專利名稱：一種電動機(jī)軟起動控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電動機(jī)軟起動控制方法，特別是涉及一種用來協(xié)調(diào)控制電動機(jī)起動電流與轉(zhuǎn)速，分階段采用不同的決策，構(gòu)成整個起動過程的控制策略，實(shí)現(xiàn)起動過程最優(yōu)控制效果的動態(tài)規(guī)劃控制方法。
背景技術(shù)：
電動機(jī)直接起動時產(chǎn)生的大電流(5-7倍以上電機(jī)額定電流)對電網(wǎng)、電機(jī)及拖動設(shè)備危害巨大，可造成繼電保護(hù)誤動作、自動控制失靈等故障。使用軟起動裝置，可以避免電機(jī)直接起動所造成的危害性及影響。從節(jié)能的角度，使用軟起動裝置還有事半功倍的節(jié)能效果。目前國內(nèi)外的電動機(jī)軟起動一般常采用開環(huán)電壓斜坡控制方式、閉環(huán)電流限幅控制方式、分級變頻控制方式、模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。電壓斜坡起動方式簡單，起動效果容易受負(fù)載和電源變化的影響，控制效果不夠精確，需反復(fù)調(diào)試才能達(dá)到比較滿意的起動效果。閉環(huán)電流限幅控制方式增加了閉環(huán)電流檢測環(huán)節(jié)，電流采樣不僅用來做晶閘管過電流保護(hù)，而且還可以參與電流的閉環(huán)調(diào)節(jié)，電流限幅起動方式受負(fù)載和電源變化的影響較小，且穩(wěn)定性得到極大的提高，起動效果比電壓斜坡起動方式提高了。電流限幅起動方式特別適合于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，通過設(shè)置電流上限，在電網(wǎng)容量有限的場合使電動機(jī)以最小的起動電流快速起動。分級變頻控制方式是在電機(jī)起動過程中，使電壓頻率從一個比較小的初始值逐級增大至工頻50Hz，從而提高低電壓時的轉(zhuǎn)矩。由于頻率的離散跳變，定子電流的瞬時值是不連續(xù)的，轉(zhuǎn)矩瞬時值也不連續(xù)，脈動較大。在實(shí)際電機(jī)的運(yùn)行中會出現(xiàn)明顯的振動，這是分級變頻控制方式最大的缺點(diǎn)。模糊控制及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制均屬于智能控制。模糊控制技術(shù)不依賴精確的數(shù)學(xué)模型，對參數(shù)變化不敏感，適應(yīng)性強(qiáng)，具有很好的魯棒性，在電機(jī)的軟起動的控制方面取得了良好的控制效果。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)考慮電機(jī)和調(diào)壓裝置模型參數(shù)的變化及電機(jī)負(fù)載類型的多變性，動態(tài)特性優(yōu)良，具有較好的適應(yīng)性和魯棒性。上述電機(jī)軟起動控制方法的主要目的是降低電動機(jī)的起動電流，控制目標(biāo)單一，不考慮起動時間及起動轉(zhuǎn)速等因素。然而在起動過程中，由于不考慮起動時間，常會因?yàn)槠饎訒r間過長,引起電機(jī)發(fā)熱,造成主回路中的熱繼電器動作,起動失敗。因此,對于電機(jī)軟起動系統(tǒng)，采用非線性控制的方法實(shí)現(xiàn)時間最優(yōu)控制是一種很有價(jià)值的控制策略。針對以上存在的問題，一種電動機(jī)動態(tài)規(guī)劃軟起動控制方法是一個很好的解決辦法，該方法在電機(jī)起動過程中的不同階段采用不同的決策，在起動過程最長的恒流升速階段采用時間最優(yōu)控制。不同階段的決策，構(gòu)成整個起動過程的控制策略，實(shí)現(xiàn)起動電流與轉(zhuǎn)速的協(xié)調(diào)控制，既可以將起動電流限幅，又可以將起動時間降至最小，提高起動的成功率。本申請者查閱了 2007年到2012年這5年公開的關(guān)于電機(jī)軟起動的專利，共計(jì)458項(xiàng)目，這些專利均是關(guān)于軟起動裝置、軟起動控制電路、軟起動與無功補(bǔ)償裝置等方面的內(nèi)容，未見涉及軟起動控制方法的專利。電機(jī)軟起動裝置在限制起動電流、減小電網(wǎng)電壓波動、進(jìn)行無功功率補(bǔ)償、節(jié)約能源、改善供電質(zhì)量等方面具有良好的應(yīng)用效果。