闭环控制技术范文（精选7篇）
闭环控制技术 第1篇
带钢的板形精度包括横截面几何精度 (凸度) 和纵向平坦度, 板形是热轧带钢的重要质量指标, 现代化的热连轧机大多配备板形闭环控制系统。莱钢1500mm热轧带钢采用由IRM和IMS公司提供的板形自动检测装置, 实现了带钢凸度和平直度的实时检测, 并自主开发了基于数字PID控制器的板形反馈控制模型, 提高了带钢全长的板形质量。
2、仪表工作原理
2.1 凸度仪工作原理
IMS公司的凸度仪是连续无接触式凸度测量装置, 使用X射线和激光修正技术测得带钢中心线厚度和带钢轮廓数据。其基本原理如图1, 在摇摆C型架内上臂装有两套X射线发射装置, C型架内下臂有58组俚电室用于检测X射线能量, 通过检测到的射线能量确定被带钢吸收掉的部分, 从而确定出带钢的厚度。通过58组测量通道可得到58组水平方向的厚度数据, 比较不同位置的厚度可得到带钢的凸度和楔形度, 如下式:
式中, C为带钢凸度;Hmi为带钢中心线厚度;Hw为带钢操作侧边缘厚度;Hd为带钢传动侧边缘厚度。
2.2 平直度仪工作原理
比利时IRM公司开发的平坦度仪, 其基本原理如图2, 投影机倾斜投射一组光线到带钢表面, 在被测带钢表面形成一组漫反射光斑组, 覆盖整个带钢宽度区域, 由CCD阵列摄像机连续摄取带钢被照亮区域的漫反射图像, 经过数字图像处理系统提取斑纹位置信息, 即可在线计算带钢沿宽度方向不同位置的伸长率。比较不同位置的伸长率可得到带钢的平坦度和不对称度, 如下式:
式中, ε为平坦度, 与二次浪形控制有关, 反映带钢对称平坦度缺陷;γ为不对称度, 与一次浪形控制有关, 反映不对称平坦度缺陷;δc为带钢中部纤维伸长率;δD为带钢传动侧纤维伸长率;δw为带钢操作侧纤维伸长率。IU是国际通用的平坦度度量单位。
3、板形闭环控制
3.1 板形闭环控制的组成
热轧带钢板形控制的区域主要在精轧, 莱钢1500mm热连轧生产线的精轧机组为四辊六机架连轧机组, 每个机架都具有正弯辊和窜辊功能。弯辊控制是该系统中最有效的动态板形调控手段。
凸度和平坦度是板形质量的主要参数, 凸度闭环控制和平坦度闭环控制分别保证带钢全长的凸度和平坦度达到设定的目标值。带钢凸度既是板形控制的直接目标, 同时又是平坦度控制的决定因素[1]。根据精轧机组的实际情况, 采用的凸度与平坦度解耦控制。基本策略是:在精轧机组上游机架F1和F2对带钢进行凸度控制, 在下游机架F5和F6对带钢进行平坦度控制, 在中间机架F3和F4同时进行凸度控制和平坦度控制。
3.2 凸度反馈闭环控制
根据凸度仪检测带钢实际凸度值, 与目标凸度值进行比较, 得出凸度反馈控制偏差, 依次通过调整精轧机组上游机架的弯辊力, 以消除凸度偏差。反之, 降低上游机架的弯辊力。根据上游机架主要控制带钢凸度、下游机架控制平坦度的方法, 在精轧机组的F2~F6都实行凸度反馈控制, 其中F2~F4的凸度反馈控制主要是将带钢凸度调节到目标比例凸度, 而F5和F6凸度反馈控制主要是在等比例凸度相等的原则下, 使带钢在凸度反馈控制时保证平坦度不受影响[2]。凸度反馈闭环控制采用典型的PI控制, 控制模型为:
式中, ΔF B (k) 为第k控制周期第i机架的凸度反馈调整的弯辊力;ka2i为凸度反馈控制模型调整系数;K pi为第i机架的凸度
反馈比例系数;ei (k) 为带钢凸度偏差;k i2为第i机架的凸度反馈积分系数;K c为弯辊力对凸度的影响系数。
3.3 平坦度反馈闭环控制
控制中主要是对F6进行反馈控制, 而当F6的调控能力达到设备极限但还不能消除平坦度缺陷时, F5也投入平坦度的反馈控制。当轧制过程中有空过机架时, 参与轧制的最后两个机架实行平坦度反馈控制。
当平坦度目标值为零时, 表示精轧出口带钢完全平坦;平坦度目标值为正时, 表示中浪轧制;平坦度目标值为负时, 表示边浪轧制。当平坦度实测值大于平坦度目标值时, 表示中间浪大, 应降低下游机架的弯辊力;反之, 则存在边浪, 应增加相应机架的弯辊力。平坦度反馈闭环控制采用的是基于数字PID控制器的算法。实践证明该算法可快速消除平坦度偏差。
4、结论
凸度仪和平直度仪运行稳定, 故障率低, 板形闭环控制投入运行以来带钢全长板形质量精度提高, 创造了很大效益。
参考文献
[1]孙一康.带钢热连轧的模型与控制[M].北京:冶金工业出版社, 2002.
