燃料电机的电机的选择及其控制策略的研究优化.docx
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燃料电机的电机的选择及其控制策略的研究优化
1电机简介2
1.2直流直线电机的力平衡方程式2
2电机参数的确定3
2.1电机功率的确定3
2.2电机转速的确定3
3电机控制策略4
3.1电机控制原理4
3.2电机控制策略5
3.2.1对积分作用的改进6
3.2.2积分分离法6
4MATLAB语言及Simulink7
4.1仿真技术的背景7
4.2Matlab和Simulink简介7
4.3控制系统计算机仿真的过程8
4.4电流环的MATLAB计算及仿真8
5总结9
1电机简介
一个多世纪以来，燃料电动机作为机电能量转换装置，其应用范围巳遍及国民经济的各个领域以及人们的日常生活之中。
近些年来，随着现代电力电子技术、控制技术和计算机技术的发展，电机的应用技术也得到了进一步的发展，新产品、新技术层出不穷。
除了人们己经熟悉的普通电机外，许多不同用途的特种电机也不断问世，如广泛应用于办公设备的无刷直流电机和高精度的步进电机、用于照相机的超声波电机、用于心脏血液循环系统的微型电机等等。
按照直流直线电动机的基本工作原理，直流直线电动机的结构有多种类型。
根据磁动势（或磁通）源的不同，直流直线电动机可分为永磁式和电磁式两大类。
永磁式是采用永久磁铁做磁通源，而电磁式是用直流电流来激励的。
永磁式直线直流电动机容易达到无刷无接触运行。
但永磁材料由于质硬，很难进行机械加工，因而一般来说永磁式电动机的制造成本比电磁式高。
而电磁式比永磁式多了一项激磁耗损。
图1直线直流电动机的基本结构分类
1.2直流直线电机的力平衡方程式
线圈中通电时，电磁力大小如式（2.1）所示。
从力学中可知，电磁力克服了动子所受的弹簧阻力和摩擦力才能使动子产生直线运动。
由力平衡关系有：
（1）
其中
K--------弹簧的弹性系数（N/mm）
x--------电机轴的位移量（mm）
Ff-------电机轴和外壳之间的摩擦力（N）
m------动子的质量（即杯套、运动轴以及位移检测装置的质量和）（kg）
a-------动子的加速度（m/s）。
2电机参数的确定
以汽车的运行工况的分析结果为基础，结合已经制定的动力性指标以及汽车动力系统部件目前的技术发展情况，接下来需要初步确定驱动电机的规格参数。
本文研究中需要确定的电机参数有峰值功率、额定功率，最高转速、额定转速、峰值转矩和额定转矩。
2.1电机功率的确定
电机的峰值功率需根据汽车的动力性指标，即最高车速、最大爬坡度和加速时间来确定。
峰值功率肯定不小于由汽车三个动力性指标确定的三个功率值，峰值功率越大，则汽车的爬坡能力和加速能力越好，但是相应的电机以及整车的成本也会上升，因此需综合考虑。
下表是各类电机评价。
表1各类型的电机评价表
车辆行驶所需功率高于电机系统设定的最小输出功率，低于电机系统的额定功率，同时辅助能源动力装置无需充电，则电机系统单独驱动车辆运行。
如果辅助能源动力装置此时需要充电，则电机系统以额定功率运行，一部分功率用于驱动车辆行驶，剩余部分功率用于向辅助能源动力装置充电。
2.2电机转速的确定
根据汽车最高车速，可以求得对应的电机转速，此时求得的电机转速为电机在恒功率区所能达到的最高转速。
由汽车理论中公式
（2）
式中：
由前文叙述可知，使用轮毂电机驱动的汽车，变速比gi取值为1，主减速比0i取值为1；au为车速，这里取最高车速140km/h，r为车轮滚动半径，n为电机转速。
则在公式中，代入最高车速，可求的此时对应的电机的转速为
（3）
考虑汽车瞬间加速等情况下的功率需求以及适当提高电机转速可以使电机体和质量减小，进而降低造价，所以这里电机最高转速确定为1500r/min，额定转速为800r/min。
3电机控制策略
3.1电机控制原理
自动控制系统中，为了获取控制信号，要将被控制量y与给定值r相比较，以构成误差信号e=r-y，直接利用误差e进行控制，使系统趋向减小误差，以至使误差为零，从而达到使被控制量y趋于给定值r的目的。
在此处的电机控制中也采用这种思想：
在点位控制中，将给定位移作为给定值r，而将检测到的位移量作为被控制量y，在控制过程中不停地检测y值并与给定值r相比较，将偏差e经过一定的变换后得到控制电压并输出使电机运动，这样只要有偏差就会有输出变化，电机就会运动，直到偏差达到允许范围为止，这时也达到了我们的控制目的；在高频运动时，可以首先给电机加上一定频率的成正弦变化的电压，使电机运动。
通过上面的讨论我们知道，此时电机的运动属于受迫振动，它的振动频率也就是给电机施加的正弦波的频率，只要控制正弦电压的电压幅值，就可以控制电机振动时的振幅。
这就是电机控制的基本思想。
图2电机控制简图
数字PID控制原理