由于電動機(jī)是非線性、強(qiáng)耦合、時變系統(tǒng)，采用非線性控制方法對其進(jìn)行控制，優(yōu)化其控制效果具有重大的工程實(shí)踐意義。有鑒于此，有必要提供一種電動機(jī)軟起動控制方法，以解決上述問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種利用動態(tài)規(guī)劃控制方法來控制電動機(jī)軟起動，使電機(jī)起動電流限制在2倍額定電流的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)轉(zhuǎn)速快速上升至額定轉(zhuǎn)速，起動時間最短，減小電機(jī)發(fā)熱，提高軟起動的成功率，并提高工業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)效率。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種電動機(jī)軟起動控制方法，其特征在于，采用動態(tài)規(guī)劃控制方法，將電動機(jī)起動電流限制在2倍額定電流的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)轉(zhuǎn)速快速上升至額定轉(zhuǎn)速，起動時間最短，具體方法是
(1)根據(jù)電動機(jī)理想起動特性，將起動過程劃分為三個階段，分別確立這三個階段對起動電流、轉(zhuǎn)速的控制目標(biāo)；
(2)實(shí)時檢測電動機(jī)起動過程中的電流和轉(zhuǎn)速，根據(jù)起動電流與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，決定三個階段分別要采取的決策；
(3)對起動過程中最重要的恒流升速階段，采用滿足電動機(jī)起動狀態(tài)約束及起動電流限制在2倍額定電流約束條件下的時間最短控制決策；
(4)三個階段的決策構(gòu)成整個起動過程的控制策略，實(shí)現(xiàn)一種電動機(jī)起動過程最優(yōu)化。如上所述的電動機(jī)軟起動控制方法，其特征在于使用動態(tài)規(guī)劃控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)起動電流和電機(jī)轉(zhuǎn)速的協(xié)調(diào)控制，在起動過程的第一個階段采用比例控制，增強(qiáng)起動的快速性；第二個階段采用最優(yōu)控制，實(shí)現(xiàn)滿足起動約束條件下，起動時間最短；第三個階段采用比例積分控制，消除控制系統(tǒng)的穩(wěn)定誤差。如上所述的電動機(jī)軟起動控制方法，其特征在于實(shí)現(xiàn)動態(tài)規(guī)劃控制策略所采用的控制器為DSP，電動機(jī)起動狀態(tài)顯示與控制參數(shù)設(shè)置采用觸摸屏。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)
(I)分別對起動電流和起動轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測和協(xié)調(diào)控制，控制系統(tǒng)受電源和負(fù)載變化影響小，抗干擾能力強(qiáng)，控制精度高，控制效果好。(2)采用動態(tài)規(guī)劃控制方法，分階段來進(jìn)行控制，可滿足不同階段的起動特性，達(dá)到理想控制效果。(3)在起動的第二階段采用時間最優(yōu)控制，可減小電機(jī)發(fā)熱并提高工業(yè)企業(yè)的生
產(chǎn)效率。(4)整個控制方法簡單，工作可靠性高，采用DPS作為控制器，人機(jī)交互界面采用觸摸屏，可直觀的觀測到起動電流與電機(jī)轉(zhuǎn)速，并方便修改控制參數(shù)，可提高整個軟起動控制系統(tǒng)的自動化程度，減輕了操作人員的工作強(qiáng)度，免除了不必要的人力浪費(fèi)。


圖1是本發(fā)明的電動機(jī)軟起動控制方法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖2是電動機(jī)起動理想起動曲線。
