基于扰动观测器的他励直流电机调速系统

李全棒，惠运东



基于扰动观测器的他励直流电机调速系统

李全棒，惠运东

（东南大学，江苏 南京 210009）

冷轧管的生产过程中，负载转矩会发生周期性的波动，针对该问题，提出一种新的复合控制方法。通过结合冷轧管机的电机结构，将扰动观测器与双闭环控制相结合，从而提高了系统的动态性能。理论分析与实验仿真表明，这种复合控制方式优于原有的PID控制，可以有效地提高系统的抗扰动性能。

扰动观测器；双闭环；PID；复合控制

在冷轧管的生产过程中，电机的负载转矩会发生周期性的波动，如何降低轧机动态速降，并能缩短其恢复时间，这是冷轧管机在轧制钢管的生产过程中的重要问题。在原有的工业生产过程中，PID控制器存在抗扰动性能差、动态性能差的问题。

针对这些问题，结合冷轧管机中电机的数学模型，本文将双闭环控制[1]与扰动观测器相结合。经仿真验证，该策略可以有效地提高系统的动态性能与抗扰动性能，提高轧机的生产效率。

1 轧机生产过程中的传动力矩

轧机生产过程中，电机端的转矩有负载转矩和轧机空载转矩[1]，轧机空载转矩即在冷轧管机的工作过程中，曲柄驱动轧机机架作往返运动，带动曲柄的转轮每旋转360°，轧机机架做一次往返运动。当轧管加载到轧辊上，此时轧机机架开始做正向运动，负载转矩逐步上升到最大值，并保持不变。当管材轧制结束完毕，扎好的管材也刚好送出，轧机机架开始做反向运动，此时负载转矩也变为0.

空载转矩主要包含附加摩擦力矩、空转力矩和动力矩。附加摩擦力为克服轧制时轧辊轴承，传动机构等摩擦所需要的力矩。空转力矩为克服轧制时轧辊轴承，传动机构等空转所需要的力矩。动力矩为克服轧辊在不均匀转动时所产生的惯性所需力矩，与电机的转速角加速度有关，电机的加速度越大，则动力矩的数值越大。因此一般情况下，在电机起动时动力矩较大，等到电机的速度平稳下来，动力矩为0.一般而言，轧机在启动过程中，动力力矩最大，大约为空载转矩的10倍左右，而在轧制钢材时，轧机的动力力矩大约为空载转矩的3～4倍左右。

2 基于扰动观测器的双闭环调速系统

2.1 双闭环反馈控制

工业生产使用中的冷轧管机多为他励直流电机。他励直流电机主要有三种调速方式：调节电枢电压调速、调节电枢回路电阻调速、弱磁升速。对于要求在一定范围内无极平滑调速的系统来说，调压调速的方式最佳。对于冷轧管机中的直流电机，采用调压调速可以获得很宽的调速范围，并可以在调速范围内的任何转速上运行，调速时的损耗小，运行效率比较高，同时便于实现电机的控制算法，满足工艺要求。由上所述，调节直流电机的电枢电压可以调节转速，同时也便于直流电机控制方案的实现[2]。在实际应用中，广泛采用电流-转速双闭环反馈控制方案[1]，与单闭环反馈调节相比，双闭环反馈控制不仅继承了单闭环结构简单、工作可靠等优点，同时动态性能更好。

在双闭环直流调速系统中，内环采用电流控制，外环采用速度控制。转速调节器的输出作为电流调节器的输入，电流调节器的输出控制电力电子变换器（即晶闸管移相触发角）。转速环为外环，是主控制环，调节电动机的转速。转速调节器ASR的主要工作是使转速能够跟随给定电压变化，并且能保证稳态无静差，同时对负载转矩的变化有抗扰动的作用。

2.2 扰动观测器原理

扰动观测器的基本原理是将外部干扰以及参数模型的变化造成的实际对象模型与名义模型的不确定干扰等效到控制输入端，在控制端对扰动进行补偿，以消除干扰对系统的影响，达到抑制扰动的效果[3]。一般情况下，被控系统的传递函数为严格真有理分式（即分母的阶数比分子的阶数高），因此参考模型的逆是物理上无法实现的。为了解决上述问题，需要在观测值的后面加上低通滤波器[3]。