常规的模拟PID控制系统原理框图如图3.1所示。
该系统由模拟PID控制器和被控对象组成。
图中，r（t）是给定值,y（t）是系统的实际输出值，给定值与实际输出值构成控制偏差
（4）
e（t）作为PID控制器的输入，u（t）作为PID控制器的输出和被控对象的输入。
所以模拟PID控制器的控制规律为
（5）
式中Kp--比例系数；
TI---积分系数；
DT---微分系数；
u0---控制常量。
图3控制原理图
在控制器中，比例、积分和微分环节的作用分别是对被控制系统的现在、过去和将来作出反应。
比例环节的作用是对偏差瞬间作出快速反应。
偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，使控制量向减少偏差的方向变化。
控制作用的强弱取决于比例系数KP，KP越大，控制越强，但过大的KP会导致系统振荡，破坏系统的稳定性。
3.2电机控制策略
积分环节的作用是把偏差的积累作为输出。
在控制过程中，只要有偏差存在，积分环节的输出就会不断增大，直到偏差e（t）=0，输出的u（t）才可能维持在某一常量，使系统在给定值r（t）不变的条件下趋于稳定。
积分环节的调节作用虽然会消除静态误差，但也会降低系统的响应速度，增加系统的超调量。
积分常数TI越大，积分的积累作用越弱。
增大积分常数TI会减慢静态误差的消除过程，但可以减少超调量，提高系统的稳定性。
所以，必须根据实际控制的具体要求来确定TI。
实际的控制系统除了希望消除静态误差外，还要求加快调节过程。
在偏差出现的瞬间，或在偏差变化的瞬间，不但要对偏差量作出立即响应（比例环节的作用），而且要根据偏差的变化趋势预先给出适当的纠正。
为了实现这一作用，可在PI控制器的基础上加上微分环节，形成PID控制器。
微分环节的作用是阻止偏差的变化。
它是根据偏差的变化趋势（变化速度）进行控制。
偏差变化得越快，微分控制器的输出越大，并能在偏差值变化之前进行修正。
微分作用的引入，将有助于减小超调量，克服振荡，使系统趋于稳定，特别对高阶系统非常有利，它加快了系统的跟踪速度。
需要对积分进行改进。
3.2.1对积分作用的改进
在电动机控制系统中，控制量的输出值要受到元器件或执行机构性能的约束（如电源电压的限制，放大器饱和等），因此它的变化应在有限范围内，如果计算机根据位置式PID算法得到的控制量uk在上述范围内，那么PID控制可以达到预期的效果，一旦超出上述范围，那么实际执行的控制量就不再是计算值，产生的结果与预期的不相符，这种现象通常称为饱和效应。
在前面介绍的数字PID控制器中，引入积分环节的目的主要是为了消除静态误差，提高控制精度。
当在电机的启动、停车或大幅度增减设定值时，短时间内系统输出很大的偏差，会使PID运算的积分积累很大，引起输出的控制量很大，这一控制量很容易超出执行机构的极限控制量，从而引起强烈的积分饱和效应。
常用的两种方法：
3.2.2积分分离法
积分分离法的思路是：
当被控量与给定值的偏差较大时，去掉积分，以避免积分饱和效应；当被控制量与给定值比较接近时，重新引入积分，发挥积分的作用，消除静态误差，从而既保证了控制的精度又避免了振荡的产生。
遇限削弱积分法
遇限削弱积分法的思路是：
一旦控制量uk进入饱和区，便停止进行增大积分项的运算，而只进行使积分减少（即所谓削弱）的运算。
具体过程是：
在计算uk前，先判断前一次的控制量uk-1是否超出了极限范围，如果超出，说明已进入饱和区，这时再根据偏差的正负，来判断控制量是使系统加大超调还是减少超调，如果是减小超调，则保留积分项，否则取消积分项。
控制器的参数整定
选择调节器的参数，必须根据工程问题的具体要求来考虑。
在工业过程控制中，要求被控过程是稳定的，对给定量的变化能迅速和光滑地跟踪，超调量小，在不同干扰下系统输出应能保持在给定值，控制变量不宜过大，在系统与环境参数发生时控制应保持稳定。
显然，要同时满足上述要求是很难做到的。
人们必须根据具体过程的要求，满足主要方面，并兼顾其它方面。
图4控制算法流程图
4MATLAB语言及Simulink
4.1仿真技术的背景
仿真技术作为一门综合性的科学已有四十多年的发展历史,其间经历了物理模型仿真,模拟计算机仿真和数字计算机仿真。
早期,人们采用计算机高级程序语言对系统进行仿真,如BASIC、FORTRAN、PASCAL等。
近些年,C语言用得最为普遍。
用计算机高级程序语言编制的系统仿真程序,不但要详尽描述各类事件的发生和处理情况,还要规定各类事件的处理顺序。
这样,即便是一个很简单的系统,程序也会很长,难于调试。
同时,为了设计出优良的人机界面,对数据输入方式和
仿真结果的数据打印格式或图形表达形式要大费心思。
4.2Matlab和Simulink简介
电子计算机的出现和发展是现代科学技术的巨大成就之一。
