[发明专利]双闭环直流调速系统最优控制器的设计方法

说明书

技术领域

本发明属于双闭环直流调速系统技术领域，特别是涉及一种双闭环直流调速系统最优控制器的设计方法。

背景技术

双闭环直流调速系统的传统设计方法有两种：一是采用伯德图法；二是采用工程计算方法。但这两种方法均有缺点。采用伯德图法设计控制器时，需要先求出所设计闭环的原始系统开环对数频率特性，再根据性能指标确定校正后系统的预期特性，经过反复试凑，才能确定控制器的特性，并计算其参数。这种反复试凑的过程需要熟练的设计技巧，并伴随大量的运算。采用工程计算方法是把实际系统校正或简化成典型系统后，利用现成的公式和图表来进行参数计算，设计过程相对简单。但它只有参数计算公式，在调试系统时，如果系统性能不够满意，不能明确调整参数的方向；而且在公式和图表的形成过程中忽略了次要因素而进行一些近似和简化，使得计算结果存在有一定误差。对于复杂的不能简化成典型系统的情况，工程计算方法就无能为力了。

发明内容

本发明的目的是提供一种双闭环直流调速系统最优控制器的设计方法，以采用ITAE准则设计出适合双闭环直流调速系统的最优控制器。通过最优控制器进而实现系统的最优控制，使系统尽快进入稳态，具有小超调量、短调节时间，精确的跟踪性能；消除传统设计方法的缺陷，使得控制器的设计思路更为简洁、计算更为准确、执行更为便捷。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的双闭环直流调速系统最优控制器的设计方法，其特征在于包括下述步骤：

1)首先确定双闭环系统中除控制器外各环节的时间常数：

(1)整流装置滞后时间常数T_s，对于三相桥式整流装置，所述的整流装置滞后时间常数的平均滞后时间T_s＝0.0017s，

(2)电流滤波时间常数T_oi对于交流侧为工频的三相桥式电路，所述的电流滤波时间常数T_oi，每个波头的时间是3.33ms[1s/(50*6)＝3.33ms)]，为了基本滤平波头，应有(1～2)倍的T_oi＝3.33ms，因此取T_oi＝2ms＝0.002s，

(3)速度滤波时间常数T_on，根据所用测速发电机纹波情况，所述的速度滤波时间常数T_on＝0.01s，

2)选择电流控制器结构：从稳态要求上看，希望电流无静差，从动态性能看，不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在起动过程中不超过允许值，因此，电流环应以跟随性能为主，即选用典型I型系统，又由于电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型I型系统，采用PI型电流控制器，

3)选择速度控制器结构：为实现速度无静差，在负载扰动点前面必须有一个积分环节，它包含在速度控制器中，现在扰动点后已经有了一个积分环节，即速度环开环传递函数共有两个积分环节，所以设计成典型II型系统，同时也能满足动态抗扰性能好的要求，由此速度控制器也采用PI控制器，

4)建立系统仿真模型：将前面的分析结果和已知条件填入双闭环直流调速系统的动态结构框图，就可以建立系统仿真模型，在该模型中定义了4个待定参数，Kp1，Ki1，Kp2，Ki2，并定义了误差的ITAE指标，输出到第一输出端子上，

5)启动OCD即Optimal Controller Designer最优控制器设计程序，直接得出ITAE指标最优化下的两控制器设计参数，

6)观察系统输出，得出结论。

所述的启动最优控制器设计程序直接得出ITAE指标最优化下的控制器设计参数为Kp1＝50.7748，Ki1＝1.7050，Kp2＝8.9919，Ki2＝10.776，即速度环控制器G_c1(s)＝50.7748+1.7050/s，电流控制器G_c2(s)＝8.9919+10.776/s。

所述的系统仿真模型由两部分组成：

第一部分通过第一输出端输出最优指标值，该部分由偏差信号e(t)取绝对值后与时间信号time相乘，再经过积分环节1/s后得到J_ITAE指标：J_ITAE＝∫^∞₀t |e(t)|dt，用于实现系统的最优控制，这里采用ITAE作为最优控制的准则，是因为时间time比较大时，为保证1端输出的指标值小，可使稳态误差迅速变小，从而让系统快速进入稳态区域。