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矿用电动轮自卸车柴油发电机组H2/H∞调速器的研
来源:礼德动力      作者:柴油发电机组厂家      浏览:       时间:2019-11-22 10:37

0 引言

由于矿用车辆工作环境的特殊性以及其载重的重量要求大都比较高,其长时间处于低转速、大转矩的工作环境中,传统燃油载重车辆已无法满足这种要求,所以电动轮自卸车成了必然选择。矿用电动轮自卸车的动力系统是由柴油发电机组构成的一套独立的电源系统,其输出电源质量的好与坏直接决定着自卸车是否可以正常工作。柴油发电机组调速系统由柴油机与调速器构成,柴油机的转速又决定了同步发电机输出交流电的频率,因此柴油机的转速响应特性直接决定了同步发电机输出交流电的质量。

H控制理论是上世纪80年代由加拿大学者Zame[1]提出一种鲁棒控制理论方法,经过研究人员的不断优化与改进,H控制理论已经成为研究和设计不确定系统的一种重要工具。对于解决系统的鲁棒稳定性问题H控制起到了极其重要的作用,然而它无法保证系统的鲁棒性,与之相对应的H2控制却有着相反的作用。为了确保系统的鲁棒性以及鲁棒稳定性,Bernstein[2]于1989年提出了综合H2/H控制理论。鉴于H2/H控制理论在控制系统中能够获得理想的鲁棒稳定性与鲁棒性,其一经提出便成为广大研究学者的热点问题之一。

柴油发电机调整系统是一个非线性系统,而H2/H控制理论是一种解决线性问题的方法,所以本文通过直接反馈线性化方法将非线性系统线性化,进而利用H2/H控制理论方法进行研究。由于H2/H控制可以解决被控对象在建模中的误差及模型内的扰动所带来的一些难题,通过设计H2/H转速控制器对解决柴油发电机组参数不稳定和结构不确定性所带来的问题起到良好的效果,最终可以达到抑制柴油发电机组系统扰动、提高精度的目的。

1 柴油机转速调节系统的数学模型

文献[3]给出了柴油机的H控制器柴油机调速系统原理图,结合文献[4],采用H2/H控制器的柴油机转速调节系统的原理图如图1所示。

图1 柴油机转速调节系统原理图

执行机构的输入信号与输出信号组成的传递函数为:

式中,T1为执行机构的时间常数,K1为其增益,L为执行机构的输出轴位移。其微分方程形式为:

令ΔL=L-L0,其中L0为输出轴位移的初始值,则式(2)可变为:

当柴油发电机组处于平衡工况时,其主力矩应与阻力矩相等,即存在=。如果柴油机出现加速或减速的情况,平衡工况被破坏,则主力矩M1与阻力矩M2的平衡状态发生改变,即M1≠M2,在这种情况下将会产生惯性力矩、恢复力矩和阻尼力矩。此时柴油机的运动方程可表示为[5]

一声枪响使打架的知青都停止了。杨秉奎冲到打架的知青中间,扯开嗓子喊:“谁再打我崩了他!都到仓库避雨去!”

柴油机的转矩转速特性如图2所示是一条光滑的曲线,可以通过将其分为若干个线性进行逼近求解。则每一段可表示为

式中:ki,bi—常数,在不同分段中取相应的值,i=1,2,3,…,m,n—柴油机转速。

综合柴油机的速度特性与调速特性得到主力矩M1在额定段的综合表达式为

式中:a—常数柴油机的额定转矩;LN—执行器额定输出行程;L0—执行器空载行程;Td—柴油机转矩滞后时间。

图2 柴油机的转矩转速特性

定义 d1=b1-aL0,则式(4)可变换为

由于柴油机的转矩滞后时间Td取决于柴油机的转速、气缸数以及冲程数,且在实际工程中Td要远小于柴油机调整系统转速的过渡时间,于是式(4)变为

加入负载转矩可得:

经标幺化可得:

式中,ω、M2均为标幺量,L为实在量,SB为柴油发电机组视在功率的基准值,取角速度的基准值ω0=100π。令Δω=ω-ω0,则式(10)改为:

在发电机中,功角与电角速度的关系为:

将式(9)两边同除以 Ta,与式(2)、式(10)联立成方程组为[6]

2 柴油发电机组H2/H调速器的设计

将式(11)用矩阵形式表示,则可改成:

令 x1=δ,x2=Δω,x3=ΔL,则式(13)可写成:

式中

系统的动态性能评价信号为:

式中,Cj、Dij均为加权矩阵,其值经过反复试验取得。

在MATLAB的LMI工具箱中提供了求解H2/H控制问题的函数msfsyn[7],通过msfsyn函数可求得H2/H控制器,函数的调用格式为:

[gopt,h2opt,K]=msfsyn(P,[r1,r2],[0 0 1 1],region);

其中,P为系统矩阵,[r1,r2]为评价信号z2和控制输入的维度,[0 0 1 1]表示计算混合H2/H控制,region为LMI区域,一般为默认值。gopt、h2opt分别表示H和H2性能指标,K表示所示的状态反馈矩阵。

被控系统的控制器为:

3 计算机仿真

本文设计的柴油机调速系统的参数如下:

柴油发电机组的功率为750kW,额定转速为n=1000r/min,机组转动惯量J=68.28kg·m2,机组阻尼系数D=4.25,发电机磁极对数p=2,柴油机额定扭矩为6.06kN·m,执行器的增益为K1=0.3,时间常数T1=0.06,输出轴的最大行程为10mm,ωg0=50π。

取系统的加权矩阵为:

通过计算可得:

在MATLAB的LMI工具箱中利用msfsyn求得:

gopt=1.4581,h2opt=0.7621,K=[0.7925 62.9630-30.0548],由式(17)可得出柴油发电机组的H2/H调速器为:

v=0.7925x1+62.9630x2-30.0548x3=0.7925δ+62.9630Δω-30.0548ΔL

仿真图形如图3所示。

通过仿真图可以看出,当给系统增加一个突加负载时,系统的输出会出现明显的波动,但都能在极短时间内恢复到平衡状态。从而可以看出H2/H调速器能够很好地保持柴油发电机组的动态性能,能够有效地保持系统的稳定性,达到了预期目标。

4 结论

本文利用鲁棒控制理论H2/H控制方法设计对矿用电动轮自卸车柴油发电机组进行了调速器设计,并用LMI工具箱求出了H2/H控制器,对抑制系统的扰动和提高系统的精度起到了良好的作用,改善了矿用电动轮自卸车动力系统的稳定性。

图3 应用H2/H调速器突加负载时系统的动态响应


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