塔式定日镜电机转角控制研究

图 1.2.1 伺服电机转角控制流程图 电压信号输入， 通过功率放大器进行放大并传递给伺服电机， 电机工作后转过一定角度， 再通过计角器测量电机的转角进行反馈调解来减小误差。 根据以上原理图我们设计了一个简 单的闭环控制系统，其方块图如图 1.2.2：
U(S) -
K1
K3
Tm Ta s 2 Tm s 1
图 2.4.3b PI 反馈校正后阶跃输入响应 I 图 2.4.3a PI 反馈校正后阶跃输入响应 震荡幅值约为 0.24， 比无矫正前有了显著变化， 且响应时间大大缩短， 0.3s 时基本达到稳定， 方波规则，由此可见在虽然牺牲了一定的稳定裕量，但是响应时间大大提升，获得不错的收 益。
3.小结
采用 PID 调节和系统局部环节反馈调节的闭环控制方式，既减小了局部环节带来的误 差，又提升了整个系统的性能，更重要的事局部反馈调节不会降低系统的开环稳定性，此设 计方法对系统的稳定性要求不高，在开环传函中二阶环节较少的控制系统中有着不错的效 果。对于塔式发电中定日镜伺服电机的控制设计是一个不错的选择。 4.参考文献
1 系统校正优化设计
1.1 几种校正方式浅析
定日镜的控制如果采取简单的开环控制，必然达不到较高的精度，实际上，许多工程中 的控制系统也是要经过一定校正后才符合相应的条件， 才能进行生产使用。 控制系统的校正 方式一般分为四种，分别是串联校正，PID 校正，反馈校正，复合校正。传统的工程设计中 一般采用二阶三阶设计原则， 及在系统中加入串联校正中的超前滞后校正来提升工程控制系 统的性能， 但是这种设计也存在着许多弊端， 有时由于该校正的加入导致了系统开环增益大 大降低，稳定裕度也下降许多，这是我们所不希望见到的，对于伺服电机转角控制我们可以 采取另一种设计方式，结合几种校正的特点，我们从根本原理上进行设计方法的改进。 （1） 串联校正分为超前校正和滞后校正，超前校正的传递函数为： 1 Ti s 1 G 1 (S)= ， （ i 1） ， i Ti s1 i 取 20lg i G 1 (S)=20lgj 1 -20lgj 2 ， （j 1 =
还可以消除 G 2 (S)中某些因式的影响。 （4） 复合控制主要是前馈控制， 通过在系统中加入前馈传函来消除相应的 e ssa , e ssv ， 达到 更高的控制精度。
1.2 伺服电机转角控制设计方案
伺服电机一般简单的闭环控制调解流程如下： 信号输入 信号放大
信号输入
电机执行
信号输入
记录角度
信号输入
1 s
Y(S)
K2
图 1.2.2 校正前方块图 可观测到伺服系统控制中开环传函中 1 阶环节 2 阶环节较少， 如果才用串联校正， 可能 会对整个系统的稳定性产生影响，实际上影响伺服电机主要波动来源于加速度及速度的调
节，这些因素均在其中的二阶环节
百度文库
K3
Tm Ta s 2 Tm s 1
中，因此可以只对此环节进行反馈校正来减
为 4.7， 稳定性需要从
,
为比例环节，只起到反馈作用，不会增大系统的稳定性，要提高系统 着手，为证明此推断，对开环传递函数的波德图进行绘制，结果如下：
图 2.1.3 系统开环传递波德图 由波德图可以看出该系统峰值已经大于 0，开环不稳定，证明推论的正确。
2.2 加入反馈校正
尝试对 部分进行反馈矫正， 取测速发电机传递系数 K c =1.15V.s/rad， 速度反馈分压
图 2.1.1 校正前系统方块图 为检测改系统性能是否符合条件，对该系统进行波德图绘制，如下图所示：
