变转速泵控马达自抗扰控制_沈伟.pdf

o 变转速泵控马达自抗扰控制沈 伟，崔 霞（上海海洋大学 工程学院，上海；上海海洋可再生能源工程技术研究中心，上海；上海师范大学 天华学院，上海）摘 要：变转速泵控系统具有动力学阶数高、强非线性、参数时变等控制难点。建立了交流永磁同步电机驱动的变转速泵控马达系统的完整数学模型。在模型简化的基础上，引入串级系统的思想设计自抗扰控制器。通过 控制和自抗扰控制的对比仿真研究，验证了自抗扰控制器的控制性能。仿真结果表明，自抗扰控制器能较好克服系统阶数降低的影响，不但在基本恒定负载下响应快、跟踪精度高，而且在突变力矩干扰下时，展现出较好抗干扰能力。关键词：变转速泵控系统；泵控马达；串级系统；自抗扰控制中图分类号：；文献标志码：文章编号：（）oo o oo oo，（，o o，；o ，；o，o，）：oo oo，o，o o，o o ，o o o oo oo oo oo o o o，o o o o o o o oo ，oo o o o o oo o o o；o o o o o，o o oo ：oo；oo oo；收稿日期：基金项目：上海市工程技术研究中心建设计划（）作者简介：沈伟（），男，江苏常州人，讲师，博士，现从事控制理论与控制技术领域的科学研究。引言近十年来，随着电液伺服技术和交流伺服电机技术的长足进步，出现了变转速泵控系统。该系统采用变频控制的交流电机伺服驱动双向定量泵，通过改变电机的转速控制输入液压系统的油液的压力和流量。由于没有节流损失，变转速泵控系统具有节能的优点；并且从原理上改变了变排量泵控系统的流量调节方法，具有结构简单、可靠性高、抗污染能力强等优势。在实际应用中，变转速泵控系统面临系统动力学阶数高、非线性强和参数时变等控制难点。因此需要克服上述不利因素的影响，设计高效的控制器，实现更快的响应速度和高精度的轨迹跟踪。自抗扰控制（o oo，）是韩京清研究员于 世纪 年代提出的在深入认识经典调节理论和现代控制理论思想的基础上，大量运用计算机数字仿真发展出来的一种非线性鲁棒控制技术。该方法最大的优点在于能够将被控对象上的未建模动态，外在干扰和参数时变等强非线性不确定因素统一归结为“未知扰动”自动估计并补偿。本文针对由交流永磁同步电机（oo oo，）驱动的变转速泵控马达系统，首先建立了系统的完整数学模型。将系统简化为三阶系统，采用串级系统的思想设计 控制器。依据完整数学模型建立仿真模型，并根据实际工况在液压气动与密封年第期仿真模型中加入了饱合和死区环节。在基本恒定负载和突变力矩干扰的作用下，分别通过 控制和 控制实现恒转速控制和正弦转速跟踪。变转速泵控马达数学模型变转速泵控马达闭式系统原理如图 所示。交流永磁同步伺服电机 双向定量泵 补油泵 交流异步电机 低压溢流阀、安全阀、单向阀 双向定量马达图 变转速泵控马达系统原理图1.1 电机和伺服驱动永磁同步电机最常用的矢量控制方法是 的磁场定向控制。）电磁转矩方程永磁同步电机的电磁转矩方程为：（）（）式中，电动机的电磁转矩 电动机极对数 定子上的耦合磁链，轴电流，定子电感在，轴上的等效电感因，式（）变为：（）其中，称为电动机转矩灵敏度系数。）定子电压方程定子电压方程为：（）式中，轴电压 定子电阻 反电势系数 电机转子角速度，也是泵转子角速度）电动机运动方程电动机克服双向定量泵施加的反力矩转动，其运动方程为：（）式中，折算到电机转子轴上的总转动惯量 折算到转子轴的总黏性系数 双向定量泵施加的反力矩）伺服驱动永磁同步电机调速系统采用速度闭环伺服驱动方案，其中速度控制器和电流控制器均采用 调节。（）（）式中，（）代表 控制器 控制输入电压 电机转子角速度反馈增益1.2 双向定量泵控双向定量马达假定泵与马达连接管道较短，管道中的压力损失和管道动态可以忽略；泵和马达每个腔室内各处压力均匀相等，不考虑泵供油的脉动性；油温、密度和体积弹性模量均为常数；泵和马达内、外泄漏均为层流流动；泵和马达壳体内压力为大气压。）