闭环控制技术 第2篇
今年来, 随着计算机技术的不断进步, 数控机床或数控中心的加工能力不断提高。但是, 由于机床自身的结构和数控机床制造技术的局限, 数控机床或数控加工系统的加工精度还有进一步提升的空间。影响机床加工精度主要因是数控机床本身的一些误差造成的。这些误差包括伺服电机控制误差、传动系统误差、测量系统误差、机床结构误差等, 尤其是机床传动系统中滚珠丝杠部件和螺母副部件之间存在的反向间隙影响最大。
由于反向间隙的存在使机床工作台在定位指令和机床实际运动之间存在滞后现象, 所以机床定位控制产生较大误差, 该误差可以占到整个系统误差的50%左右。另外, 反向间隙也降低了机床系统的动态性能, 影响了系统运动的快速性。因此, 为了进一步提提高数控机床或数控加工中心的加工精度, 本文将对有关反向间隙误差机理进行分析。在此基础上, 提出对反向间隙补偿的方法。
1 半闭环系统结构和反向间隙补偿原理
在自动控制领域, 闭环控制是一种比较常用的控制策略。闭环控制的原理就是将系统的输出信号反馈到输入端, 根据反馈信号和设定信号之间的差值调节输入信号的大小, 从而使系统的输出始终与设定值一致。对于数控机床系统而言, 机床伺服进给系统主要由交流伺服电机和丝杠螺母部件组成, 其中丝杠螺母部件主要实现交流伺服电机动力旋转输出到机床工作台直线运行的转换。系统一般采用光电编码器测量交流电机的角速度, 采用激光干涉仪或光栅尺测量工作台位置变化。机床伺服进给系统结构如图1所示。
一般机床伺服进给系统由交流电机速度环、电流环和位置环组成[2]。由于将电机旋转角度转化为直线运动并反馈到输入端, 因此称之为半闭环控制。从图1中可知, 系统间隙误差主要是由滚珠丝杠和螺母副部件造成的。为此, 要提高系统控制精度, 必须在交流伺服电机和工作台之间增加间隙模型形成完整的机床伺服进给系统控制模型。
通过研究伺服进给系统的结构可知, 由于滚珠丝杠和螺母副之间存在间隙D, 机床由正向进给运动转为反向时, 伺服电机必须先走过间隙D, 然后才能令滚珠丝杠和螺母副重新接触并将电机的旋转运动改变为工作台的直线运动。如果进给的数值小于间隙D, 螺母副和滚珠丝杠处于脱离状态, 伺服电机空走了进给距离, 没有起到驱动作用;如果进给设定值大于间隙D, 电机可以驱动丝杠螺母, 使工作台产生位移, 但是工作台在运动之前, 伺服电机已经行走了距离D, 因而, 工作台实际位移偏离了系统的指令要求的位移, 误差为D。另外, 由于间隙D的存在, 使系统指令输出到工作台的响应之间存在滞后现象, 致使系统动态响应性能下降。综上所述, 滚珠丝杠和螺母副的间隙导致机床加工精度变差, 系统响应变慢, 因此, 机床伺服进给系统需要补偿间隙D。
为了消除反向间隙引起的系统误差, 可以在伺服系统反向时在输入端加入补偿信号, 补偿信号的符号由输入信号的变化决定, 幅值等于反向间隙D。这样, 伺服系统的反馈可以看成是实际测量值和反向间隙补偿的差值。依据该补偿原理可以采用多种控制策略满足系统控制要求。
2 反向间隙补偿的技术分析
机床进给系统的间隙补偿有多种方法, 可以归纳为两大类。一是在机械方面进行补偿间隙误差, 另一个是通过增加系统控制环节实现间隙补偿。机械间隙补偿方法包括采用高精度的滚珠丝杠和螺母副;提高系统部件的安装精度;装配滚珠丝杠时加入预紧力等。这些机械方法虽然可在一定程度上提高补偿的效果, 但是随着使用时间的延长会不可避免的产生磨损, 反向间隙补偿的效果会逐渐降低。在控制系统中增加间隙模型, 通过反馈控制等策略消除系统滞后和间隙带来的精度误差。该类方法可以有效地消除间隙影响, 提高系统精度和响应速度。但是同时也要考虑可能产生的系统超调和震荡。
目前, 已有多种控制策略应用到间隙误差补偿控制系统中。例如, 神经网络技术、状态自适应技术、前馈控制策略等。实际上, 各种补偿方法主要还是通过对交流伺服电机转速的控制实现间隙补偿的。为了缩短交流电机空走间隙的时间, 最好的方法是加大电机的转速。但是在到达间隙终点之前, 电机必须减速, 因为根据物理学规律可知, 在一定加速度条件下, 伺服电机经过恒加速、恒减速运动的一段固定位移所需时间最短。因此, 可以将电机运动分为加速段和减速段两个部分。根据物理学的物体运动定律, 在加速阶段可以求得补偿的位置∆Sk的增量为:
其中a为加速度, T为采样周期。
同理在减速阶段, 位移的变化率和加速阶段的变化率是一样的, 都为aT2。因此, 按照以上分析过程就可以完成间隙补偿的程序设计。该方法经过仿真和实际机床运行检验证明是可行的、准确的。
3 结论
基于半闭环控制的数控机床或数控中心的加工精度不断提高, 但是由于存在着反向间隙等系统结构性误差, 严重影响了加工精度。因此, 本文对当前主要的反向间隙误差产生的原因和原理进行了分析, 在此基础上分析了多种解决方案, 证明了速度调节方法是比较有效的解决方法。本文的有关分析和结论将会有助于数控反向补偿技术的不断进步与完善。
摘要：本文针对半闭环控制下的数控加工中存在的反向间隙问题, 在详细分析了半闭环数控机床的工作原理和反向间隙的误差机理后, 提出了解决反向间隙补偿的方法。实验和仿真结果证明了本文对反向间隙的机理分析和补偿方法的正确性和有效性。
关键词：数控机床,半闭环控制,反向间隙补偿
参考文献
[1]张晶, 王立松.基于加减速控制的半闭环数控机床反向间隙补偿[J].机床与液压, 2006 (10) .
