基于 LQSF 的伺服系统速度调节器的设计与研究
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2004 年7 月 电 工 技 术 学 报 Vol.19 No.7 第 19 卷第 7 期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Jul.2004 基于 LQSF 的伺服系统速度调节器的 设计与研究 陈 荣1,2 邓智泉1 严仰光1(1.南京航空航天大学自动化学院 南京 210016 2.盐城工学院 盐城 224003)摘要 针对按经典控制理论设计的速度调节器和实际运行结果出入大的问题,提出用二次型性能指标最优调节器(LQSF)的设计思想,实现永磁同步伺服系统的速度环调节器的设计。根据二次型性能指标最优设计思路,通过适当调节状态变量的加权矩阵,使相应状态变量满足控制要求,性能指标最优。对于速度调节过程中的饱和,设计采用 Bang-Bang 控制来实现过渡过程响应时间的最小化。在电机速度阶跃过程中,设置较大的限幅力矩,可以使系统有更快的响应,更小的响应时间。仿真和实验证实了本文所做设计的有效性。关键词:永磁同步伺服系统 二次型性能指标最优调节器(LQSF)速度调节器 中图分类号:TP13;O175.13 Design and Research on Speed Regulator of Servo System Based on Linear Quadratic State Feedback Chen Rong1,2 Deng Zhiquan1 Yan Yangguang1(1.Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Nanjing 210016 China 2.Yancheng Institute of Technology Yancheng 224003 China)Abstract Aiming at the problem that the speed regulator parameters designed by classical control theory are very different from that used in practical,the design of speed regulator of Permanent Magnet Synchronous Servo System is put forward by means of Linear Quadratic State Feedback(LQSF).With the help of properly modulating the weighted matrix of state variable,the corresponding variables could meet the demand of system control and the performance specification is excellent.When the speed regulator becomes saturation,the Bang-Bang control method is applied to reduce response time of transitional process.The maxim limit torque is set when motor speed is jumping,so that the response of system can be quickened and the response time can be shortened.The differential feedback of motor speed is imported to speed regulator,as a result of which the overshoot of speed depresses obviously.Both numerical simulation and experiment results show that the approaches adopted are valid.Keywords:Permanent magnet synchronous servo system,linear quadratic state feedback(LQSF),speed regulator 1 引言 永磁同步伺服系统一般由位置环、速度环、电流环构成。对电流环的设计,可以由经典控制理论导出的电子最佳调节法1,2,按时域指标进行设计。如仍按此法对速度调节器进行设计,设计的结果将和实际调整的结果出入很大,原因是没有考虑速度调节器的饱和及饱和所引起的非零初始调节问题。而按照二次型指标设计的系统,在任意初始条件下都是最优的35,因此可以考虑使用二次型指标最 国家自然科学基金资助项目(50337030)。收稿日期 2003-09-08 改稿日期 2004-02-11 第 19 卷第 7 期 陈 荣等 基于 LQSF 的伺服系统速度调节器的设计与研究 39 40 电 工 技 术 学 报 2004 年 7 月 (a)第 19 卷第 7 期 陈 荣等 基于 LQSF 的伺服系统速度调节器的设计与研究 41 42 电 工 技 术 学 报 2004 年 7 月 图 4 伺服系统空载起动制动及突加负载下的响应过程 Fig.4 The response of servo system when starting,breaking in no load and loading abruptly 图 5 伺服系统在不同速度范围下的速度阶跃响应波形 Fig.5 The speed step response of servo system at different speed ranges 图 6 低速突卸负载速度响应 Fig.6 The speed response when unloading abruptly at low speed range 图 7 调整速度微分加权因子后系统突增突卸额定 负载时的速度响应 Fig.7 The speed response when loading and unloading abruptly after the weighted matrix of speed differential coefficient is adjusted 7 结束语 本文借助于二次型指标最优实现了伺服系统速度调节器的设计,并在速度调节器饱和的情况下,借 Bang-Bang 控制实现速度阶跃过程响应时间的最 第 19 卷第 7 期 陈 荣等 基于 LQSF 的伺服系统速度调节器的设计与研究 43 图 8 速度微分加权因子调整后突增负载时速度响应 Fig.8 The speed response when loading abruptly after the weighted matrix of speed differential coefficient is adjusted 小化。对系统所要求的动态超调小及在外扰情况下速度响应前后沿的控制,可以通过调整所对应的加权因子来实现。同时,速度微分的引入,可以有效地减小甚至消除电机速度阶跃过程中的超调,从而可以保证系统在速度阶跃及负载变动过程中有优异的响应性能。参考文献 1 胡寿松.自动控制原理.北京:国防工业出版社,1994 2 陈荣,邓智泉,严仰光.永磁同步伺服系统电流环的设计.南京航空航天大学学报,2004,36(2):220226 3 Kuo-Kai Shyu,Chiu-Keng Lai,Yao-Wen Tsai,et al.A newly robust controller design for the position control of permanent-magnet synchronous motor.IEEE Trans.on IE,2002,49(3):558565 4 Kuan-Teck Chang,Teck-Seng Low,Tong-Heng Lee.An optimal speed controller for permanent-magnet synchronous motor drives.IEEE Trans.on IE,1994,41(5):503510 5 Jongsun Ko,Sungkoo Youn,Youngil Kim.A robust adaptive precision position control of PMSM.IEEE 37th IAS Annual Meeting USA,2002(1):120125 6 薛克安,孙优贤.线性最优调节器二阶工程设计法及应用.控制理论与应用,1997,14(2):271275 7 章卫国.先进控制理论与方法导论.西安:西北工业大学出版社,2000 8 刘伯春.按二次型逆问题频域解法设计电传系统的最优调节器.电气传动自动化,1994(2):713 9 李悦,李忱.舰载雷达伺服系统线性二次型性能指标的确定.华东船舶学院学报,1997(2):2530 10 许强,贾正春,李朗如.带负载转矩补偿的 PMSM 交流伺服系统自适应控制.电工技术学报,1997,12(5):14 作者简介 陈 荣 男,1963 年生,博士研究生,副教授,研究方向为电力电子及电力传动,交流伺服。邓智泉 男,1969 年生,教授,研究方向为无轴承电机,高速电机,交流电机控制。第十五届中国过程控制会议将在长春召开 第十五届中国过程控制会议将于 2004 年 7 月30 日至 8 月 4 日在长春举行,本次会议是由中国自动化学会过程控制专业委员会主办,吉林大学通信工程学院暨控制科学与工程系、吉林省自动化学会承办。本届会议讨论与交流的主题有:工业过程建模、仿真和辨识技术、鲁棒控制与应用、自适应控制与应用、预测控制与应用、推断控制与应用、智能控制与应用、模糊控制与应用、神经网络控制与应用、工业过程优化控制、复杂系统控制、汽车电子控制、模式识别与图像处理、DCS、PLC、流程工业 CIMS、企业资源计划 ERP、生产执行系统 MES 等。所有录用论文将分别在核心期刊吉林大学学报(信息科学版)、吉林大学学报(工学版)和控制工程上以正刊和增刊形式出版。
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