基于自抗扰控制技术的三电机同步控制系统研究

论文摘要

随着现代工业自动化水平的提高,多电机同步系统成为当今工业生产中广泛应用的电控系统。本文针对多电机同步系统的多变量解耦控制问题,应用自抗扰控制技术对由三台交流电机和三台变频器组成的三电机同步系统的速度和张力的解耦控制进行了研究。在分析三电机同步系统动力学模型的基础上,确定了主从跟随式的三电机同步控制策略。通过对传统多电机控制方法优缺点的剖析,提出了基于自抗扰控制技术的三电机同步控制方案,设计了三个自抗扰控制器（ADRC）实现对主电机速度和相邻电机之间的两个张力进行控制。应用扩张状态观测器（ESO）的双通道补偿作用,将三电机系统中的主电机速度与两个张力之间的耦合影响统一视为外加扰动。采用扩张的非线性环节估计出外加扰动的实时作用量并加以补偿,使得系统被近似线性化和确定性化,从而实现了速度和两张力之间的解耦控制。采用部分线性环节代替典型ADRC中的非线性环节,在保持控制性能的前提下,优化了模型结构,减小计算量,增强了控制算法的实用性。采用西门子S7-300 PLC和上位机监控组态软件WinCC搭建三电机同步系统实验平台。通过PROFIBUS-DP总线实现PLC与变频器之间的主从站式通讯;使用WinCC在上位机组态过程监控界面,建立WinCC与PLC之间的MPI数据通讯,实现了对三电机系统的远程实时监控。运用结构化编程思想,在STEP7中完成了自抗扰控制算法、PROFIBUS-DP网络通讯以及数据归档等程序的编写。在实验平台上完成大量的实验,通过与传统PID控制的对比,结果表明:自抗扰控制具有更快的响应速度和更高的稳态精度;对负载扰动的抑制作用更强,使系统具备了更好的鲁棒性;较好的实现了速度和张力之间的解耦;可有效跟踪任意给定轨迹。因此,本文提出的控制方法算法简单、实用性强,能够满足工业控制场合的需要,具有良好的应用前景。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 多电机同步控制技术的发展概况及趋势
• 1.3 自抗扰控制技术的发展及其工业应用
• 1.3.1 自抗扰控制器的产生
• 1.3.2 自抗扰控制技术的工程应用
• 1.4 本文研究思路
• 1.5 本文内容安排
• 第二章 自抗扰控制技术理论基础
• 2.1 经典PID控制器的优缺点剖析
• 2.2.1 PID控制器的缺陷分析
• 2.2.2 PID控制器缺陷的克服方法
• 2.2 ADRC的基本原理
• 2.2.1 跟踪微分器（TD）
• 2.2.2 扩张状态观测器（ESO）
• 2.2.3 非线性状态误差反馈控制律（NLSEF）
• 2.3 自抗扰控制器（ADRC）
• 2.4 小结
• 第三章 三电机同步控制系统设计
• 3.1 三电机同步控制系统数学模型
• 3.2 常规PID控制策略
• 3.3 电机转速模型分析
• 3.4 三电机自抗扰控制器（ADRC）设计
• 3.4.1 主电机速度ADRC的设计
• 3.4.2 ADRC的优化
• 3.4.3 ADRC的参数整定
• 3.4.4 张力ADRC的设计
• 3.5 三电机自抗扰控制系统设计
• 3.6 小结
• 第四章 三电机同步控制系统实现
• 4.1 三电机同步控制系统的硬件组成
• 4.2 基于STEP7的下位机PLC程序设计
• 4.2.1 硬件组态与PLC参数配置
• 4.2.2 结构化程序设计
• 4.3 三电机同步控制系统的通讯实现
• 4.3.1 PC机与PLC之间的MPI通讯
• 4.3.2 PROFIBUS-DP现场总线通讯
• 4.3.3 OPC通讯
• 4.4 基于WINCC的上位机监控画面设计
• 4.5 小结
• 第五章 三电机同步控制系统实验
• 5.1 三电机同步控制系统解耦实验
• 5.1.1 三电机张力恒定速度变化实验
• 5.1.2 三电机速度恒定张力变化实验
• 5.1.3 三电机解耦实验分析
• 5.2 三电机同步控制系统负载实验
• 5.3 三电机同步控制系统速度跟踪实验
• 5.4 三电机同步系统快速性分析
• 5.5 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在校期间发表的论文