直流电机闭环控制系统 第3篇
1 直流电机闭环控制系统的基本结构及原理
一个直流电机闭环控制系统主要分为以下四部分:误差比较器、PID调节器、执行驱动电路、反馈电路, 系统整体结构如图1所示。
其中误差比较器的功能是将用户给定系统的转速设定值与系统反馈电路反馈回来的电机实际进行比较, 从而送出一误差信号, 作为PID调节器的输入量。在微机控制系统中, 误差比较器的功能直接由软件来实现。
PID控制是较早发展起来的控制策略之一, 由于算法简单、鲁棒性好、可靠性高而广泛用于过程控制和运动控制中, 尤其适用于能建立精确数学模型的控制系统。PID调节器就是比例 (P) 、积分 (I) 、微分 (D) 调节器的组合。它将误差信号的比例、积分、微分通过线性组合构成一控制量去控制相应执行驱动电路。在过程控制中, PID控制是一种较常用控制规律。PID调节控制器的比例调节器、积分调节器和微分调节器各有其优缺点, 三者组合起来可达到取长补短的作用, 使控制更加完善。近年来, 智能控制无论是理论上还是技术应用上均得到了长足的发展, 随之不断涌现将智能控制方法和常规PID控制方法融合在一起的新方法, 形成了许多智能PID控制器。这些智能控制器不仅具备自学习、自适应、自组织的能力, 而且还有常规PID控制器结构简单、鲁棒性强、可靠性高、为现场工程设计人员所熟悉等特点。
PID调节器的动作规律如图2所示。当误差e在t0处有一跳变时, U在t0处有一冲击式瞬时呼应, 这是由微分调节器产生的。微分的作用总是反抗误差往任何方向变化, 而且误差变化越快, 它的反抗作用就越强烈。所以, 微分调节器的加入将有助于减小超调, 克服振荡, 使系统趋于稳定。同时加快了系统的动作速度, 缩短调整时间, 从而改善了系统的动态品质。
在数字控制系统中, 由于计算机是按照一定的采样周期采集被控制量, 再经PID运算后输出控制量的。即数字控制属于采样控制, 因此, 连续的时间函数必须变换成离散的时间函数, 计算机可实现的差分方程式。
式中n为采祥次数, T为采祥周期, en为第n次采样的误差值。Un是该次采祥后经PID运算出来的控制值, 它是一个全量控制值, 与控制执行机构的位置一一对应, 故也称为位置型算式。
由于1中的Un与过去的采样数据有关, 不仅要累加。而且还要存储, 这给程序设计带来不便, 因此, 目前计算机控制的PID算式普遍采用增量形式。根据式1可得:
将1减2可得增量输出的PID算式:
从4可看到, 增量输出的PID算法只需保持现时以前的三个时刻的误差值 (en、en-1、en-2) 即可。它不仅方便了编程, 而且可以减少位置式算法中由于累加ej而产生的积累计算误差。对了于某些应用, 譬如步进电机的控制, 直接采用式4就行了, 而对于需要全量输出的控制器, 则可根据4得到全量输出的增量式算式:
5的编程也比较方便, 一般是在内存中设置一个数据表, 存放A、B、C参数以及en、en-1、en-2和Un-1等值, 运算时将其调出进行乘加运算就行了。
如何选择确定PID算式中的各参数, 这也是设计PID调节控制器的一项重要工作。通常由于实际系统比较复杂, 进行严格理论计算有一定的困难, PID的各参数往往是通过实验凑试或者通过实验的经验公式来确定。
执行驱动电路的作用就是根据PID调节器输出的信号而产生驱动电机转动的直流电压。目前常用的电路有可控整流器和直流斩波器两种。可控整流器适用于大功率调速系统。对于中小功率的电机调速系统, 目前普遍使用直流斩波器, 即DC-DC变换器来调速。一个使用SCR的直流斩波器如图3所示。图中当斩波器导通时 (ton) , e0=E, 关断时 (toff) , e0=0。
式中, T为斩被周期。ton为斩波器导通时间, ton/T称为斩波工作率。改变工作率即可改变负载电压, 达到调速的目的。改变工作率有两种办法, 一种是固定T, 改变ton称为恒频系统, 也称脉宽调制 (PWM) , 采用脉宽调制对直流电机的调速是目前中小功率调速系统较常用的一种方法。另一种是固定ton, 改变T, 称为变频系统。变频系统具有防干扰能力差, 滤波困难等缺点, 在直流电机调速应用方面较少使用。
反馈电路的功能是检测电机的转速, 然后转换成误差比较器能够接受的信号 (模拟电压或数字量) 送回误差比较器。检测电机的转速, 目前常用的有以下几种形式。
(1) 采用直流测速发电机。
(2) 采用光电编码盘。
2 本系统的硬件结构及工作原理
随着数字电子技术和微型计算机技术的发展, 采用单片微型计算机实现直流电机闭环控制系统, 上述的误差比较器、PID调节器等均可由软件来实现, 简化了系统硬件电路, 使系统更加灵活可靠。采用MCS-51系列单片机的实验仪便可以用来构成闭环控制系统, 系统硬件结构见图4所示。
转速设定输入电路采用四位拨码盘。两位分别与两片74LS245 (双向三态门) 的A端相接, 74LS245的B端与单片机实验系统的数据总线相接。三态门的使能端分别接74LS138译码器的YO (译码地址4000H) 和Y1 (地址4001H) 程序采Y用读外部数据存储器的指令就能将BCD拨码盘的信息读入。
系统采用EXR51单片微机实验仪。实验仪具有6位LED显示器和一个32键的小键盘, 同时还提供了四块逻辑辑实验板以及8031仿真接口, 用户系统的硬件可在逻辑实验板上插接而成并通过仿真接口与实验仪的8031系统连接。利用实验仪的调试功能可方便地调试实验系统的软硬件设备。
电机控制驱动电路见图4。单片机产生PWM信号从P1.0输出经驱动器ULN2003与光电耦合器4N25的发光管相接。光耦的输出三极管连接直流电源和功率达林顿三极管TIP127, 达林顿管直接驱动电机运转。
转速反馈回路采用增量式光电码盘, 码盘输出信号直接与单片机的INTl引脚相接, 由软件对转速的脉冲信号进行计数。
