperimentresults,theDCmotormodelcanbecalculatedbyutilizingtheRouth-HurwitzCriterion.TheexampleofparameteridentificationofDCmotormodelisgiven.Keywords:DCmotormodeldigitalPIcontrolRouth-HurwitzCriterionparameterindentification中图分类号TM381文献标识码A文章编号16746104201002-0030-04式中——外加电压Ud——感应电势Ea——电枢电阻Ra——电枢电感La——电枢电流ia对式1两边取拉氏变换引言分析和设计直流电机调速系统或伺服系统时需知道直流电动机的数学模型这种动态数学模型可用微分方程传递函数或动态结构图等形式表示在参数整定时直流电机调节器的参数越精确越好电机参数包括电枢电路电阻和电感阻尼系数和转动惯量电势系数或转矩系数等1-3可利用电机设计制造时的技术数据进行理论计算或通过试验确定这些参数但理论计算不仅复杂而且与实际存在较大的误差而采用试验方法虽然简单却无法将各参数进行分离为此常用估算的方法分离参数与实际也存在较大误差本文提出一种获取直流电动机模型的新方法通过调节PI参数获得控制系统临界稳定条件和临界阻尼响应条件根据实验结果利用劳斯稳定判据计算直流电动机模型Ias=1/RaUds-Eas1+τas式中2τa=La/Ra为电枢时间常数直流电机的转矩平衡关系为Te=Tl+Bω+Jdωdt式中——电磁转矩Te——负载转矩Tl——阻尼系数B——转动惯量J——电机机械转速ω对式3两边取拉氏变换311.1理论分析直流电机动态数学模型额定励磁条件下直流电机的电压平衡关系为式中ωs=1/BTes-Tls1+τms间常数直流电机电磁转矩与电枢电流的关系为4——机械时间常数τm=J/B远大于电枢时TmUd-Ea=iaRa+Ladiadt项目资助福建省教育厅资助项目JA070411Te=Kmia5-30-
式中——转矩系数Km直流电机感应电势与转速关系为控制/模转换采用ADC0832实现8位数字输入转换为模拟量功率驱动采用集成运放实现010V6电压输出光电测速器采用透射型带光栅盘的光电断续器将测量结果送至控制器并由显示器输出Ea=Keω式中——电势系数Ke根据式24),并考虑式56),可得直流电机动态特性结构如图1所示2电机控制系统原理框图1.2.2数字PI控制的实现PI控制算法的微分方程为1直流电机动态特性结构可见电机本身是个闭环系统感应电动势引入与电机转速成正比的负反馈机械时间常数和电枢时间常数是决定速度环参数和稳定性的主要依据假设电机工作在空载状态则电机传递函数可近似为式中ut=Kpet+1τ0t0etdt调节器的输出信号ut)——调节器的偏差信号et)————调节器的比例系数KP——调节器的积分时间常数τ0由微分方程直接建立差分方程首先须对微分方程离散化即用差分方程去逼近微分方程的变化规律其具体内容包括积分函数和时间t等参数的离散化设采样周期TS足够小远小于时间常数τ0t=KTst可将微分方程中的积分项用求和式代替函数用序列表示时间t变成离散量KTs把连续系统的微分方程用数字形式的差分方程代替un=KPen+Tsτ0式中确定电机传递函数必须确定Kτ1τ2Σj=0ΣejnΣ1.2直流电机数字PI控制系统在控制系统中PI控制适用于被控对象的传递——采样周期Ts——采样序号n=012,…;nn次采样时计算机输出un)——函数难以描述的情况是种广泛应用的控制方法PI控制器是基于连续系统的数字模拟技术其将输入信号离散化用数字形式的差分方程代替连续系统的微分方程对信号进行处理和控制数字PI控制器的优点是控制参数可变系统的灵活性高文利用数字PI控制器的这一特点通过改变数字PI控制器的参数获得系统临界稳定的数据和临界阻尼响应条件进而利用劳斯稳定判据计算直流电动机模型n次采样时的偏差值en)——假设数/模转换功率驱动均为纯比例环节略光电测速器的延迟效应则电机PI控制系统动态特性如图3所示3直流电机PI控制系统动态特性结构图系统闭环传递函数为1.2.1系统结构Hs=KPK1+1/τ0s/1+τ1s)(1+τ2s1+KPK1+1/τ0s/1+τ1s)(1+τ2s1.3系统临界稳定和临界阻尼响应8电机控制系统原理框图如图2所示系统由控制器/模转换功率驱动电机光电测速器等组其中控制器采用十六位微机8088实现数字PIPI参数整定的意义是通过改变调节器参数使其特性与实际控制过程相匹配以改善系统动态和-31-