在低通滤波器的低频区域，系统模型与参考模型近似相等，同时对干扰具有较强的抑制能力，在低通滤波器的高频领域，高频噪声对系统近乎没有作用，而一般噪声都是高频噪声，所以，对扰动观测器的影响不大，因此，扰动观测器可以有效抑制扰动，可以在双闭环控制中引入扰动观测器，这样可以有效地抑制在生产过程中负载转矩的周期性变化。

2.3 引入扰动观测器的速度环调速系统

在冷轧管机轧制冷轧管的瞬间，相当于对轧机施加了一个阶跃扰动，此时负载转矩会大于电机的电磁转矩，转矩平衡关系被打破，电机转速下降。电机转速的下降进一步引起电机感应电动势的下降，引发电机电流的提高，电机电流与磁场作用下的电磁转矩增加，电磁转矩与负载转矩形成新的平衡，电机转速停止下降。同理，在冷轧管机离开钢管的瞬间，轧机又从满负荷负载状态转换到空载状态，电机转速又会经历一个动态升高的过程。电机转速动态速降过大，需要引入扰动观测器来改善电机的控制。

2.3.1 双闭环控制系统电流环的结构分析

对于直流电机模型而言，电流变化很大，而转速相对而言变化较小。反电动势对电流环的干扰比较缓慢，当电流突然变化时，可以认为Δ=0；这样依据动态性能来设计电流环时，可以忽略反电动势的变化。不考虑电机电枢反电动势，对电流环干扰条件。电流环一般采用PI调节器，通过调节PI参数，可以使得电流环的传递函数为一个一阶惯性环节，相比于速度环，电流环的响应时间一般要远远短于速度环的响应时间[4]，因此，在进行速度环的分析时，可以将电流环等效成理想的比例环节。

2.3.2 双闭环控制系统速度环的结构分析

由以上分析可知，电流环为等效的比例环节，同时，因为速度环的响应速度远短于电流环的响应速度，因此，不考虑直流电机模型中，速度环生成的反电势对电流环的作用。基于扰动观测器的原理，结合直流电机的数学模型，引入扰动观测器后，设计后的速度环的结构如图1所示。

图1 基于扰动观测器的速度环结构图

在该控制方案中，假定实际系统与目标系统的模型一致。单独进行速度环的PI控制调节，通过调节ASR控制器的PI参数，使得PI调节的效果达到最优。然后考虑扰动的影响，通过调节（）滤波环节的参数，来提高系统抗扰动能力，获得更好的控制效果。

3 仿真分析

在理想条件下，假定模型参数与实际模型一致，比较双闭环条件下与双闭环+扰动观测器下系统的仿真波形如图2所示。

图2 抗扰响应

由图2可知，PI控制器与PI+DOB均有超调，但PI+DOB控制器的超调较小。调节时间方面，PI+DOB控制器的调节时间短于PI控制器的调节时间。对于系统的抗扰动能力而言，由图2可看出，PI+DOB控制器的抗扰动性能要明显高于PI控制器。

4 结束语

该文针对工业生产过程中的外部扰动，提出了基于扰动观测器的双闭环PI控制策略。将扰动观测器的控制策略与冷轧管的物理模型结合，提高了系统的动态性能和抗扰动性能。仿真结果表明，该策略可以有效提高工业生产过程中的控制效果。

［1］张厚升，李素玲.基于Matlab的双闭环直流调速系统设计与仿真分析［J］.山东理工大学学报，2013，27（04）：50-53.

［2］Bequette B W. Process control：modeling，design，and simulation［M］.New Jersey：Prentice Hall，2003.

［3］胡晓冤.基于扰动观测器的内模控制在工业过程中的应用研究［J］.工业仪表与自动化装置，2011（01）：23-25.

［4］许彦卿.基于扰动观测器的永磁同步电机调速系统控制［D］.南京：东南大学，2016.

2095－6835（2019）07－0088－02

TM33

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.07.088

李全棒（1992—），男，研究方向为控制科学与工程。惠运东（1993—），男，研究方向为控制工程。

〔编辑：张思楠〕