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    周  杰（1981－）
男，江蘇揚州人，碩士研究生，主要從事智能控制的研究。

摘要：為了減小由大型硅整流設備電機慣性引起的輸出電流超調，通過采集全程輸出范圍內的電流值，獲得其動態響應特性，用分段線性化模型對該非線性響應曲線進行描述，建立運算簡便，響應速度快的分段線性脈寬調制控制策略，通過對電機轉動時間的控制實現電流的精確控制。同時介紹了該設備自動控制的軟件設計方案，通過采集的實際輸出電流數據對比，驗證了這種方法的可行性。

關鍵詞：整流設備；慣性；超調；PWM；自動控制

Abstract: To decrease the overshoot of output current caused by the motor inertia of large silicon rectifier equipment, we propose a precise current control strategy. Data of full output-scale current is sampled in order to obtain its dynamic response properties,which is nonlinear. This nonlinear response curve is then be described by using piecewise linear model. By establishing a piecewise linear Pulse Width Modulation control strategy for controling the rotation time of motor, which is easy-operating and has a fast response speed, a precise control of current is achieved.. At the same time, an introduction is given to the software design for automatic controling the equipment. This method is proved to be feasible through comparison of the collected data of output current.

Key words: rectifier equipment; inertia; overshoot; PWM; automatic control

1 引言

    某集團表面處理車間于九十年代從瑞士引進的一套半自動化電鍍生產線，原系統自動控制方式，由于種種原因目前已徹底失效，現場的控制主要還是人工操作，產品的質量很大程度上取決于工人的狀態，為了提高產品的合格率，需要恢復電源的自動控制。對于硅整流電源來說，其控制量有正電、反電，電流升、電流降以及電源開和電源關六個控制量。其測量的量有電流值、電壓值。由于現場的硅整流電源，其正電、反電以及電流的升降都采用電動機拖動的方式，對它的控制只需接通電動機的電源開關即可。

    由于電機在實現電流調制[1]的過程中，會有一定的慣性，因此在實際控制過程中，還需加一定的控制算法，以達到高效控制的目的。

2 電源特性分析

    被控對象為電鍍系統中型號為IDS Z1—01 12000/12，額定電壓為～380V，額定電流為～380A，額定頻率為50HZ，輸出電壓為2—12V，輸出電流±12000A，負載等級為1級的雙反星形帶平衡電抗器的硅整流電源。

    2.1 手動控制簡介

    通過旋轉控制柜面板上的整流器開/關、整流器升/降、整流器正/反三個旋鈕可以控制電源的輸出。其中整流器升/降旋鈕的控制直接決定著輸出電流的大小，當該旋鈕旋轉至“升”位置時，與之相連的繼電器吸合，電源電機正向轉動使得輸出電流逐漸增大，當該旋鈕旋轉至“降”位置時，電源電機反向轉動使得輸出電流逐漸減小。當電流到達設定值時，將旋鈕歸位，受電機轉動慣性影響，電流繼續增大，出現超調現象，此后還需要反復的微調旋鈕才能將輸出電流控制在設定范圍內。

    2.2 動態響應分析

    通過采集該電源電流全程輸出過程中多個時間點的數據生成的電流特性曲線（見與圖2）得知系統的動態響應過程呈現非線性特性，如直接采用直線函數近似全過程，在電流上升過程初端時刻，最大偏差達到72.3%，在電流下降過程末端，最大偏差為64.7%，遠遠不能滿足系統精度的要求。為了獲得理想的線性關系，滿足電流精確控制[2]的需求，需對非線性動態響應曲線分段線性化，以不同的線性函數作為參考模型。

    采取分段線性控制策略[3]的原因是在每一個線性段內電源電機轉動近似勻速，在該段內由電機慣性引起的電流超調值近似相等。通過實驗可以采集每個段內的電流超調值，這樣就可以計算出精確的脈寬調制[4]時間，利用時間的控制實現電流的精確控制。

