一种提升机自抗扰调速控制技术.pdf

中国科技信息 2024 年第 6 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Mar.2024-36-航空航天前对其进行补偿，提高调速精度和速度，可以提高提升机电控系统的调速控制精度以及调速效率。综上所述，自抗扰（ADRC）控制器具有更好的动态性能以及抗扰性能，本文将自抗扰控制器引入提升机电控调速系统中，重点研究了非线性扩张状态观测器的参数设计，跟踪微分器以及非线性误差律的确定方法。设计自抗扰控制器模型对传统的 PID 控制器模型进行替换，使得提升机调速系统的响应速度变快，超调量减少，抗扰能力加强，具有更强的鲁棒性，为提升机智能控制的实现以及智能矿山的发展奠定了基础。永磁同步电机数学模型永磁同步电机在近年来得到了广泛的应用，但是随着智能矿山建设以及提升机控制系统的智能化发展目标的提出，对永磁同步电机的调速响应速度以及抗干扰能力等提出了更高的要求，因此亟须提出先进的控制方法来满足矿井提升系统的精准且快速的调速需求。干扰控制技术的引入是提升控制系统性能的一种重要手段，不同的干扰观测器已经被应用到永磁同步电机的调速领域。本文结合提升系统的应用现状，用永磁电机数学模型对自抗扰控制技术进行研究，永磁同步电机在 d-q 坐标系下运动方程数学模型如下：+=+=+=sqsfdmpqsqsdqmpdsdqttmttLmLuLiniLRiLuiniLRiiJKJBJT)(（1）式中 id，iqd，q 轴电流；ud，uqd，q 轴电压；Ls，Rs定子电感，定子电阻；m，np机械角速度，极对数；Jt，f转动惯量，永磁体磁链；Kt，B转矩常数，摩擦系数；TL负载转矩。忽略铁芯饱和，不计涡流等情况下，假设 d，q 轴的电感相等，为了获得高性能的调速系统需要对 id，iq进行解耦，根据提升机电控系统的运行工况，我们取 d 轴电流为 0 的情况进行研究，通过代换我们可以得到永磁同步电机的电磁转矩为：行业曲线开放度创新度生态度互交度持续度可替代度影响力可实现度行业关联度真实度一种提升机自抗扰调速控制技术崔义森崔义森中煤科工智能储装技术有限公司崔义森（1988），山东龙口，硕士，工程师，研究方向：矿山智能控制。反馈控制是当前工业控制领域应用最多的控制方式，在提升机电控系统中也不例外，其中经典反馈控制理论PID 控制是提升机电控系统中最常用的调速方法，其核心理论是根据外界叠加到系统中的扰动对系统进行误差修正，从而使系统保持正常工作，这种调速方法的问题在于系统的动态性能较差，由于初始作用力过大导致超调量较高，由于积分器的累加时间导致动态响应速度较慢。针对基于 PID 控制的提升机电控调速系统动态性能一般，响应较慢，超调过高等问题，重点研究自抗扰控制对于调速系统外界干扰提前估计和判断方法，可以在扰动出现之-37-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Mar.2024中国科技信息 2024 年第 6 期航空航天 （2）将 PID 控制器模型与电机模型相结合，可以得到提升机电控系统数学模型如下：（3）由于速度环的控制周期远大于电流环，所以可以认为调速时电流已经趋于稳定，所以可以使用 diq/dt=0 对式（3）进行简化，得到二阶系统表达式如下所示：（4）自抗扰控制器设计本文以同步电机为研究对象，通过设计跟踪微分器，扩张状态观测器，非线性误差反馈控制率，使得自抗扰控制器在相同的提升机电控调速系统中比 PID 控制器具有更好的动态性能，电机拖动系统的二阶自抗扰控制工程范式，如式（5）所示：（5）同步电机数学模型是非线性强耦合模型，因此，其控制器模型必须为二阶模型，如图 1 所示。跟踪微分控制器设计非线性自抗扰控制器针对初始状态误差较大，初始控制对系统冲击过大的问题安排过渡过程，跟踪微分控制器（TD）可以为初始输入值提供一个缓冲的过渡过程，来跟随目标值，并且给出与输入给定值近似的微分信号。跟踪微分器是一种低通滤波器，可以起到减小超调、平滑指令的目标，进而实现降低控制器负担的作用。本文针对转速指令设定两个跟踪微分器，从而生成转速指令的过渡过程，TD控制器设计如下：（6）式中 m为期望转速指令；1为 m的过渡过程；2为 1的近似微分；r0为可调参数。如图 1 所示利用跟踪微分器 TD1 可以将目标值初始调速过程变得更加平滑，降低初始阶段对系统的冲击跟踪微分器TD2 将同步电机实际转速值给到非线性状态观测器 ESO，降低返回值的波动，提高其鲁棒性。