內(nèi)模PID控制器在無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用
摘要:針對(duì)無刷直流電機(jī)中傳統(tǒng)PID控制器參數(shù)調(diào)節(jié)復(fù)雜、對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力較弱等問題,在分析內(nèi)模控制與經(jīng)典PID控制的內(nèi)部對(duì)應(yīng)關(guān)系的基礎(chǔ)上,綜合其優(yōu)點(diǎn),設(shè)計(jì)采用了一種基于內(nèi)部模型的PID控制器(簡(jiǎn)稱IMC-PID)對(duì)無刷直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。在建立對(duì)象理論模型的基礎(chǔ)上,通過對(duì)控制器在線仿真比較表明:針對(duì)本設(shè)計(jì)對(duì)象,基于內(nèi)部模型的PID控制器不論在系統(tǒng)階躍響應(yīng)或是擾動(dòng)跟蹤等控制效果上都能到達(dá)經(jīng)典PID控制的要求,同時(shí)還降低了參數(shù)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和隨機(jī)性。
關(guān)鍵詞:PID控制;內(nèi)模控制;IMC-PID控制;雙閉環(huán)直流電機(jī);調(diào)速系統(tǒng)
無刷直流電機(jī)是新一代機(jī)電一體化產(chǎn)品,其轉(zhuǎn)子采用永磁材料勵(lì)磁,無勵(lì)磁損耗,利用電子換向器取代了機(jī)械電刷和機(jī)械換向器,具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、高效節(jié)能、易于控制等優(yōu)點(diǎn)。故而在工業(yè)動(dòng)力過程及生活領(lǐng)域等都得到了廣泛的應(yīng)用。
經(jīng)典PID控制在電機(jī)速度控制中已經(jīng)得到了比較成熟的應(yīng)用,但是受電動(dòng)機(jī)負(fù)載等非線性因素的影響,傳統(tǒng)的控制策略在實(shí)際應(yīng)用中難以保持設(shè)計(jì)時(shí)的理想性能,且在系統(tǒng)運(yùn)行過程中,參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的外部環(huán)境的要求比較嚴(yán)格,且調(diào)試復(fù)雜不便。內(nèi)模控制(Internal Model Cont rol)是一種基于過程數(shù)學(xué)模型進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)的新型控制策略,其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、跟蹤調(diào)節(jié)性能好、魯棒性強(qiáng)、能消除不可測(cè)干擾等優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)中通過采用內(nèi)??刂圃韺?duì)不同特性對(duì)象進(jìn)行控制,結(jié)果表明:基于內(nèi)模原理的控制器設(shè)汁原理簡(jiǎn)單,可同時(shí)考慮多種控制指標(biāo),應(yīng)用范圍廣,參數(shù)整定直觀方便。分析內(nèi)??刂婆cPID控制存在的對(duì)應(yīng)關(guān)系,將PID控制器設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化到內(nèi)??刂瓶蚣芟逻M(jìn)行,可以得到明確的解析結(jié)果。這樣不僅在控制要求上能到達(dá)模糊PID控制的要求,同時(shí)又降低了參數(shù)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和隨機(jī)性。
文中通過分析基于內(nèi)模原理的PID控制器的設(shè)計(jì)原理,解析出控制器參數(shù)的內(nèi)部數(shù)學(xué)模型,并針對(duì)雙閉環(huán)無刷直流電機(jī)凋速系統(tǒng),采用MATLAB對(duì)設(shè)計(jì)的控制器與經(jīng)典PID控制器進(jìn)行仿真比較。
1 無刷直流電機(jī)模型
文中研究的模型是無中性線Y形連接的三相無刷直流電動(dòng)機(jī),該模型在多種應(yīng)用場(chǎng)合中的多數(shù)無刷直流電機(jī)中具有代表性。假定三相繞組完全對(duì)稱,忽略齒槽效應(yīng);且氣隙磁場(chǎng)為方波,定子電流、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)分布皆對(duì)稱;忽略磁路飽和,不計(jì)渦流和磁滯損耗。則無刷直流電機(jī)電勢(shì)平衡方程式為:
U=E+Iacpracp+2△U (1)
式(1)中:U為電源電壓;E為電樞繞組反電勢(shì);sacp為平均電樞電流;racp為電樞繞組的平均電阻;△U為功率管飽和壓降,對(duì)于橋式換相電路為2△U。該三相無刷直流電機(jī)等效電路圖如圖1所示。
,其中R(s)是一個(gè)n階低通濾波器R(s)=1/(λs+1)n;U(s)為內(nèi)??刂破鞯妮敵隹刂屏?;Y(s)為系統(tǒng)的輸出;R(s)為系統(tǒng)輸入;D(s)為不可預(yù)測(cè)干擾。
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