图 2.1.2 校正前波德图 由 波 德 图 可 以 得 到 系 统 幅 值 裕 度 为 18.9dB, 相 位 裕 度 为 29.9 ° ， 转 折 频 率 为 15.7rad/sec，本系统的幅值裕度和相位裕度较小，稳定性性较差，需要进行相应的校正。 由于原系统的幅值裕度，和相位裕度均不高，稳定性较差，转折频率较低，还需要改进，由 原系统方块图可知原系统开环传函为 = ；闭环传函 H（S）
塔式定日镜电机转角控制仿真分析
0 引言
太阳能是一种取之不竭、 清洁的可再生能源， 利用太阳能发电是开拓新能源和保护环境、 节能减排的有效途径。较为成熟的太阳能发电技术是太阳能光伏发电和太阳能光热发电。其 中太阳能光热发电由于更加容易进行能量储存， 采光系统造价较低等优势已经逐步取代太阳 能光伏发电，成为新能源发电发展方向的主流。太阳能光热发电主要有三种形式：槽式，塔 式，碟式。早些年来发展的槽式发电现在已经商业化，但是槽式存在着聚光比较低，储热困 难的问题， 而碟式发电不适用于大规模建设， 近些年人们已经逐渐将目光聚焦到塔式发电上。 塔式发电利用多组定日镜将阳光反射到聚光塔上， 与传统的槽式发电相比， 其主要优势在于 聚光比的大幅度提升， 并且通过控制定日镜跟踪太阳更能大大提高光能利用率。 据统计塔式 定日镜控制系统在总设计的费用中约占20%的比例，由此可见其重要性。 塔式定日镜的方位控制采取的是双轴联动跟踪控制， 即采用 2 个伺服电机调节定日镜在 二维空间内的角度来跟踪太阳的位置， 一个电机用来调解定日镜的俯仰角度， 一个电机用来 调解定日镜绕垂直地面中心轴左右旋转角度，通过这 2 个方位角度的调解来跟踪太阳的位 置， 伺服电机旋转角度的控制直接影响到整个发电系统的光能利用率， 提高电机旋转角度的 控制性能可大大提升定日镜的聚光比， 合理地设计伺服电机旋转角度的控制系统， 使每台定 日镜的聚光比显著提升， 那么成百上千定日镜反射到吸热塔上的能量就大大增加， 必将为塔 式发电带来可观的经济效益。
图 2..2.2 加入反馈校正后的波德图
2.3PID 校正加入
当反馈调节加入后，虽然幅值裕度和相位裕度都大大提升，但是转角频率大幅度下降， 因此为了增加低频段的宽度，以提高系统的相应速度，还需通过 PID 调解从而提高控制系统 的反应速度，加入 PI 环节， 行方块图绘制得如图 2.3.1。 =k+ ，根据各参数和经验公式取 k=12,T=0.001，并进
用来增加高频段增益。串联校正中 i 对系统稳定性会产生不利影响， i 取得过大使 得系统开环增益大大下降， 取得过小超前校正效果不明显， 这使得串联校正的使用受 到一定限制。 （2） PID 校正分为 PI 校正和 PD 校正， PI 调解就是比例微分调解，传递函数为
G 1 (S)= K p (1
1 <j 2 = i ）, （ 1 ， 2 ）的频段 Ti Ti
之间波德图的斜率变大，可使转角频率增大，意味着系统的频带宽度会有所提升，超 前校正的作用有提升系统的稳定裕量，相位超前，增加低频段宽度等，但会降低高频 段宽度，滞后校正的传递函数为 G 2 (S)=
Ti s 1 ，效果与超前校正基本相反，通常 Ti s 1
系数 =0.6，以降低其不稳定性。进行修正后的方块图 2.2.1：
图 2.2.1 加入反馈调节后的方块图 通过图 2.2.2 得到加入反馈校正后系统的幅值裕度为 45.2dB，相位裕度为 89.6°，其稳 定性大大提升，但是转折频率降低为 1.38rad/sec，响应速度大大降低，反应过于滞后。
