三电机同步控制系统自抗扰控制器的构造方法技术方案

本发明专利技术公开了一种三电机同步控制系统自抗扰控制器的构造方法，将被控的三台感应电机，三台变频器以及共同负载作为一个整体组成三电机同步控制系统；在三电机同步控制系统的速度控制回路和两个张力控制回路中分别设置一个优化的一阶自抗扰控制器，该优化的一阶自抗扰控制器是一种以系统设定值、系统被控输出和上一步控制量来确定新控制量的装置，与三电机同步控制系统形成闭环，由扩张状态观测器、比例调节器以及用扰动估计值对误差反馈控制量进行补偿组成。本发明专利技术算法简单、参数易于调节，不依赖于交流电机精确的数学模型就能够很好地实现速度和两张力之间的解耦控制，获得较快的响应速度、较高的稳态精度、较强的抗干扰能力以及较好的鲁棒性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种三电机同步控制系统，尤其涉及其控制器的构造方法，适用于三台变频器驱动三台感应电机带动共同负载(如带状负载)的高性能同步控制，属于电力传 动控制设备的

技术介绍
目前，采用变频器来驱动交流感应电机(简称交流电机)从而构成交流变频调速 系统，该系统已被广泛应用于采用直流电机调速传动的领域，因而多电机同步控制系统成 了现代工业中应用比较广泛的电控系统。但由于交流电机的数学模型为复杂的高阶、非线 性、多变量系统，同时，皮带的动力学特性复杂，张力环的广义对象数学模型不易描述，特别 是张力和速度之间相互耦合，故对多电机同步控制系统采用常规的比例积分微分PID调节 无法达到速度和张力的解耦控制，也无法实现高性能的同步控制。 专利号为03112856. 4、名称为"恒压频比变频调速系统的神经网络逆复合控制器 构造方法"的专利，将恒压频比工作方式的变频器、电机和负载共同形成复合被控对象。专 利号为03112857. 2、名称为"感应电机的神经网络逆控制变频器及构造方法"，将由电压控 制电压源逆变器与坐标变换构造出扩展的压控逆变器，与被控感应电机及负载共同形成复 合被控对象。这两件专利的技术方案均是根据复合被控对象构造神经网络逆，将神经网络 逆与原系统复合形成伪线性系统再对该伪线性系统设计线性闭环控制器，最后将线性闭环 控制器与神经网络逆相串接形成神经网络逆复合控制器从而实现对感应电机的高性能控 制，但其缺陷是构造神经网络逆复合控制器的方法较为复杂， 目前，常规的一阶自抗扰控制器(ADRC，以下相同)的典型结构主要由跟踪微分 器(TD)、扩张状态观测器(ES0)、非线性状态误差反馈(NLSEF)三部分组成，结构复杂，涉及 的可调参数较多，计算负担主要集中在其非线性反馈环节中，因此计算量大，使得系统的控 制周期较长。而实际应用表明，控制周期的长短对自抗扰控制器的控制性能影响很大，造 成系统控制性能严重下降，因此目前针对自抗扰控制器的众多应用大多都只停留在仿真阶 段，而很难实现实际应用。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种简单实用、计算量小的三电机同步控制系统自抗扰控制 器的构造方法，采用该方法构造的自抗扰控制器结构简单，控制周期较短，具有良好的动、 静态控制性能，抗负载扰动能力强以及较强的鲁棒性，能够有效提高交流电机各项控制性 能指标。 本专利技术采用的技术方案是该方法包括将被控的三台感应电机，三台变频器以及 共同负载作为一个整体组成三电机同步控制系统；在三电机同步控制系统的速度控制回路 和两个张力控制回路中分别设置一个优化的一阶自抗扰控制器，该优化的一阶自抗扰控制 器与三电机同步控制系统形成闭环，构成自抗扰控制器闭环系统，该优化的一阶自抗扰控制器是一种以系统设定值、系统被控输出和上一步控制量来确定新控制量的装置，由扩张 状态观测器、比例调节器以及用扰动估计值对误差反馈控制量进行补偿组成，扩张状态观 测器输出控制对象和未知扰动的观测值，采用线性的比例调节。 本专利技术的有益效果是 1.优化的一阶自抗扰控制器保留了传统PID的优点并克服其缺点，将特殊非线性 效应来开发出的具有特殊功能的环节组合而成具有高品质的控制器。结合了传统调节理论 与现代控制理论的优点，与传统的PID控制器信息流框图的区别是多了一个控制量的返回 通道，正是这个通道的增添才有可能实现控制器的自抗扰能力。具有算法简单、参数易于调 节的特点。提出了 "观测+补偿"的方法，有效处理系统中的非线性与不确定性问题，同时 配合非线性的反馈方式，提高控制器的动态性能。这些特点使得自抗扰控制正好适合于三 电机同步控制系统这样模型不确定的复杂系统，使算法简单易行。 