隔膜计量泵三相异步电机转速跟踪控制
隔膜计量泵三相异步电机转速跟踪控制
发表时间：2018-11-14T19:44:38.143Z 来源：《基层建设》2018年第30期作者：孙伟1 高念恒2
[导读] 摘要：计量泵广泛应用于石油、化工及水处理领域，其驱动电机通常为三相异步电机。
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摘要：计量泵广泛应用于石油、化工及水处理领域，其驱动电机通常为三相异步电机。提出一种隔膜计量泵三相异步电机转速控制方法。应用直接反馈线性化理论，通过对系统状态方程求导，得到所需的坐标变换和非线性状态反馈变量，实现了三相异步电机控制系统的输入输出反馈线性化。
关键词：计量泵；三相异步电机；转速控制；反馈线性化；跟踪控制
引言
泵在流程工业中具有十分重要的作用，近年来，引起了广大科技工作者和应用工程师的广泛关注和兴趣。隔膜计量泵作为流体计量和精确投加的理想设备，广泛应用于石油、化工、环保、制药、食品、造纸、水处理等行业中，在工艺过程中主要担负着流体定量投加和比例投加（简称定比投加）的任务，笼式转子的三相异步电动机具有效率高、起动性能好、运行可靠、重量轻及性价比高等特点，所以在工业计量泵的驱动中得到广泛应用。
一、三相异步电机简述
近年来，随着控制理论和技术的深入研究，使得三相异步电机控制系统得到快速的发展。三相异步电机的数学模型是多变量非线性系统，通过引入反馈线性化的思想，经过坐标变换和状态反馈，将其状态空间模型转换成一个线性模型，再运用线性系统控制方法设计控制器进行控制。文献考虑仿射输入非线性系统，以微分几何为处理工具，将非线性系统的控制问题转化为线性系统的控制问题。文献运用反馈线性化的思想对异步电机的磁链和转速实现解耦控制，但这种调速方法动态性能不理想。运用同样的线性化思想建立模型，再用线性系统极点配置方法设计控制器，对永磁同步电机的转速进行控制，这种方法改善了系统的动态性能，提高了抗干扰能力，但是系统存在稳态误差，使其稳态性能变差。
为解决上述问题，文中结合现代控制理论中极点配置思想和跟踪控制器设计方法，设计隔膜计量泵三相异步电机转速跟踪控制器。针对经坐标变换后的三相异步电机线性系统，利用跟踪误差信号增广线性系统，设计控制器，在提高系统动态性能的同时，改善转速跟踪精度。最后给出仿真结果，证实该控制方法的有效性和正确性。
二、三相异步电机输入输出反馈线性化模型
（一）三相异步电机仿射非线性模型
在两相同步旋转坐标系（即 d - q 坐标系）下，假设 dq 轴已沿转子磁场方向定向，则有：
x = [x1x2 x3x4]T= [ωr?dr idsiqs]T
u = [u1u2]T= [udsuqs]T
定义系统的输出为：
y1 = h1（x）= ωr
y2 = h2（x）= ?dr
将（1）重新写成标准仿射非线性系统的形式：
? = f（x）+ g（x）u
y = h（x）
（二）反馈线性化
根据微分几何理论可得，系统输出变量 y1，y2对于输入变量的相对阶分别为 r1 = 2，r2 = 2 可知系统的相对阶 r = r1 + r2 = 4，而原系统的阶次也为 4。与文献不同，本文中系统的相对阶等于系统的阶次，因此不存在零动态问题，且满足反馈线性化的调节，设计控制器时不再需要做繁琐的稳定性分析。取微分同胚变换，变换如下：
z1 = y1 = ωr
z2 = ?1
z3 = y2 = ?dr
z4 = ?2
在上述坐标变换的基础上，通过引入非线性状态控制律，便可实现三相异步电机非线性系统的反馈线性化。
三、三相异步电机转速跟踪控制器设计
运用控制理论中的状态反馈与极点配置方法，对经过反馈线性化后的三相异步电机系统设计控制器。对于状态空间模型，由于rank（Γc[A，B]）= rank（[BABA ]）2BA3B = 4，等于系统的阶次，则系统一定是能控的，因此该系统能通过状态反馈任意配置闭环极点。所设定的闭环极点可根据不同的性能指标进行修改。设计系统的设状态反馈控制器为 v = -Kz，其中 K 为极点配置状态反馈增益矩阵，其值由所配置的极点决定。通过配置闭环极点，能改善闭环系统的动态性能，但可能使其稳态性能变差，会产生一定的稳态误差。考虑跟踪控制器的设计方法，本文通过在控制回路中增加 r 个积分器，其中 r = rank（C），对极点配置后的系统设计跟踪控制器。
四、仿真与结果讨论
为了验证所设计控制方法的正确性。本文在MatLab 环境下对所建立的控制系统模型进行仿真，所提出的反馈线性化控制算法用 C 语言编写，仿真时的采样周期 Ts = 0.2 ms。三相异步电机控制系统参数如下：额定功率 PN = 1.5 kW，额定电压UN = 380 V，额定电流 IN = 2.78 A，额定频率 fN = 50 Hz，额定转矩TN = 7.45 N?m，Rs = 4.98 Ω，Rr = 5.07Ω，Ls = 0.532 H，Lr = 0.598 H，Lm = 0.523 H，极对数 P = 2，转动惯量J = 0.05 kg?m2，nN = 1 410 r/ min，σ = 0.5。文中在仿真中设定电机转速的期望值ω*r = 147.655 rad /s，磁链的期望值 ?*dr = 500 Wb。为了考察系统的抗干扰能力，在 t = 3 s 时通过改变负载 TL 的值对系统施加扰动。
在验证极点配置方法的正确性时，将期望极点配置为 λ1 = [-2 + 4j - 2 - 4j - 5 - 6]，运用 MatLab 工具计算出极点配置状态反馈增益矩阵，代入控制器 v = -Kz，观察系统的仿真输出结果。为单一运用极点配置方法设计控制器的系统的输出仿真结果达到稳态时的电机转速为 147.434 rad /s，磁链为 499.834 Wb。可见存在一定的稳态误差，为了改善系统的稳态性能，笔者构造了三相异步电机的增广系统，