双向定量泵流量方程假设当永磁同步电机正向运转时，双向定量泵向管道 排油，从管道 吸油，则泵连接管道 和 的流量方程分别为：（）（）（）（）（）（）式中，泵连接管道 的流量 泵连接管道 的流量；假设双向定量泵输出流量为正，输入流量为负 定量泵的排量 泵的内泄系数 泵的外泄系数）双向定量泵力矩方程电动机驱动双向定量泵，泵也施加电动机以反力矩，其力矩方程可近似为：（）（）o式中，双向定量泵的机械效率 泵的容积效率）双向定量马达流量方程假设管道 向双向定量马达注入油液，同时马达向管道 排油时，马达正向旋转，则马达连接管道 和 的流量方程分别为：（）（）（）（）（）（）式中，管道 连接马达的流量 管道 连接马达的流量；假设双向定量马达输入流量为正，输出流量为负 定量马达的排量 马达的内泄系数 马达的外泄系数 马达转子角速度）泵马达流量连续性方程双向定量泵通过流量耦合驱动双向定量马达旋转，管道 的流量连续性方程为：（）式中，管道 或者管道 中 个腔室的总容积（包括泵和马达的 个工作腔、管道 或者管道 及与此相连的非工作容积）有效体积弹性模量 单向阀 开启时向管道 的补油量 经安全阀 由管道 向油箱的泄油量管道 的流量连续性方程为：（）式中，单向阀 开启时向管道 的补油量 经安全阀 由管道 向油箱的泄油量）安全阀泄油流量方程当管道 或者管道 与低压溢流阀的设定压力的油压差大于等于最高允许临界压力时，油液经安全阀通过低压溢流阀向油箱迅速溢流，安全阀 和 的流量方程分别为：（）（）（）式中，安全阀流量压力梯度 最高允许临界压力 低压溢流阀的设定压力）单向阀补油流量方程当管道 或者管道 的油压低于补油压力时，补油泵分别通过单向阀 或者 向管道 或者管道 补油。其流量方程如下：（）（）（）其中，表示单向阀开启时流量压力梯度。1.3 马达力矩平衡方程双向定量马达与双向定量泵流量耦合，克服负载转矩和干扰力矩，驱动负载转动。其运动方程为：（）（）式中，折算到马达转子轴上的总转动惯量 折算到马达转子轴的总黏性系数 负载力矩 自抗扰控制器设计2.1 系统模型简化电机和伺服驱动器的频宽要远高于液压动力部分，所以其动态方程可简化为：（）式中，电机及伺服驱动系统的时间常数 电机及伺服驱动系统的速度增益令 ，联立式（）、式（），得：（）|（）联立式（）式（），并考虑到一般在系统正常工况时，安全阀的泄油流量和单向阀的补油流量为，可得：（）|（）联立式（）式（），得系统动态微分方程为：液压气动与密封年第期（）（）（）?（）（）（）其中，|（）|令 ，基于式（）建立系统状态空间模型：?（）|（）其中，。由式（）可见，简化的被控对象是一个三阶系统。相对于实际的变转速泵控马达系统，简化模型式（）中忽略了未建模动态和外在干扰摄动。为了更有效的自抗扰控制，特别采用串级系统的自抗扰控制策略。将简化模型转化为如下串级系统：?：?|（）对于串级系统式（）分别设计两个自抗扰控制器：一阶自抗扰控制器 和二阶自抗扰控制器。设计方法如下：2.2 一阶自抗扰控制器 ADRC1假定 可观测，则：（，），（，）（）（）（，）|（）其中，是期望指令信号；是仿真采样步长；一般 ；的表达式为：（）（）（，）（）（）|（）2.3 二阶自抗扰控制器 ADRC2假定?可观测，则：，（，）（，）（）（）（），（，）（，）|（）其中，或 。2.4 跟踪微分器为了得到信号的微分数据，同时避免产生高频噪声，引入跟踪微分器。以被跟踪信号 c为输入，得到其微分信号 c：c cc c cc c（，c，）|（）其中，称为滤波因子，一般 ；称为快速因子；的表达式为：o c （）（）（）g（，）（）（）（）g（，）（g（，）()g（，）（）（g（，）|（）仿真建模3.1 系统仿真图交流永磁同步电机驱动的变转速泵控马达系统的仿真图如图 所示。图 系统仿真图3.2 饱合和死区伺服驱动器输出的控制电压范围为 ，伏特。无论在 控制还是 控制方式下，在控制器的输出端引入饱合模块，将控制电压限制在 之间。