静态指标本试验的目的是通过调整PI参数寻找系统临界稳定条件和临界阻尼响应条件以确定直流电机的传递函数进而确定电机参数根据式8所示系统闭环传递函数得到系统特征方程τ1τ2s3+τ1+τ2s2+1+KPKs+1+KPK/τ0=0系统的Routh表示为94KP=1τ0=100ms时的系统输出转速波形保持电机初始转速目标值和PI控制的比例系数不变降低积分时间常数积分时间常数为KP=1τ0=43ms5所示根据Routh判据确定系统临界稳定条件为τ1+τ2)(1+KPK-KPKτ1τ2/τ0=0试验确定参数Kτ1τ2是待定常数根据自动控制理论PI控制中比例系数不改变积分时间常数从大到小随着积分时间常数的降低系统超调量增加当积分时间常数降到一定值时系统可能会失调所以在确定比例系数的情况下可通过试验确定系统临界稳定的积分时间常数改变比例系数分别确定不同比例系数情况系统临界稳定的积分时间常数将试验结果代入10),可得两个独立方程求得参数K设定PI控制的积分时间常数为τ0=即系统P控制其闭环传递函数为105控制参数KP=1τ0=43ms时的系统输出转速波形由式10可知参数KPτ0PI参数可通过据式10可知τ1+τ2)(1+K-1000Kτ1τ2/42=014同理设定电机初始转速为500r/min目标值为2500r/min改变比例系数为KP=2降低积分时间常数至τ0=77ms系统失调据式10可知τ1+τ2)(1+2K-2000Kτ1τ2/76=0152.2临界阻尼响应PI控制的积分时间常数为τ0=即系统为P控制PI控制的比例系数为1系统输出转速波形如图6所示为过阻尼稳定响应Hs=KPK/1τ1s)(1+τ2s1+KPK/1τ1s)(1+τ2s得到系统特征方程11τ1τ2s2+τ1+τ2s+1+KPK=0τ1+τ22=1+KKP1213根据自动控制理论系统具有临界阻尼响应条件为4τ1τ2由临界阻尼响应条件和临界稳定条件可得3独立方程获得直流电机的传递函数62实际电机模型计算根据以上理论分析测试某直流电机传递函数KP=1τ0=时的系统输出转速波形增加比例系数至KP=1.2系统输出变为欠阻尼稳定响应7KP=1.2系统输出转速波形据式13可知164τ1τ2联立式(14(15(16可得K=0.118τ1=0.595,τ1+τ22=1+1.1K设电机初始转速为500r/min目标值为2500r/min2.1系统临界稳定条件比例系数为1积分时间常数为100ms时的系统输出转速波形如图4所示为欠阻尼稳定响应-32-
参考文献1BenjaminC.Kuo.AutomaticControlSystems,8th.NewYork:JohnWiley&Sons,Inc.2003.2NedMohan,ToreM.PowerElectronics:Converters,Applications,andDesign,3rd.NewYork:JohnWiley&Sons,Inc.2003.37.J.产品开发与创新2008,213:161-163.4.基于TMS320F2812的无刷直流电机伺KP=1.2τ0=时的系统输出转速波形τ2=1.208直流电机环传递函数为0.118Hs=0.595s+1)(1.208s+1服系统设计J.微电机2008,416:44-47.5晁盛远刘富勇.无刷直流电机的建模与仿真3J.计算技术与自动化2008,272:39-43.6.基于TMS320F2812的无刷直流电机伺结论以十六位微机为控制器实现了直流电机数字服系统设计J.微电机2008,41(6:44-47.7邱立军.无刷直流电机控制系统的建PI闭环速度控制通过改变数字PI控制器的参数获得系统临界稳定的数据和临界阻尼响应条件而利用劳斯稳定判据计算直流电动机模型直流电机模型参数辨识实例验证该方法行之有效模及仿真J.海军航空工程学院学报2008,234:415-418.收稿日期2010-05-05!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!上接第3参考文献1刘振亚.特高压电网工程前期论证M.中国电力出版社.2008.2特高压电网规划2007年版)[R.北京国家2007.3福建省电力勘测设计院.交流特高压输电系统专题研究——线R.福州:福建省电力勘测设计院,2008.4福建省电力勘测设计院.交流特高压输电系统专题研究——线10不同运行方式恢复电压R.福州:福建省电力勘测设计院,2008.5王晓彤林集明,班连庚.1000kV同塔双回线路不平衡度及换位方式分析J.电网技术.2009335):1-5.6张媛媛班连庚林集明.1000kV同塔双回输电线路潜供电流研究J.电网技术.20093315):87-92.7尹忠东周丽霞肖湘宁.特高压同杆双回功率传输对潜供电流的影响J.高电压技术.2009354):717-721.8张广洲,张业茂,万保权等特高压同塔双回线路导线布置的优化J.高电压技术,2008349:1839-1843.910.相序排列对超高压线J.,林章岁.500kV同塔双回线路不平衡度及换位.同塔多回线路垂直排列最优相序布置收稿日期2010-05-17高电压技术.2008343):560-564.方式研究J.电力与电工.2009293):5-812.11汲亚飞,方式J.高电压技术.2008,34(1:172-175.3结语由于特高压系统的工作电压是500kV系统的2输送功率高出几倍因此特高压线路的潜供电流和恢复电压较500kV线路大本文对相序排列输送功率小电抗取值以及换位方式等因素对潜供电流和恢复电压的影响进行了计算和分析为特高压同塔双回线路相序排列和换位方式的选择提供了重要参考最后通过对福州温州特高压同塔双回线路的3种运行方式的潜供电流和恢复电压的计算和综合分析初步推荐福州温州特高压线路高压电抗器中性点小电抗取值9001000Ω-33-

本文来源:https://www.2haoxitong.net/k/doc/9a1bd203b307e87101f69684.html

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