本系统的软件框图如图5所示。
由于该电路在采用了线性脉宽调制 (PWM) 的方法来实现对电机转速的调节, 还加入了单片机控制, 不仅小巧、轻便、输出特性良好而且还操作简单, 调试灵活, 具有控制智能化等特点, 因此, 十分适用于各种科学实验与小功率的电子设备中, 相信会有很好的应用前景。
摘要：本文介绍一种采用单片微型计算机实现直流电机闭环控制系统。大大地简化了系统硬件电路, 使系统更加灵活可靠。
半闭环数控系统控制方法 第4篇
数控技术是解决制造业生产自动化的基础技术,在工业生产过程中应用广泛。为了实现工件加工的精度和加工过程的稳定性,在各个加工运动过程中数控系统必须具备一整套完善的运动控制处理方法,尤其是现代的高速高精度加工,运动控制计算方法更是一个非常关键的技术环节。笔者在实际数控系统开发中总结出一种实用的数控系统半闭环控制计算方法。
2 半闭环系统控制原理
半闭环数控系统每个轴的运动控制如图1所示,半闭环数控机床伺服进给系统由交流伺服电机+滚珠丝杠实现位置伺服进给,丝杠螺母实现电机的旋转运动到工作台直线平动之间的转换。由于控制对象为工作台位置,而反馈信息为电机旋转角度,而不是托板移动位置,因此被称为半闭环系统,反馈的增量式旋转编码器与电机直联,把电机的转速和转角直接反馈到运动控制器。由于电机输出到工作台运动以后的部分无法控制,控制精度无法确定,这要求电机与丝杆的配合、丝杆精度、丝杆与刀架托板之间的配合都要良好,才能保证控制精度,为了减少托板的误差,就要考虑反向间隙和螺距误差补偿处理,给定值就不只是插补计算的位置值,而应是理想值、反向间隙补偿值和螺距误差补偿值的组合。反馈值如果是脉冲量,计算时需要转化为位置量[1]。
图2是伺服电机运动控制系统方块图。运动控制器的任务是建立运动控制计算数学模型,即根据系统的各种参数固化图2虚线框内的调节器。
3 半闭环控制计算方法
每个控制循环都是首先根据插补和补偿处理,计算出给定值(见图2);将位置给定值与位置测量值比较后得到的偏差值输入到PID调节器;该PID调节器计算输出值、速度前馈和加速度前馈的累加值转化成模拟电压输出到交流伺服驱动器。因此电机的控制由CNC和伺服驱动器共同控制。本文只介绍CNC控制部分,下面说明在第n次控制循环时的伺服运动闭环控制计算方法。
3.1 给定值计算
为保证工作台的位移与插补计算出的位移相同,计算给定值时,不仅计算本周期插补增量,还要计算本周期反向间隙的补偿增量和螺距误差补偿增量。为避免补偿量过大引起震荡,反向间隙补偿需要作加减速处理,反向处理过程中有增量输出,否则输出增量为零[1],螺距误差补偿时到达螺距误差补偿点进行螺距误差补偿,其处理也要进行加减速处理。第n次控制循环的给定增量值Fn为:
Fn=Vn+Bn+Cn(长度/周期)(1)
其中:Vn为第n次控制循环的增量值;
Bn为第n次控制循环的反向间隙补偿增量值;
Cn为第n次控制循环的螺距误差补偿增量值。
加速度给定值ACCn为:
ACCn=Fn-Fn-1(长度/周期2)(2)
给定位置值为Ln:
3.2 反馈位置值计算
反馈位置值通过光电编码器反馈的脉冲进行计算,一般应用增量式编码器,主机读回的值是脉冲增量值,需要把脉冲增量转换为长度增量,公式如下:
式中:Δn为反馈长度增量;
Pn为编码器反馈脉冲增量;δ为计算控制系统脉冲当量。
δ计算公式如下:
其中:T为丝杠螺距;
A为增量式编码器分辨率;
M为减速器的电机端齿轮齿数;
N为减速器的丝杠端齿轮齿数。
3.3 伺服运动控制计算方法
运动控制的计算由确定数量的控制循环组成,每个控制循环的计算都由以下三个计算步骤完成。
(1)由于本次反馈值对应上周期给定值,第n次控制循环的偏差值en为:
其中:Ln-1为第n次控制循环的编码器反馈值。
PID控制算式中积分作用,可以消除静态偏差,但对系统的动态品质带来了不利的影响,特别是偏差e较大时,会引起很大的超调量,并且震荡不休。因此提出积分分离PID控制算式,在偏差较大时不引入积分控制作用,并把积分项清零,当被控量接近它的给定值时,才进行积分项处理。积分计算方法如下:
emax为积分分离处理处理时,误差的最大值,由系统参数进行设置。
(2)计算第n次控制循环的调节器输出值Bn:
其中:KP为比例系数;Kd为微分系数;Ki为积分系数;Kvff为速度前馈系数;KACC为加速度前馈系数。
KP比例增益项为系统提高刚度,Kd消除稳态误差,KD为系统提供稳定性的阻尼项,速度前馈作用是减少微分增益或者测速发电机环路阻尼所引起的跟踪误差。惯性所带来的跟踪误差与加速度成正比,因此它可以由加速度前馈项来补偿。这些系数的值由系统位置控制参数进行设置[2]。
(3)计算第n次控制循环的数模转换器输出控制值Bout:
其中:Berror为静态补偿值(模拟输出零偏补偿值);
D为计算输出增量与数模转换比例因子。
其中:K为数模转换器的分辨率位数;T为丝杠螺距;U为数模转换输出的电压最大幅值;E为伺服驱动器的电压灵敏度;N为减速器的丝杠端齿数;M为减速器的电机端齿数。
编写程序时,系数如(5)、(11)式放在系统复位初始化里进行计算,运动控制运算时将能够大大节省时间。补偿稳定后,机床移动位置就可以认为是插补理想值。如果反向间隙和螺距误差补偿量正确,利用此方法即可准确控制工作台的位置。
4 总结
该控制方法简单可行,计算量相对较小,效率高。笔者使用C++语言编写了该算法的程序,并在ARM+DSP硬件平台上运行,取得了理想的效果。目前在新研发的半闭环车床数控系统中进行了应用,系统运动平稳,定位精确,跟随误差小,基本可以满足车床数控系统控制的高精度、高稳定性和高可靠性要求。
参考文献
[1]张晶,王立松.减速控制的半闭环数控机床反向间隙补偿[J].机床与液压,2006(10):28-30.