仿真中选取的交流永磁同步电机的额定功率为 ，最大电磁转矩为 ，因此在电机电磁转矩方程仿真模型中引入饱合模块，将电磁转矩限制在 之间。实际工况下，当电机转速过低时，液压系统的容积效率不能满足要求，甚至液压泵还会出现空吸现象。因此，电机的转速范围设置为 。需要在电动机运动方程仿真模型中分别引入饱合和死区模块，将电机转速限制在 之间。仿真分析4.1 仿真参数选取参照川木科技的 交流永磁同步电机，电机参数选取如表、表 所示。表 电机参数一（）（）表 电机参数二（）（）（）（）仿真中双向定量泵和双向定量马达的参数选取如表、表 所示。表 泵控马达参数一（）（）表 泵控马达参数二，（），（）（）（）和 控制器的参数按表 选取。表 控制器参数 取。，按下式选取：4.2 仿真分析分别对变转速泵控马达系统进行恒转速控制和正弦转速跟踪控制。仿真时长设置为 ；求解器设置为“o（o o o”；其他求解器参数采用默认值。）基本恒定负载转矩期望指令信号与马达反馈转速信号比较，其差值输入控制器；控制器输出控制电压信号 至伺服驱动器；伺服驱动器对 变频驱动，改变电机的转速和方向，实现恒转速和正弦转速跟踪。液压气动与密封年第期假设马达承受基本恒定负载转矩，观察分别经 控制和 控制的变转速泵控马达系统中恒转速响应和正弦转速跟踪性能。基本恒定负载转矩变化曲线如图 所示。图 基本恒定负载变化曲线 控制和 控制下马达恒转速响应曲线如图 所示。图 马达恒转速响应曲线由图 可见，控制存在明显的超调，稳定时间较长。虽然 控制的上升速度稍稍略低于 控制，但能很快进入稳定状态。控制和 控制下马达转速正弦跟踪曲线如图 所示。图 马达转速正弦跟踪曲线由图 可见，控制下跟踪性能明显较好。控制由于难以很好地克服双向定量泵正反转衔接时转速死区的影响，出现的跟踪曲线明显偏离指令曲线的现象。）突变力矩干扰突变力矩干扰负载变化曲线如图 所示。在突变力矩干扰下，控制和 控制的马达恒转速响应曲线如图 所示。图 突变力矩干扰负载变化曲线图 突变力矩干扰下马达恒转速响应曲线由图 可见，在突变力矩干扰负载正向跃升时，控制的转速波动明显小于 控制；当突变力矩负向跃变时，控制有明显的超调，而 控制几乎没有转速的波动。在突变干扰力矩下，控制和 控制的马达转速正弦跟踪曲线如图 所示。图 突变力矩干扰下马达转速正弦跟踪曲线由图 可见，控制在突变力矩干扰作用下，响应曲线出现了明显的抖动，而 控制的跟踪曲线几乎没有变化，展现了较好的抗干扰的性能。结语针对交流永磁同步电机驱动的变转速泵控马达系统进行了恒转速控制和正弦转速跟踪特性的仿真研究。建立了系统完整的数学模型，并将该模型简化为一个三阶系统。采用串级系统的思想构造自抗扰控制器。与 控制相比，自抗扰控制器不仅在基本恒定负载下表现出较好的阶跃响应和正弦跟踪性能，而且在抗干扰能力上，具有明显的优势。参考文献 赫连勃勃，吕立彤，陈正，等 采用非线性流量特性补偿的直驱式变转速泵控系统轨迹跟踪控制 液压与气动，o，（）：，o oo o oo ，（）：赵升吨，张宗元，徐凡，等 电磁直驱式液压泵及其发展趋势 液压与气动，（）：，o，o o oo ，（）：韩京清 自抗扰控制技术：估计补偿不确定因素的控制技术 北京：国防工业出版社，引用本文：沈伟，崔霞 变转速泵控马达自抗扰控制 液压气动与密封，（）：，oo o oo oo ，（）：蓄能器充气检测综合系统设计黄世朋，李 浩，鲁小强，赵 鹏，王光斌，韩树亮 o o o o o o g，g，g，g，g（河南航天工业总公司，河南 郑州）摘 要：详细介绍了一种对蓄能器充气和对蓄能器内部进行压力检测的综合测试系统，重点介绍了系统原理、功能、使用范围等。关键词：蓄能器；充气检测；系统中图分类号：文献标志码：文章编号：（）引言蓄能器充气检测综合系统可以分为配气系统、液压试验系统和测控系统 个分系统。配气系统的气路介质为氮气，主要用于给蓄能器充气；液路试验系统介质为 号航空液压油，主要对蓄能器进行静态试验、疲劳性能试验和