具體實(shí)施例方式為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步闡明本發(fā)明的內(nèi)容，但本發(fā)明的內(nèi)容不僅僅局限于下面的實(shí)施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價(jià)形式同樣在本申請所列權(quán)利要求書限定范圍之內(nèi)。圖1中1.控制器(執(zhí)行動態(tài)規(guī)劃控制策略)；2.比例因子調(diào)節(jié)器；3.觸發(fā)電路；4.軟起動裝置；5.電動機(jī)；6.電流檢測裝置；7.轉(zhuǎn)速檢測裝置。圖2中曲線I為轉(zhuǎn)速曲線；曲線2為電流曲線。本發(fā)明提供一種電動機(jī)軟起動控制方法，為基于動態(tài)規(guī)劃的控制方法，即針對電動機(jī)起動過程具有明顯的時序性，將起動過程劃分為三階段，每個階段采用不同的控制策略，動態(tài)調(diào)整觸發(fā)電路的觸發(fā)角，實(shí)現(xiàn)起動過程的最優(yōu)化。在軟起動過程中，通過檢測電動機(jī)電流與轉(zhuǎn)速，根據(jù)電動機(jī)理想起動特性，協(xié)調(diào)控制起動電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速、起動時間三個量，在將起動電流控制在2倍額定電流的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)轉(zhuǎn)速快速上升至額定轉(zhuǎn)速，起動時間最短。具體如下
(I)根據(jù)電動機(jī)理想起動特性，將起動過程劃分為三個階段，分別確立這三個階段對起動電流、轉(zhuǎn)速的控制目標(biāo)。( 2)實(shí)時檢測電動機(jī)起動過程中的電流和轉(zhuǎn)速，根據(jù)起動電流與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，決定三個階段分別要采取的 決策。(3)在起動開始的第一個階段，采用比例控制，增強(qiáng)起動的快速性；第二個階段采用最優(yōu)控制，實(shí)現(xiàn)滿足起動約束條件下，起動時間最短；第三個階段采用比例積分控制，消除控制系統(tǒng)的穩(wěn)定誤差。(4)對起動過程中最重要的恒流升速階段，即第二個階段，采用滿足電動機(jī)起動狀態(tài)約束及起動電流限制在2倍額定電流約束條件下的時間最短控制決策。(5)三個階段的決策構(gòu)成整個起動過程的控制策略，實(shí)現(xiàn)一種電動機(jī)起動過程最優(yōu)化。實(shí)現(xiàn)動態(tài)規(guī)劃控制策略所采用的控制器為DSP，電動機(jī)起動狀態(tài)顯示與控制參數(shù)設(shè)置采用觸摸屏。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明
如圖1所示本發(fā)明采用了包括控制器1、比例因子調(diào)節(jié)器2、觸發(fā)電路3、軟起動裝置4、電流檢測裝置6、轉(zhuǎn)速檢測裝置7組成的裝置，對電動機(jī)5的起動實(shí)現(xiàn)動態(tài)規(guī)劃控制方式。圖2為電動機(jī)起動理想起動曲線，曲線I為理想轉(zhuǎn)速曲線；曲線2為理想電流曲線。根據(jù)圖2所示的電動機(jī)起動理想起動曲線，可以發(fā)現(xiàn)電動機(jī)起動過程具有明顯的時序性特征，可根據(jù)起動時間劃分為三個階段，第I起動階段是電流上升階段，在這個階段當(dāng)電機(jī)電流大于負(fù)載電流后，電動機(jī)開始起動，電流快速上升至Zffl ;第II階段為恒流升速階段，電流保持在人，轉(zhuǎn)速呈線性增長，直至轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速/ 這個階段是起動的主要階段，且時間最長；第III階段是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段，轉(zhuǎn)速出現(xiàn)超調(diào)，電流下降，當(dāng)電流下降至負(fù)載電流時，轉(zhuǎn)速達(dá)到峰值，隨后電動機(jī)在負(fù)載阻力作用下減速，直到穩(wěn)態(tài)。電動機(jī)起動的這三個階段，特征都非常明顯第一個階段，轉(zhuǎn)速很小，電流變化很快；第二個階段，電流維持在Zffl，轉(zhuǎn)速線性增長；第三個階段，電流下降，轉(zhuǎn)速出現(xiàn)超調(diào)。