闭环控制技术 第5篇
电力系统暂态稳定闭环控制的目的是在系统遭受到不能够耐受的大扰动之后, 以最小的控制代价维持系统的暂态稳定[1]。系统是否遭受到了不能够耐受的大扰动识别问题, 本系列文章 (一) 、 (二) [2,3]给出了准确的判别方法。但是以最小的控制代价维持系统的暂态稳定却与控制实施的快速性直接相关, 扰动发生的同时投入控制措施控制效果最理想。然而这样却不能够充分发挥系统吸纳扰动的能力, 没有控制的必要性识别, 达不到最经济。如果能够根据获得的实测轨迹信息, 准确地超实时预测到未来一段时间内的系统轨迹, 然后根据预测轨迹的几何特征采用本系列文章 (一) 、 (二) [2,3]的不稳定性判别与后续文章控制决策方法, 将能够很好地兼顾闭环控制的必要性、快速性以及控制代价最小的问题。
近年来, 如何实现电力系统轨迹的准确预测是电力系统稳定分析领域的研究热点。文献[4]最早提出通过多项式逼近的方法实现对功角曲线的预测, 并且提出采用修正因子对功角进行滚动预测, 保证了预测功角有一定的准确性。文献[5-7]采用样条函数插值、三角函数拟合、自回归预测等数学方法进行发电机轨迹的预测。这些预测方法都是遵从功角是状态量不会突变的事实, 其优点是不依赖于形成系统轨迹的模型和参数, 仅仅根据当前的轨迹就可以预测未来一个时段的轨迹;缺点在于对电力系统的动力学系统特性发挥不足, 预测的精度和时间长度不够理想。文献[8]利用广域测量系统 (WAMS) 稳态测量数据作为仿真计算的初始值, 依据故障后各元件的机电暂态模型及参数, 进行快速的仿真获得轨迹。文献[9]尝试使用神经网络等人工智能方法预测系统的轨迹, 存在训练样本巨大、训练过程难以收敛和外推能力差的缺陷。
文献[10]针对发电机的动力学系统特性, 下时段功角的变化除了与上时段的功角有关之外, 还与角速度、角加速度有关, 基于自记忆函数的方法计及了其高阶量变化的影响。数值仿真结果表明, 这种功角曲线的预测方法具有精度高、稳定性好、预测时间长的优点。但是该文献没有对角速度的预测进行深入的研究。本文在此基础上给出了基于发电机微分方程的状态变量联合滚动预测方案, 结合本系列文章 (一) 、 (二) [2,3]中提出的不稳定判别原理, 发展了基于预测轨迹的暂态不稳定判别方案, 加快了判别速度。
1 轨迹预测方法
对于多机电力系统, 每台发电机的运动方程可以写作式 (1) 形式。
其中, i=1, 2, …, n;δi为发电机i的功角;ω0为同步角速度;Δωi为发电机i的转子角速度偏差;Mi为发电机i的惯性时间常数;Pm i为机械输入功率, Pei为电磁输出功率, ΔPi=Pm i-Pe i称为不平衡功率;Di为阻尼因子, 近似认为Di=0。
在广域测量系统中, 功角δi、角速度偏差Δωi和不平衡功率ΔPi可以通过实时测量获得, 其中δi二阶连续可微, Δωi一阶连续可微, ΔPi代表了角加速度, 在系统发生网络切换时刻可以突变, 但是在非网络切换时刻它是连续的。
自记忆预测是从微分方程出发, 通过与一个记忆函数作内积, 将历史数据提供的信息反映到微分方程中, 在计算中表现出良好的稳定性和精度[5,6,7,10]。它适用于具有如下形式的微分动力系统:
其中, xRn为n维动力系统的状态量;F为系统状态量对时间的微分方程。
当应用于电力系统发电机功角预测时, 按照自记忆方法的三阶预测公式, 发电机功角预测如式 (3) 所示[11]:
每次预测需要用到之前3个数据点的信息, 既能够保证计算的快速性, 也能保证预测结果的准确性。式 (3) 中的βi可以采用最小二乘法拟合[12,13], 其拟合公式为:
需要指出的是, 在式 (3) 中, 预测未来时刻的功角时需要用到对应时刻的角速度的值, 这并不是已知的, 而是经过预测获得的。虽然角速度和不平衡功率的关系也符合式 (2) 中的导数关系, 但是由于轨迹的不平衡功率并不是一个连续的函数, 因此采用自记忆的方法进行角速度预测的效果反而不是最好的。通过大量仿真发现, 角速度随时间变化的曲线具有低频拟周期的特性, 因此可以采用三角函数拟合的方法滚动预测角速度信息。
角速度拟合的公式为:
其中, Δωc (t) 、λ1ω (t) 和λ2ω (t) 为拟合t时刻角速度偏差Δω (t) 所用到的公式辨识参数, 也可以采用最小二乘法拟合获得, 拟合公式与式 (4) 相似。
对于计及调速器和励磁调节器的非自治多机系统而言, 等值的不平衡功率轨迹曲线同样具有低频拟周期性质, 因此可以通过三角函数拟合。预测公式为:
其中, Pc (t) 、λ1t (t) 和λ2t (t) 为拟合t时刻不平衡功率ΔP (t) 所用到的公式辨识参数, 可以采用最小二乘法拟合, 形式同式 (6) 。
就某一确定时刻的系统运行状态而言, 只要系统中不发生大的网络操作或其他大扰动, 参数在短时间内可当成定常不变, 即只需要用最小二乘法辨识一次参数, 之后认为它们保持恒定, 仿真表明该方法可以准确预测未来0.4 s的轨迹。
2 实时滚动预测方案
自记忆预测可以较准确地预测未来下一时段 (约0.4 s) 的功角、角速度, 随着暂态过程的进展, 数据不断更新, 用最新的实时数据滚动预测未来的轨迹, 步骤如下。
a.获取当前系统状态量数据, 检测是否有网络切换, 如果有, 则计数器清零。检测计数器, 判别已获得的数据样点量是否足够 (至少需要4组样点的数据) , 如果不够, 则等待下一时刻数据读入, 直到所需数据量足够, 则开始本次滚动预测。
b.根据角速度和不平衡功率信息, 利用最小二乘法根据式 (6) 和式 (8) 识别预测角速度和不平衡功率的参数。
c.按照式 (5) 和式 (7) 对下一时刻的角速度和不平衡功率进行预测。