图 2.3.1 加入反馈校正，PID 校正的方块图 对校正后的控制系统进行仿真分析： 图 2.3.2 为加入 PI 调解及反馈调解的系统的波德图，转折频率提升为 18.2rad/sec，但是幅值 裕度和相位裕度都相对降低。
图 2.3.2 PID，反馈校正后的波德图
2.4 仿真信号输入及其效果分析
为了比较校正前后控制系统的性能差别，对改进前后的系统输入仿真信号并进行观察分 析，分别输入的阶跃信号和方波信号观察其效果：
G 1 (S) G 2 (S) G 3 (S)
H(S) 图 1.1.1 局部反馈图
G 2 (S)=
1 ， 当 取 H(S)=K 时 ， G (S)= (T1 s 1)(T2 s 1)
`
G 2 (S) H(S) ， 得
G`(S)=
1 < G 2 (S),使局部输入误差减小；当 H(S)取惯性环节时， k (T1 s 1)(T2 s 1)
小其带来的误差，再在开始输入的环节中加入 PID 调节，以改善整体性能，这样要比前后直 接加入超前滞后校正效果更好，按此方法校正后绘制方块图图 1.2.3：
U(S)
-
1 K P (1 ) s
-
K1
K3
Tm Ta s 2 Tm s 1
1 s
Y(S)

Kc
Ka
图 1.2.3 校正后控制系统方块图
图 2.4.1a 校正前阶跃输入响应
图 2.4.1b 校正前方波输入响应
对校正前的系统我们进行了仿真信号输入，示波器显示如图 2.4.1a，图 2.4.1b，通过示 波器输出反应来看， 在单位阶跃信号输入下未经校正的系统信号输出的震荡较大， 振幅要达 到 0.4 经过震荡达到稳定时间长，在 1.5s 后才逐渐趋于稳定，在方波输入下，系统输出振幅 较大，震荡可到 0.4 幅，且方波上“毛刺”现象非常严重，信号不稳定。 对反馈校正系统输入仿真信号，示波器显示如图 2.4.2a，图 2.4.2b
1 1 )， )， 当 K p =1 时 G 1 (S)= (1 引入 PI 可以使系统的阶数增加， Ti s Ti s
原本为 0 型的系统引入 PI 后会变成Ⅰ型系统，使系统的稳态性能得以改善，但会导 致系统的转折频率减小，动态性能下降，PD 传函为 G 2 (S)= Ti s 1 ，它可以加宽低 频带，提升系统的响应速度，但是稳态性能可能会有所下降。 （3） 反馈矫正可以缓解局部误差的影响。
2.仿真分析：
2.1 校正前得情况
为了检验校正后的效果我们用 Matlab 中的 SIMULINK 进行仿真分析。 首先进行参数选取， 取功率放大增益 K 1 =10，伺服电机传递系数 K 3 =2.83，伺服电动机机电时间常数 Tm =0.1s， 位置反馈电位器增益 K a =4.7v/rad， 伺服电动机电磁时间常数 Ta =4ms。 把相应参数带入校正前系统用 SIMULINK 绘制出其方块图并进行仿真
图 2.4.2a 反馈校正阶跃输入响应
图 2.4.2b 反馈校正方波输入响应
经过反馈调解后的控制系统输出震荡现象有了明显的改观，在阶跃输入下幅值降低到 0.22 左右，比原来降低了百分之 40 多，效果非常显著，方波震荡幅值也下降到 0.2，且形状也规 整许多，但是稳定时间大大加长，阶跃信号下经过 2s 系统人没有趋于稳定，由于信号反应 滞后，导致反应频率低于扫描频率，方波头部变尖，成为“三角波” 。 加入 PI 反馈调解后控制系统波形输出，示波器显示如图 2.4.3a，图 2.4.3.b。