非线性扩张状态观测器设计应用到同步电机调速领域的观测器包括降维观测器、滑模观测器以及扩张状态观测器等，其中扩张状态观测器对非线性控制系统有着天然的优势，它对系统模型信息以及状态信息需求最少，可以同时对系统未知状态和系统内外干扰进行估计，从而将系统所有扰动进行整合，大大降低了非线性控制器的设计难度。因此，针对提升机调速控制系统这个非线性控制系统，我们设计非线性状态观测器来解决系统调速的滞后性。设 x1，x2和 x3分别为 x1，x2以及 x3的估计值，本文的非线性扩张状态观测器设计如下：（7）式中 0；1 0；2 0；3 0；a1=a；a2=2a-1；a3=3a-2；()11111)s g s(iignxxx=。设，以及，扩张状态观测器（7）的误差方程可表示为：（8）将式（8）所得到的非线性扩张状态观测器模型应用于提升机电控调速控制系统中，对系统进行非线性解耦，可大大减少初始启动状态的超调量，并提高调速形同的动态响应时间。非线性误差反馈控制率设计提升机自抗扰调速控制器的设计过程中，非线性误差反馈控制率的作用是保证调速系统在输入饱和的约束下能够快速稳定地收敛到期望转速，控制率的设计目标是对比 PID 控制器可以减少系统调速的动态响应时间，通过加速速度给定收敛以及减少超调量，从而可以实现自抗扰控制器对于调速的快速响应。根据提升机电控传动系统数学模型，将式（8）得到的非线性扩张状态观测器模型写为状态空间方程，如式（9）所示：（9）定义观测器增益TL,321=，假设)3,2,1(=ixzii，使用fhan 函数作为非线性误差反馈控制率。图 1 提升机电控自抗扰控制模型中国科技信息 2024 年第 6 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Mar.2024-38-航空航天结语本文针对提升机电控 PID 调速控制技术动态性能一般，响应速度较慢，超调量过高等问题，以同步电机为研究对象，分别设计了非线性扩张状态观测器，跟踪微分器（TD），非线性误差反馈控制率，由此构成了提升机自抗扰调速控制器模型，通过仿真验证自抗扰控制器的响应速度，超调量，抗扰能力等调速动态性能指标要优于 PID 控制器。结果表明，本文设计的提升机自抗扰调速控制器可以在提高生产效率的同时还能达到节能减排的目的。图 2 ADRC 与 PID 调速控制对比图图 6 ADRC 突加 1%扰动放大电流图图 3 稳定运行时在 0.2s 处突加 1%扰动图图 4 PID 控制器抗扰动电流图图 5 ADRC 突加 1%扰动电流图Fhan 函数的离散表达式如式（10）所示：()12111fhan,sign()sign()ar harasrad=（10）其中，()()2101 2101201022,(8|)sign()/2(sign()sign()/2(sign()sign()/2yyadrhahyaad dyaayadsydydaayasasadad=+=+=+=+=+=+仿真验证本小节通过仿真来说明所提出的有限时间自抗扰控制器的有效性。电 机 参 数 设 置 如 下：极 对 数 pn=4，定 子 电感 L=8.5mH，转 子 磁 链 f=0.175wb，转 动 惯 量J=0.001kgm2，阻尼系数 B=0NMs。仿真条件设置如下：直流侧电压 Udc=311V，PWM 开关频率为 10kHz，采样周期 Th=0.2s。仿 真 ADRC 控 制 器 参 数 设 置 如 下：=0.8，1=1，2=0.8，3=0.9，=3 000，c=0.02，r1=150，h1=0.01，b=3.3106。d 轴电流 PD 控制器参数设置如下：Kp=17，Kd=5 750。图 2 所示为电机从 0 加速到 1 000 转时 ADRC 和 PID控制技术的调速效果图，从图 2 中可以明显看出使用自抗扰控制器的超调量更少，达到调速目标值所用时间更短。下面我们通过系统稳态下的叠加扰动仿真来验证自抗扰控制器的调速性能。首先我们来看稳态下叠加转速 1%的扰动情况如图 3 所示。由图 4 和图 5 对比可以看出，自抗扰控制器在抗扰动方面比 PID 控制器有着更快的响应时间，将图 5 进一步放大来看，如图 6 所示，ADRC 控制器的动态响应时间已为毫秒量级。从仿真结果来看，ADRC 控制器在调速和抗负载扰动方面都有优于 PID 控制器的性能，大幅改善了提升机电控系统的动态调速性能，增强了系统的鲁棒性。