d.根据之前的功角和角速度信息, 按照式 (4) 利用最小二乘法识别预测功角的参数。
e.根据当前的实测数据, 用式 (3) 预测下一点的功角值。
f.判断预测时间是否达到预定时长, 若否, 则转步骤d;若是, 则结束本次滚动预测。
该预测方案考虑了功角的高阶信息, 对于时变性不强的系统, 理论上其预测结果必然更加准确, 如图1所示的理想单机无穷大系统, 其轨迹预测见图2 (图中角速度偏差、不平衡功率为标幺值, 后同) 。可见在0.1~0.2 s的时段内预测轨迹与实测轨迹基本重合, 随着预测时间的变长, 预测轨迹与实测轨迹有了较明显的偏差, 根据判别精度与控制速度的要求, 灵活给定预测时长。并且本文提出的预测方案能够准确地预测功角、角速度和不平衡功率的变化趋势, 见图2 (b) 、 (c) , 即使采用上升段的数据也可以预测到未来下降的趋势。在预测时长0.3 s时, 预测轨迹的功角与实测轨迹功角相差不超过4°, 该时长足够完成执行控制。
需要指出的是, 对于多机系统而言, 由于时变的非自治影响, 预测的精度在不同情况下差别较大, 大量仿真结果表明预测的时长在0.3 s之内, 其功角的最大误差小于5°, 多机系统的预测轨迹曲线如图3所示。
3 基于预测响应和实时响应的暂态稳定闭环控制启动方案
对于造成不稳定发展越快的大扰动, 其轨迹预测的精度越高, 越需要更快地投入控制, 使用预测轨迹对系统暂态稳定性进行超实时的判别;根据实测响应的暂态稳定判别对于临界不稳定具有更好的准确性;结合两者的优点, 依据本系列文章 (二) [3]提出的多机系统暂态不稳定性判据, 构建出基于预测响应和实测响应的暂态不稳定性识别方案, 将其作为闭环紧急控制系统的启动判据, 其具体流程如下所示。
a.大扰动启动条件满足。
b.读入当前时刻各发电机的功角、角速度和不平衡功率信息。
c.判别功角间隙差, 若不大于门槛则认为此时系统稳定, 回到步骤b;否则, 实时分群。
d.对已被分群的系统进行等值计算, 获得等值系统的功角、角速度和不平衡功率信息。
e.启动本文提出的轨迹滚动预测方案, 获取未来0.3 s内的预测轨迹。
f.若等值轨迹的功角大于门槛值转步骤g;否则转步骤b。
g.分别计算实测轨迹当前点及预测时段内逐点轨迹的不稳定指标τ和μ曲线。
h.判定系统当前时刻及预测的未来时段内稳定性, 以上二者判别结果全为稳定返回到步骤b;反之启动后续紧急控制方案[14]。
步骤c的设置是提高分群等值的可靠与必要性, 步骤f的设置是基于超前失稳功角大于一定值的事实, 角度设定门槛值避免在极小角度时的可能误判。
4 算例仿真
为了验证提出的基于预测响应的多机电力系统暂态不稳定性实时监测方案, 本文在IEEE标准39节点系统和三华实际电网中做了大量的仿真, 仿真结果验证了该方案的可行性。
4.1 简单电力系统
在接线图如图1所示的简单电力系统[15]中, 同本系列文章 (一) [2]一样, 在双回线的一回上发生三相接地短路故障, 然后在tc时刻切除故障线路, 改变故障切除时间tc可以获得不同的相轨迹, 同时系统的稳定性也不同。通过仿真可知该故障的临界切除时间tcl是0.13 s。通过PSASP的仿真计算, 获得故障发生后0~5 s内系统发电机δ、Δω、ΔP等状态量数据, 数据采集的时间间隔选择为10 ms。将PSASP仿真数据作为实测数据输入称为实测轨迹, 根据实测数据进行轨迹滚动预测, 称为预测轨迹, 比较仿真结果、实测轨迹、预测轨迹的暂态稳定性判别结果, 如表1所示。
在简单电力系统中, 由于轨迹预测有较高的预测精度, 使得暂态不稳定性的判别速度得到了明显的改善, 暂态不稳定的判别精度有保证。尤其是在临界失稳情况下, 判稳时间提前了0.33 s, 判稳功角从119°提前到了61°, 这对后续实施紧急控制有着极其重要的意义。
4.2 IEEE 39节点系统
IEEE标准39节点系统的接线图如图4所示。该系统有10台发电机组, 发电机采用E′q恒定模型, 自带调压器、调速器和PSS, 可见这是一个多机的非自治电力系统。
同本系列文章 (一) [2]一样, 仿真中设置了3种故障, 其中故障1设置为母线4和母线14之间发生三相接地短路故障, 故障2设置为母线3和母线18之间发生三相接地短路故障, 故障3设置为母线25和母线26之间发生三相接地短路故障, 3种情况下系统均在tc时刻切除故障。通过仿真可以获得故障1的临界切除时间tcl, 1为0.19 s, 故障2的临界切除时间tcl, 2为0.29 s, 故障3的临界切除时间tcl, 3为0.28 s。
表2—4是比较仿真结果、实测轨迹、预测轨迹的暂态稳定性判别结果。
根据表2—4可以看出, 基于预测响应的暂态不稳定性判别速度快于实测轨迹, 具有一定自适应的特性, 即越恶劣的状况判断速度越快。需要注意的是, 由于预测轨迹与实测轨迹存在偏差, 在系统处于临界稳定时预测轨迹会发生误判。根据快速性与精确性的取舍, 在工程实际中可以使用基于预测轨迹的方法作为闭环控制的启动判据, 这种情况下, 虽然发生误判, 但是控制量计算的结果较小, 切机量不大, 不会造成很大的损失, 而且实施控制措施后会使得系统远离临界运行状态, 提高了系统的稳定裕度。
5 结论
本文针对系统状态量各自的特点, 引入了符合电力系统物理意义的能够体现动力学微分方程原理的轨迹滚动预测方法, 使得轨迹预测的精度较好、时段较长。将预测轨迹与实测轨迹联合应用, 判别多机系统暂态稳定性, 对于暂态不稳定判出的速度更快, 为后续实施闭环控制赢得了更多时间。