它对科学计术的几乎一切领域，特别对数值计算，数据处理，统计分析，人工智能以及自动控制等方面产生了极其深远的影响。
熟练掌握利用计算机进行科学研究和工程应用的技术，已经成为广大科研设技人员必须具备的基本能力之一。
大部分从事科学研究和工程应用的读者朋友可能都已经注意到并为之所困扰的是，当我们的计算涉及矩阵运算或画图时，利用FORTRAN和C语言等计算机语言进行程序设计是一项很麻烦的工作。
Matlab正是为了免除无数类似上述的尴尬局面而产生的。
在1980年前后，美国的Cleve博士在NewMexico大学讲授线性代数课程时，发现应用其它高级语言编程极为不便，便构思并开发了Matlab（MATrixLABoratory，即矩阵实验室），它是集命令翻译，科学计算于一身的一套交互式软件系统，经过在该大学进行了几年的试用之后，于1984年推出了该软件的正式版本，矩阵的运算变得异常容易。
4.3控制系统计算机仿真的过程
控制系统仿真，就是以控制系统的模型为基础，主要用数学模型代替实际的控制系统，以计算机为工具，对控制系统进行实验和研究的一种方法。
第一步，建立自控系统的数学模型
第二步，建立自控系统的仿真模型
第三步，编制自控系统仿真程序
第四步，进行仿真实验并输出仿真结果
4.4电流环的MATLAB计算及仿真
因为电流检测信号中常含有交流分量，所以须添加低通滤波器，但是由低通滤波器产生的反馈滤波同时也给反馈信号带来延迟，为平衡这一延滞作用，在给定信号通道也添加一个与反馈滤波相同时间数的惯性环节，使得给定信号与反馈信号经过同样的延滞。
图5带参数电流环的Simulink的模型为mx010a.mdl文件
程序如下：
1）在程序文件方式下执行以下的MATLAB程序L157.m：
%MATLABPROGRAML157.m
[a1,b1,c1,d1]=linmod（'mx010'）;s1=ss（a1,b1,c1,d1）;
figure
（1）;step（s1）;holdon
[a2,b2,c2,d2]=linmod（'mx010a'）;s2=ss（a2,b2,c2,d2）;
figure
（2）;step（s2）
[y,t]=step（s1）;[mp,tf]=max（y）;cs=length（t）;
yss=y（cs）;sgm=100*（mp-yss）/yss
tp=t（tf）
2）在程序文件方式下执行以下调用函数dist（）的MATLAB程序L157a.m：
%MATLABPROGRAML157a.m
[a1,b1,c1,d1]=linmod（'mx010b'）;s1=ss（a1,b1,c1,d1）;
figure
（1）;step（s1）;holdon
[a2,b2,c2,d2]=linmod（'mx010c'）;s2=ss（a2,b2,c2,d2）;
figure
（2）;step（s2）
[y1,t1]=step（s1）;[detac,tp,tv]=dist（1,y1,t1）;
[detac0,tp0,tv0]=dist（2,y1,t1）;
t=[0:
0.01:
0.2];
[y2,t2]=step（s2,t）;
[detac1,tp1,tv1]=dist（1,y2,t2）;[detac2,tp2,tv2]=dist（2,y1,t1）;
3）在程序文件方式下执行以下的MATLAB程序L157b.m：
%MATLABPROGRAML157b.m
[a1,b1,c1,d1]=linmod（'mx010b'）;s1=ss（a1,b1,c1,d1）;
figure
（1）;impulse（s1）;holdon
[a2,b2,c2,d2]=linmod（'mx010c'）;s2=ss（a2,b2,c2,d2）;
figure
（2）;impulse（s2）
4）在程序文件方式下执行以下的MATLAB程序L157c.m:
%MATLABPROGRAML157c.m
n1=1;d1=[0.0021];s1=tf（n1,d1）;
n2=[0.01281];d2=[0.040];s2=tf（n2,d2）;
n3=30;d3=[0.001671];s3=tf（n3,d3）;
n4=2.5;d4=[0.01281];s4=tf（n4,d4）;
n5=0.072;d5=[1];s5=tf（n5,d5）;
sys=s1*s2*s3*s4*s5;
margin（sys）
5总结
由仿真计算结果表明，利用MATLAB7的Simulink对双闭环直流调速系统进行仿真设计,可以迅速直观地分析出系统的跟随性能、抗扰性能及稳定性，使得对系统进行分析、设计及校正变得更简单方便，大大缩短了系统的调试周期，提高了开发系统的效率。
对于调速系统的设计，MATLAB7的Simulink确实是个经济、简单、快速、高效的工具。
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