脈沖直流發(fā)電機的積分分離數(shù)字PID控制技術(shù)研究

李志新，張國友

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脈沖直流發(fā)電機的積分分離數(shù)字PID控制技術(shù)研究

李志新，張國友

（海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430033）

在對鐵磁物質(zhì)實施磁性處理時，需要主電源系統(tǒng)輸出正負(fù)交替、幅值逐步衰減的脈沖電流，本文以設(shè)計磁性處理脈沖直流發(fā)電機控制系統(tǒng)為研究內(nèi)容，在采用傳遞函數(shù)法建立主電源控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，針對主電源系統(tǒng)電流波形的特點提出了積分分離PID調(diào)節(jié)方法，并進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化。本文的研究成果已在工程實踐中得到了驗證和應(yīng)用。

磁性處理 直流發(fā)電機 PID調(diào)節(jié) 積分分離

0 引言

在對鐵磁物質(zhì)實施磁性處理時，需要在工作線圈中通以圖1所示的正負(fù)交替、幅值逐步衰減的脈沖電流，在被處理的鐵磁物質(zhì)周圍空間產(chǎn)生正負(fù)交替、幅值逐漸衰減的脈沖強磁場，達(dá)到消除鐵磁物質(zhì)固定磁場的目的[1]。首脈沖幅值達(dá)數(shù)千安培甚至更大，脈沖形狀要求嚴(yán)格，這就對磁性處理主電源及其控制技術(shù)提出了很高的要求。磁性處理主電源系統(tǒng)根據(jù)其實現(xiàn)方式有市電整流型、直流發(fā)電機加飛輪儲能型、同步發(fā)電機加飛輪儲能型、同步發(fā)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(fā)電機相比較，直流發(fā)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(diào)速特性、控制方便等優(yōu)點，所以直流發(fā)電機加飛輪儲能型主電源在工程實際中得到了廣泛的應(yīng)用[2]。傳統(tǒng)的直流發(fā)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(jìn)一步提升的空間，也落后于控制技術(shù)的發(fā)展水平，故研究脈沖直流發(fā)電機的數(shù)字PID控制技術(shù)，為直流發(fā)電機加飛輪儲能型磁性處理主電源的改造儲備技術(shù)，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(fā)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(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，控制臺產(chǎn)生形狀與圖1波形相同的方波脈沖控制信號，經(jīng)電機擴大機放大功率，給直流發(fā)電機勵磁，從而控制直流發(fā)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(fā)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(yīng)磁場，可用一套電樞繞組實現(xiàn)兩級放大作用。在忽略補償繞組與補償調(diào)節(jié)電阻所構(gòu)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(gòu)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(tài)保持不變的情況下，交磁電機擴大機傳遞函數(shù)如圖3所示。

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

2 積分分離數(shù)字PID控制算法

在普通的數(shù)字PID控制器中引入積分環(huán)節(jié)的目的在于消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)控制精度。但磁性處理主電源系統(tǒng)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(tǒng)偏差很大，會造成PID運算的積分積累，進(jìn)而引起系統(tǒng)較大的超調(diào)，但如果減小PID運算的積分作用，又會導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差較大，系統(tǒng)輸出精度不高，兩種情況都是系統(tǒng)設(shè)計中不愿看到的。引進(jìn)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(jù)系統(tǒng)調(diào)試實驗的結(jié)果，人為設(shè)定一閥值，當(dāng)，即系統(tǒng)偏差過大時，減小積分作用或取消積分作用，使系統(tǒng)的超調(diào)量減小，避免系統(tǒng)的振蕩；當(dāng)，即系統(tǒng)偏差較小時，加大積分作用，保證系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。以位置式數(shù)字PID算法為例，寫成積分分離形式即為[3]：

其中的值根據(jù)系統(tǒng)調(diào)試的結(jié)果設(shè)定，以決定PID控制中積分作用的大小。

3 積分分離數(shù)字PID控制算法的仿真建模

依據(jù)離散PID控制模型，對控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)采用Z變換進(jìn)行離散化，選取采樣時間為3 ms，建立離散的系統(tǒng)模型見圖6所示，模型中的T即根據(jù)系統(tǒng)時間常數(shù)選擇的信號采樣時間?！癟ransfer Fcn2”為參數(shù)優(yōu)化后的系統(tǒng)模型，優(yōu)化過程參考文獻(xiàn)[3]。

4 積分分離數(shù)字PI控制器的參數(shù)優(yōu)化

不斷調(diào)整參數(shù)，以最快上升時間為目標(biāo)反復(fù)優(yōu)化整定[10,11]得系統(tǒng)階躍響應(yīng)如圖8(c) 所示，超調(diào)量、上升時間、調(diào)節(jié)時間，此時控制器比例、積分參數(shù)為=3.5、=8.0，閥值為=0.4，系數(shù)為b=0.1。與普通PI調(diào)節(jié)相比，積分分離PI調(diào)節(jié)有一定的優(yōu)越性。

積分分離PI調(diào)節(jié)器控制脈沖輸出仿真如圖9所示，與不加PID調(diào)節(jié)器時相比，上升快、調(diào)節(jié)時間短，也帶來了一定的超調(diào)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(guān)斷功能，該振蕩不影響工作。

5 積分分離數(shù)字PID控制器的參數(shù)優(yōu)化

采用積分分離數(shù)字PID控制需要設(shè)定的參數(shù)較多，但最具影響力的還是比例、積分、微分參數(shù)。在前面PI參數(shù)調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，制器比例、積分參數(shù)為=3.5、=8.0，閥值為=0.4，系數(shù)為b=0.1不變，取=31（T=3 ms），得單位階躍響應(yīng)如圖10(a)所示，系統(tǒng)響應(yīng)變慢。曾大比例系數(shù)，取=5.0，得系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)如圖10(b)所示，達(dá)到穩(wěn)定輸出之前，輸出值大多數(shù)時間小于穩(wěn)定值，系統(tǒng)積分作用不夠。增大積分系數(shù)，取=12.5，得單位階躍響應(yīng)如圖10(c)所示，改善了積分問題。如此反復(fù)調(diào)節(jié)整定，得系統(tǒng)積分分離數(shù)字PID控制器最優(yōu)參數(shù)，其單位階躍響應(yīng)如圖10(d)所示，超調(diào)量、上升時間、調(diào)節(jié)時間，此時控制器比例、積分、微分參數(shù)為=5.0、=12.5、，閥值為=0.4，系數(shù)為b=0.1。

積分分離數(shù)字PID調(diào)節(jié)器控制脈沖電流輸出仿真如圖11所示，與積分分離數(shù)字PI調(diào)節(jié)器時相比，響應(yīng)快、超調(diào)量小、調(diào)節(jié)時間短。采用積分分離數(shù)字PID調(diào)節(jié)可獲得滿意的脈沖電流波形。

5 小結(jié)

本文首先采用傳遞函數(shù)法建立基于直流發(fā)電機的磁性處理主電源系統(tǒng)數(shù)學(xué)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(shù)字PID控制技術(shù)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(shù)字PID調(diào)節(jié)技術(shù)控制主電源輸出的優(yōu)越性。基于PLC的積分分離數(shù)字PID調(diào)節(jié)技術(shù)應(yīng)用于主電源系統(tǒng)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。