摘要：尽管基于实时响应的不稳定判据可以快速启动稳定控制, 但为了提高控制投入后阻止不稳定的效果、减小控制的代价, 最好在必要时尽可能早地启动闭环控制。提出基于电力系统发电机实测轨迹的滚动预测未来轨迹的方法, 使用预测轨迹判别暂态不稳定, 并启动后续的稳定性闭环控制。IEEE 10机39节点系统和三华电网实际系统的仿真验证了该预测暂态不稳定后启动控制的准确性和快速性。
做好项目后评价,实现管理闭环控制 第6篇
自控所固定资产投资体系经过多年建设, 已实现了从前期论证到项目实施、验收的全流程制度化、信息化管理。但随着固定资产管理工作的不断深入开展, 目前需要更多地关注固定资产的投资效果, 不断提升固定资产的质量及投资效益比, 因此需要建立固定资产的后评价体系。
二、理论与思考
项目后评价一般是指项目投资完成之后所进行的评价, 通过对项目实施过程、结果及其影响进行调查评价和全面系统回顾, 与项目决策时确定的目标以及技术、经济、质量指标进行对比, 找出差别和变化, 分析原因, 总结经验, 汲取教训, 得到启示, 提出对策建议, 通过闭环信息反馈, 改善投资管理和决策, 达到提高投资效益的目的。自控所的固定资产投资管理已经实现了从项目立项-前端计划-实施过程-项目验收-资产报废的信息化, 有良好的基础平台。引入项目后评价, 增加固定资产历史故障分析、预防性维护模型建立、资产使用后评价、供应商信息反馈管理和资产报废信息管理内容, 进而搭建整个固定资产全生命周期管理体系。
三、分解与实施
项目后评价具备现实性、全面性、反馈性和预见性等特征, 要形成一个有效的和系统的管理循环和评价体系。具体来讲有五个特点。现实性:项目后评价是以真实数据或依据实际状况重新测算的数据为基础, 对项目运行的实际状况进行深入研究。全面性:项目后评价是整体性和系统性的评价项目管理的全过程, 即对项目立项决策、商务过程、实施控制、项目验收等全过程进行全方位的评价。反馈性:项目后评价的最终目标是将评价结论反馈到决策部门, 作为新项目的立项和评估的标准, 作为整合投资策略的依据。预见性:项目后评价主要是通过后期反馈的数据, 结合各种评价方法, 更好的为项目未来的实施进行预期判断, 进而提出行之有效的具体措施。合作性:项目后评价需要长期有效积累, 评价人员的素质、能力将直接关系到评价结果。因此, 后期评价人员应该包括技术人员、设备操作人员、设备维修人员、项目管理人员和财务主管等, 才能保障项目后评价工作顺利实施。依据项目后评价的主要特征, 结合自控所目前固定资产投资现状, 分层建立后评价指标体系, 从评价层、分析层、操作层三个层次入手, 并考虑到整个体系建设周期, 分布实施, 前期在评价层重点做好技术后评价、质量后评价以及供应商后评价。
在分析层面, 针对技术后评价, 从技术、功能指标进行分解评价, 如设备的技术指标的运行状态评价, 包括协议书中的关键技术指标, 分周期评价, 主要检验设备的稳定性, 做出技术指标的综合评价。质量后评价通过日常的维修记录, 故障统计与分析, 建立预防性维护模型, 可有效的将设备在使用中的相关信息 (设备故障率以及局部备件故障情况) 反馈给前期的采购人员, 形成资产采购的闭环管理。进而实现对于分析鉴别实际结果和预期结果的偏离程度及合理程度, 并找出发生变化的原因, 并为后续项目决策和管理提供参考依据。供应商后评价可利用已有的SMS系统建立供应商管理数据库, 收集供应商基本信息, 资产录入后便可点击进入供应商管理, 按照已经关联好的供应商信息表自动生成对应的设备查询单。查询可单按设备名称、厂家、型号进行查询, 以列表形式显示、提供比较界面, 显示各供应厂商, 购买日期, 设备金额等信息。加入使用和管理部门综合评价, 从供应周期、产品质量、售后服务三个维度进行评价。在操作层面, 应该首先确定后评价内容, 划分评价模块, 从系统性、实用性等方面确立指标设置原则, 依据模块逐一建立评价指标体系, 从可行性、关键值等方面确立检验原则, 优化指标体系, 再进行指标预处理, 最后通过三类途径 (主观赋权法, 客观赋权法、主客观赋权法) 确定指标权重。项目后评价的整体建设, 应该先从建立资产分类库入手, 明确评价对象, 建立评价指标体系, 确定评价方法, 进行综合评价, 再反馈给评价指标体系, 分布实施, 逐步完善。
四、总结与展望
项目后评价是整个固定资产投资非常重要的环节, 通过完善固定资产历史故障分析、预防性维护模型建立、资产使用后评价、供应商后评价等方面, 可形成资产投资的闭环管理, 进而搭建整个固定资产全生命周期管理体系。具体实施中还应加强以下几个方面:1) 转变观念, 重视项目后评价工作。强调后评价工作对事不对人, 重在总结经验教训, 为后继项目投资决策提供依据, 而不是追究责任。使相关部门重视后评价, 积极配合后评价工作。2) 完善项目后评价内容, 实施全过程评价。项目后评价是一项复杂而细致的工作, 它不仅是对项目工程和技术的审查评价, 更重要的是对项目经济和效益的分析评价。3) 完善项目后评价制度。应该将项目后评价纳入管理制度中, 靠制度执行, 靠制度管理, 并完善到考核体系中。总体而言, 项目后评价是提高投资效率, 减少浪费的一种有效方式。有效科学地开展后评价工作是提高投资效益的保证, 具有十分重要的意义。
摘要：项目后评价一般是指项目投资完成后所进行的评价, 总结经验, 汲取教训, 得到启示, 提出对策建议, 通过闭环信息反馈, 改善投资管理和决策, 达到提高投资效益的目的。本文对目前固定资产投资现状进行了分析, 结合项目后评价的理论进行了深入思考, 提出项目后评价的初步实施方案。
关键词：项目后评价,技术后评价,质量后评价,供应商后评价
参考文献
[1]周善忠.能源类国有企业投资项目后评价指标体系与程序设计.项目管理技术, 2010.
[2]中央企业固定资产投资项目后评价工作指南.