2、使用扩张状态观测器(ES0)将三电机系统的模型扰动、参数摄动以及三电机系 统中的主电机速度与张力之间耦合统一视为外加扰动进行处理，采用扩张的非线性环节估 计出其实时作用量并加以补偿，从而将系统优化为积分串联型结构，实现系统的线性化和 确定性化，不依赖于交流电机精确的数学模型就能够很好地实现速度和两张力之间的解耦 控制，获得了较快的响应速度，较高的稳态精度，较强的抗干扰能力以及较好的鲁棒性，能 够有效提高交流电机各项控制性能指标，如动态响应速度、稳态跟踪精度和抗负载干扰能 力等，易于工程实现。 3.可方便地用于多交流电机系统或整个生产线，实现网络化远程智能控制，通用 性强，性价比高。应用前景非常广阔。附图说明 图1为三电机同步控制系统数学模型示意图。 图2为传统的一阶ADRC控制原理框图。 图3为本专利技术优化的一阶ADRC控制原理框图。 图4为基于优化的一阶ADRC的三电机同步控制系统结构框图。 图5为三电机同步控制系统控制网络的通讯结构图。 图6为采用PLC作为优化的一阶ADRC的程序运行框图；其中6 (a)为主循环0B1 程序流程图，6(b)为0B35程序流程图。具体实施例方式本专利技术先构造三电机同步控制系统，确定控制策略。、图1是一个由三电机控制的 钢带巻绕系统的最简设置示意图，图1中#1电机为主动电机，#2、#3电机为从动电机，各电 机经l : 15减速机减速后驱动各自的滚筒运转，三只滚筒由一条胶带相连，#1电机和#2 电机、#2电机和#3电机之间分别通过浮动辊的张紧作用产生胶带张力F12、F23。将#1、#2、 #3变频器分别驱动相应的感应电机并带动共同负载作为一个整体构成三变频调速电机同 步控制系统，简称为三电机同步控制系统，根据虎克定律，可得到三电机同步控制系统张力 的数学模型公式。两电机之间带状加工物张力大小与两电机的速度差大小成正比，在不考 虑变频器内部结构关系的情况下，对于实际的变频调速系统来说，给定变频器一个频率信4号就能得到感应电机的一个速度输出，各电机之间的皮带张力本质上是由相邻两台电机之 间的速度差所决定的，因此，以主动电机速度作为被控对象，从动电机的速度由变频器来调 节，从而实现对皮带张力的控制。 如图2所示，传统的自抗扰控制器的是一种基于过程误差的非线性控制律，其算 法是基于"大误差小增益，小误差大增益"的工程经验设计的。典型结构包括跟踪微分器 (TD)、扩张状态观测器(ES0)、非线性状态误差反馈(NLSEF)和扰动补偿四部分。在一阶自 抗扰控制器结构中，扩张状态观测器只输出控制对象和未知扰动项的观测值，而没有控制 对象的微分输出项，因此，控制器不需要跟踪微分器的微分输出。跟踪微分器相应只起到滤 波的作用，以安排控制对象参考值的过渡过程。但过渡过程的安排是针对伺服系统设计的， 对于异步电机调速系统，安排过渡过程没有作用，因此，本专利技术在ADRC的优化模型中省略 不用跟踪微分器环节。对于一阶对象，传统的自抗扰控制器的结构采用误差的非线性比例 调节。如果适当提高反馈增益，线性的比例调节可实现相同的控制性能。因此，本专利技术采用 线性的比例调节代替非线性状态误差反馈，可以在保证控制器性能的前提下，有效降低模 型复杂程度，减小计算量。 综合上述的优化措施，得到如图3虚线框内所示的的结构优化的一阶ADRC，该优 化的一阶ADRC是一种以系统设定值、系统被控输出和上一步控制量来确定新控制量的装 置，将每个优化的一阶ADRC上前一时刻的控制量作为当前时刻的优化的一阶本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三电机同步控制系统自抗扰控制器的构造方法，其特征在于：该方法包括将被控的三台感应电机，三台变频器以及共同负载作为一个整体组成三电机同步控制系统；在三电机同步控制系统的速度控制回路和两个张力控制回路中分别设置一个优化的一阶自抗扰控制器，该优化的一阶自抗扰控制器与三电机同步控制系统形成闭环，构成自抗扰控制器闭环系统，该优化的一阶自抗扰控制器是一种以系统设定值、系统被控输出和上一步控制量来确定新控制量的装置，由扩张状态观测器、比例调节器以及用扰动估计值对误差反馈控制量进行补偿组成，扩张状态观测器输出控制对象和未知扰动的观测值，采用线性的比例调节。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘星桥，周丽，胡建群，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]