1引言

隨著電力電子技術、微電子技術和微處理器的不斷發(fā)展，異步電機變頻調速系統(tǒng)的調速性能得到了很大提升，與傳統(tǒng)的直流電機調速系統(tǒng)相比，它具有結構簡單、調速范圍寬、效率高、特性好、運行平穩(wěn)、安全可靠等特點，在生產(chǎn)實踐中得到了廣泛應用。變頻器加異步電機構成的變頻調速系統(tǒng)大有取代直流調速系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

可編程邏輯控制器（PLC）被公認為現(xiàn)代工業(yè)自動化的3大支柱之一，其控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，通訊組網(wǎng)靈活，可方便集成到現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中，適應當前自動化程度日益提高的要求。PLC變頻調速系統(tǒng)以其優(yōu)越的性能得到了越來越多的重視，但對于多變量非線性強耦合的異步電動機，采用常規(guī)的定參數(shù)PID控制方法，對負載變化的適應能力差、抗干擾能力弱且受系統(tǒng)參數(shù)變化影響大。因此，在現(xiàn)有硬件設備的基礎上，如何進一步提升變頻調速系統(tǒng)的控制性能，是一個亟待解決的問題。

這里在異步電機變頻調速系統(tǒng)中采用了自抗擾控制器方法，將系統(tǒng)的內擾、外擾等視為系統(tǒng)總擾動，由擴張狀態(tài)觀測器統(tǒng)一觀測并加以補償，使控制對象被近似線性化和確定性化，從而實現(xiàn)了系統(tǒng)的非線性控制，并通過實驗驗證了該控制方案的有效性。

2異步電機變頻調速系統(tǒng)數(shù)學模型

由電流跟蹤型SPWM逆變器供電的異步電機變頻調速系統(tǒng)在d，q兩相旋轉坐標系下的狀態(tài)方程可用五階非線性模型描述，當忽略變頻器時滯時，系統(tǒng)模型可用降階的二階非線性模型描述：

式中：ω1為電氣同步角速度；ωr為轉子速度；isd，isq分別為d，q軸的定子電流；ψrd，ψrq分別為d，g軸的轉子磁鏈；np為極對數(shù)；Lm為互感；Lr為轉子電感；J為轉動慣量；Tr為電機轉子時間常數(shù)；TL為負載轉矩。

由文獻可知，變頻器在矢量運行模式下系統(tǒng)可逆，且整個系統(tǒng)可以簡化為轉速的單輸入、單輸出系統(tǒng)。

3異步電機變頻調速自抗擾控制系統(tǒng)

3．1一階自抗擾控制器的設計

圖1為自抗擾控制器結構圖。該控制器是基于跟蹤微分器（TD）來安排過渡過程、擴張狀態(tài)觀測器（ESO）來估計系統(tǒng)狀態(tài)、模型和干擾，非線性誤差反饋（NLSEF）來給定控制信號的一種非線性控制器。

對于矢量控制的異步電機驅動系統(tǒng)，采用一階模型控制器，相應采用二階ESO結構。矢量控制中，一般保持轉子磁鏈恒定，利用ADRC的特點，對于轉動慣量變化引起的系統(tǒng)模型誤差和負載擾動的影響等歸于擴張狀態(tài)z2統(tǒng)一觀測并加以補償?；谝浑AADRC的轉速控制器原理框圖如圖2所示。

3．2ADRC的優(yōu)化

一階ADRC結構中，ESO輸出被控對象和未知擾動的觀測值，沒有被控對象的微分項輸出，控制器無需跟蹤微分器的輸出，因此在ADRC結構中省略跟蹤微分器環(huán)節(jié)。對于一階對象，采用線性的比例調節(jié)代替NLSEF，可在保證控制器性能的前提下，有效地簡化模型，減小計算量，從而得到結構優(yōu)化的一階ADRC模型。圖3為結構優(yōu)化的一階ADRC轉速控制框圖。優(yōu)化后的轉速控制器的完整算法為：

式中：為電機速度給定值；為電機速度反饋ωr的跟蹤信號；為總和擾動W（t）的觀測值；u為控制量；β01，β02為ADRC輸出誤差校正增益；h為采樣周期；kp為比例系數(shù)；b0為補償因子，通過整定kp，b0來調整系統(tǒng)的控制性能。

4實驗及結果分析

4．1系統(tǒng)硬件連接

整個系統(tǒng)包括上位機和監(jiān)控軟件（WinCC）、S7-300PLC，MicroMasterVector（MMV）變頻器、異步電機和光電編碼器，如圖4所示。

4．2系統(tǒng)軟件設計

4．2．1系統(tǒng)通訊設計

系統(tǒng)通訊由三部分組成：①PLC與變頻器之間的PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線通訊，實現(xiàn)PLC對變頻器的現(xiàn)場遠程控制；②工控機與PLC之間的MPI通訊，一方面實現(xiàn)了STEP7和PLC之間的通訊，完成程序上載、下載、調試、故障診斷和在線監(jiān)視等；另一方面實現(xiàn)了WinCC與PLC之間的通訊，完成過程數(shù)據(jù)的傳輸，系統(tǒng)狀態(tài)的實時監(jiān)控；③WinCC與Excel之間的OPC通訊，通過軟件實現(xiàn)對電機轉速過程數(shù)據(jù)的歸檔并啟用OPC通訊服務，將過程數(shù)據(jù)導出到Excel中，用于系統(tǒng)響應曲線的擬合和各項動靜態(tài)性能指標的分析。

4．2．2系統(tǒng)控制軟件設計

實驗中使用語句表STL在工業(yè)軟件STEP7V5．2中編程。整個系統(tǒng)采用結構化編程，系統(tǒng)程序結構如圖5所示。

4．3ADRC的參數(shù)整定

研究表明，β01和β02主要由控制器的離散控制周期決定，一般為：β01=1／h，β02=1／（5h2）。試驗中速度的采樣周期取為h=100ms，故取β01=10，β02=20。對于需整定的控制器參數(shù)kp，b0，實驗中采用由小到大試湊法進行整定，通過現(xiàn)場調試和修改參數(shù)，在得到較好的動靜態(tài)效果時確定一組比較理想的控制器參數(shù)，參數(shù)整定相對容易。

4．4實驗結果對比研究

變頻器設定為矢量控制方式。初始速度給定為200r·min-1，在40s后，速度給定為周期60s，n從200～500r·min-1變化的三角波得到系統(tǒng)的閉環(huán)響應。由圖6可知，ADRC控制方式下的跟隨性能明顯優(yōu)于常規(guī)PID控制。

圖7a示出兩種控制下系統(tǒng)響應曲線。由圖可知，ADRC控制下系統(tǒng)的魯棒性和抗干擾性優(yōu)于PID控制。圖7b示出圖6前40s的局部放大圖。

由圖可知，ADRC控制方式下的動靜態(tài)性能明顯優(yōu)于常規(guī)PID控制。

5結論

針對PLC變頻調速系統(tǒng)的控制性能需進一步提高的問題，簡要介紹了變頻調速系統(tǒng)的數(shù)學模型，設計了一種基于自抗擾控制器的異步電機變頻調速系統(tǒng)。與傳統(tǒng)線性PID控制方法相比，采用自抗擾控制器的變頻調速系統(tǒng)運行性能得到了顯著提升。在保證較快的動態(tài)響應的前提下，對ADRC進行了優(yōu)化，減少了控制器參數(shù)，減小了算法計算量，增強了控制器的工程實用性。