果林机器人行走驱动闭环控制分析 第7篇
关键词：果林机器人,双电机驱动,PID闭环控制,电机响应速度
0 引 言
果林机器人能够代替人完成某些果林大面积巡视、喷洒农药和样本采摘的任务, 适用于大型山林果园的智能化看护管理。使管理者在室内通过远程图像传输观察果林情况, 可多次重复使用无线遥控操纵系统完成果园管理工作。目前美、英、德、法、日等国都有不少的自动机械在代替人来从事各种农业的工作。果林机器人的作业环境非常复杂, 受到自然环境和各种人工干预, 面对非结构化的三维空间。果林机器人要能灵活较好的完成预定功能, 选择合适的电机控制就变得尤为重要。履带式果林机器人采用差动驱动结构, 左右两侧驱动电机的型号相同, 驱动电路参数一致。从理论上讲, 当给定左、右电机大小相等且方向相同的速度信号时, 果林机器人应该直线运动;当给定左、右电机大小相等且方向相反的速度信号时, 机器人应该原地回转。但由于左右电参数以及电机控制回路参数不可能做到绝对一致, 机械结构上左右履带的主动轮半径也存在细微差别, 履带的松紧度也有差异, 导致左右履带不能快速达到速度给定值及速度同步。机器人的运动轨迹与理论情况存也存在偏差, 并且偏差会随着果林机器人速度的提高而增大。可见, 控制果林机器人行走的双电机, 成为设计果林机器人的重点。
1 双电机驱动PID控制分析
PID控制算法[1,2]是控制系统中技术比较成熟, 应用最广泛的一种。对电机的控制采用PID控制算法。根据系统速度给定值和实际输出测量值之间的偏差, 并利用偏差的比例、积分和微分计算出控制量, 用控制量去调节PWM的占空比, 实现调压调速, 快速、平稳地使电机转速达到给定值。其算法结构简单、参数调整方便。本文中电机控制的作用是接收指令速度值, 通过运算向电机提供适当的驱动电压, 并维持这个速度值。
其中比例控制:能迅速反应误差, 加快系统响应速度, 但是不能消除稳态误差, 且容易产生超调, 导致系统振荡;积分控制:只要系统存在误差, 积分控制作用就不断地积累, 输出控制量, 以消除误差, 但积分作用太强会使系统超调加大, 甚至使系统出现振荡;微分控制:能预见偏差变化的趋势, 在偏差还没有形成之前消除, 但对噪声干扰有放大作用。本文设计对果林机器人运动控制系统中, 左右电机采用转速增量式PID闭环控制。
式中:T为采样周期;KP为比例系数;KI为积分系数,
增量式PID控制计算的优点是能使积分饱和得到改善, 使系统超调减少, 过渡时间短, 也使系统动态性能有所提高。采用PID算法来控制转速, 最重要的就是选取适当合理的参数T, KP, KI, KD, 使PID控制器的控制质量达到最优。如果参数整定不当, 就会引起控制系统的发散, 还有可能使系统陷入崩溃状态, 控制稳定性[3]和准确性就无从谈起。
本文设计采用工程整定法, 按照工程经验公式对控制器参数进行整定[4]。采用先比例、后积分、再微分的顺序反复调试。具体的整定步骤如下:
(1) 比例环节的整定 (将比例系数由小变大, 并观察相应的系统响应, 直至得到反应快、超调小的响应曲线[5]) ;
(2) 积分环节的整定:整定时首先置积分常数为一较大值, 并将经第一步整定得到的比例系数略微减小 (如降为原值的80%) , 然后逐渐减小积分常数, 并根据响应曲线的好坏反复改变比例系数和积分系数, 使在保持系统良好动态性能的情况下, 稳态误差得到消除, 由此得到相应的整定参数[6]。
(3) 微分环节的整定:可先置微分常数为零, 在第 (2) 步整定的基础上逐渐增大微分常数, 同时相应改变比例和积分系数, 以获得满意的调节效果和相应的参数。数字PID控制器可根据KP=0.63k, TI=0.49T, TD=0.14T的经验确定, 实际设计时果林机器人控制系统PID调速控制器试验调整确定T=30 ms, KP=20, KI=20, KD=2。
运动控制系统中左、右电机采用转速增量式PID闭环控制流程如图1所示。
2 双电机转速增量式PID闭环控制仿真结果与实验
为了检验果林机器人车体运动控制单元的控制性能[7]。设置机器人在地面上作直线运动和转向运动, 通过速度检测装置获取运动速度反馈, 比较速度设定值与反馈值。根据图1流程进行计算:当机器人左、右电机以3 000 r/min的速度在地面上直线运行时, 左、右电机在开环控制下的效果如图2所示, 可见电机经过1.8 s转速仍然在2 500～2 800 r/min之间震荡。当左、右电机转速增量式PID闭环控制下的阶跃响应的效果如图3所示。左、右电机PID闭环控制下, 电机响应速度不仅快, 而且能很快地稳定在指定速度上。当然电机左、右轮速度略有差异;但是行走中, 移动车体运动平台运行平稳, 无抖动现象;同时也发现, 当果林器人的负载臂在携带物品重量变化时, 当前端重后端轻时, 有利于爬坡、越障[8]。
3 结 论
PID控制算法是控制系统中技术比较成熟, 应用最广泛的一种。它的结构简单、参数容易调整、鲁棒性好、可靠性高、适应性强, 在工业的各个领域中都有应用。本文中对电机的控制采用PID控制算法, 根据系统速度给定值和实际测量输出值之间的偏差, 并利用偏差的比例、积分和微分计算出控制量, 用控制量去调节PWM的占空比, 实现调压、调速, 快速、平稳地使电机转速达到给定值, 并维持这个速度值。
由于果林机器人工作地面的不平整性, 以及机械臂采摘时后坐力的作用, 使得移动平台必然发生位置移动、振动、跳动甚至自锁, 这些现象可以随着机械刚度和整体重量加强而减弱, 但是随之而来的重量问题必然会增加动力电瓶的负担。
参考文献
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[2]张锦刚, 张雷.Research on the development conditions ofmilitary robots abroad[C]//第七届国际测试技术研讨会论文集.太原:中国兵工学会, 2007:2850-2852.
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