圖1   電流上升過程特性曲線



圖2   電流下降過程特性曲線

3 分段線性脈寬調制控制

    對于電流全程上升調節過程，以1s為采集周期紀錄電流從零上升至最大輸出過程中每一個時間點t_(i)對應的電流值y_(i)，重復采集過程n次，對于每一個特定的時間t_(i)求出與之對應的n次電流平均值，通過相鄰電流差值與時間差值（因以1s為采集周期，故=1）可以確定各分段點的電流值及對應的時間值。表1中紀錄了求出的5個段點的數據，其中表示電流從0上升到y_(i)時的時間。通過實驗可以采集到每個近似線性段內的電流超調量，這里記為y_(i)。

    表1   分段線性點紀錄

    Table 1 Segment Point Record of sub-sectional

    在電流上升調節的過程中，首先判斷電流設定值Ys所在的分段區間(y_(i),y_(i+1)]，從理論上說電流調節時間t等于設定值Ys所在區間的低段點的時間值t_(i)加上分段區間內按線性模型計算出的時間，再減去電流從0上升至當前電流值Yc所對應的時間，考慮到電源電機的慣性，實際調節時應將設定值減去超調值即Ys=Ys-Y_(i)，由此確定的電流上升過程分段線性脈寬模型為：

      （1）

    式中,t_(k)為當前電流值Yc所在分段區間(y_(k),y_(k+1)]的低段點所對應的時間值，為設定電流值所在分段區間的時間差，為當前電流所在分段區間的時間差。

    同樣，對于電流下降過程也需要建立類似于表1的分段時間對應表，確定了分段區間后上述分段線性脈寬模型同樣適用，考慮到電源電機的慣性，實際調節時Ys=Ys+Y_(j)由于電流下降過程中Yc>Ys，其分段線性脈寬模型描述如下：

       （2）

    在實際控制策略實現過程中為了便于程序設計，電流調制時間都取其整數部分，由此引起的誤差可以在電流調制時間到時再進行微調控制。

4 軟件設計方案

    對于硅整流設備的控制采用電流粗調和精調結合的方式來實現，以保證電流調節的快速性與準確性。

    （1）電流粗調。在電流調節時首先進行粗調，即電流調節時間為根據電流設定值的大小由分段線性模型計算出的時間，粗調能有效的克服由電源電機慣性引起的大幅度電流超調現象且電流調節速度快。

    （2）電流精調。粗調完成后及時判斷此時的電流輸出值與設定值的偏差是否在允許的范圍內，如超出了精度范圍便執行電流精調，即瞬時控制電源電機的轉停，使輸出值最大限度地逼近設定值，從而保證控制的精確度。

    通過組態軟件WinCC (Windows Control Center)在線趨勢控件[5]采集的在手動和自動狀態下階梯電流調節曲線（見圖3、圖4）對比，可以看出建立的分段線性脈寬調制控制策略很有效的控制電流超調量現象。

圖3   手動電流調節曲線



圖4   自動電流調節曲線

5 結語

    對于大型硅整流設備，通過其特性分析，建立運算簡便，響應速度快的分段線性脈寬調制控制策略可以在很大程度上減小因電源電機慣性引起的電流超調現象，保證了電流調節的快速性和精確性。將該方法成功運用到某集團電鍍系統中，同時實現多臺大型硅整流電源的自動控制，用戶反映效果良好。

作者信息:

    周  杰，潘宏俠，郭彥青  （中北大學 機械設計及自動化學院，山西  太原  030051）

參考文獻

    [1] 肖 燦，江永清，肖耀友. 利用脈寬調制實現PG電機的平穩調速[J].微特電機，2004，4：24-26.

    [2] 張 莉, 王 旭, 劉宗富. 電流型脈寬調制在異步電動機轉速控制中的應用[J].控制與決策,2005,20(3):349-352.

    [3] 黃 偉，鄧輝文. 氣動執行系統的線性化脈寬調制控制策略研究[J].西南師范大學學報（自然科學版），2006，31(4):112-115.

    [4] 金 英，潘在平. 脈寬調制控制方法研究[J].科技通報，2005，21(1):31-33.

    [5] 蘇昆哲.深入淺出西門子WinCCV6[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2004. 45-80.