根據(jù)這三個階段的特征，明確每個階段的控制目標(biāo)第一個階段對電流進(jìn)行控制，控制電流快速達(dá)到人；第二個階段將電流維持在人以及電動機(jī)的狀態(tài)方程作為約束條件，轉(zhuǎn)速由初始狀態(tài)上升至額定轉(zhuǎn)速作為初始與終端條件，尋求滿足目標(biāo)函數(shù)——起動時間最短的控制策略；第三個階段電流下降，轉(zhuǎn)速有超調(diào)，控制轉(zhuǎn)速超調(diào)盡量小，轉(zhuǎn)速維持在額定轉(zhuǎn)速。明確各個階段的控制目標(biāo)后，為實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)，采用不同的控制決策第一個階段采用比例控制決策；第二個階段采用時間最優(yōu)控制決策；第三個階段采用比例積分控制決策。這三個階段的決策序列構(gòu)成整個起動過程的控制策略，使使電機(jī)起動電流限制在2倍額定電流的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)轉(zhuǎn)速快速上升至額定轉(zhuǎn)速，起動時間最短，減小電動機(jī)發(fā)熱，提高軟起動的成功率，并提高工業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)效率。本發(fā)明采用DPS作為控制器，人機(jī)交互界面采用觸摸屏，可直觀的觀測到起動電流與電機(jī)轉(zhuǎn)速，并方便修改控制參數(shù)，可提高整個軟起動控制系統(tǒng)的自動化程度。本發(fā)明可以克服傳統(tǒng)軟起動方式起動時間過長，容易造成起動失敗的缺點(diǎn)，具有起動時間短、起動電流小、起動曲線最優(yōu)等特點(diǎn)，適合于不同容量電動機(jī)的軟起動。本說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種電動機(jī)軟起動控制方法，其特征在于，采用動態(tài)規(guī)劃控制方法，將電動機(jī)起動電流限制在2倍額定電流的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)轉(zhuǎn)速快速上升至額定轉(zhuǎn)速，起動時間最短，具體方法是(1)根據(jù)電動機(jī)理想起動特性，將起動過程劃分為三個階段，分別確立這三個階段對起動電流、轉(zhuǎn)速的控制目標(biāo)；(2)實(shí)時檢測電動機(jī)起動過程中的電流和轉(zhuǎn)速，根據(jù)起動電流與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，決定三個階段分別要采取的決策；(3)對起動過程中最重要的恒流升速階段，采用滿足電動機(jī)起動狀態(tài)約束及起動電流限制在2倍額定電流約束條件下的時間最短控制決策；(4)三個階段的決策構(gòu)成整個起動過程的控制策略，實(shí)現(xiàn)一種電動機(jī)起動過程最優(yōu)化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電動機(jī)軟起動控制方法，其特征在于使用動態(tài)規(guī)劃控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)起動電流和電機(jī)轉(zhuǎn)速的協(xié)調(diào)控制，在起動過程的第一個階段采用比例控制，增強(qiáng)起動的快速性；第二個階段采用最優(yōu)控制，實(shí)現(xiàn)滿足起動約束條件下，起動時間最短；第三個階段采用比例積分控制，消除控制系統(tǒng)的穩(wěn)定誤差。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電動機(jī)軟起動控制方法，其特征在于實(shí)現(xiàn)動態(tài)規(guī)劃控制策略所采用的控制器為DSP，電動機(jī)起動狀態(tài)顯示與控制參數(shù)設(shè)置采用觸摸屏。
全文摘要
本發(fā)明提供一種電動機(jī)軟起動控制方法，為基于動態(tài)規(guī)劃的控制方法，即針對電動機(jī)起動過程具有明顯的時序性，將起動過程劃分為三階段，每個階段采用不同的控制策略，動態(tài)調(diào)整觸發(fā)電路的觸發(fā)角，實(shí)現(xiàn)起動過程的最優(yōu)化。在軟起動過程中，通過檢測電動機(jī)電流與轉(zhuǎn)速，根據(jù)電動機(jī)理想起動特性，協(xié)調(diào)控制起動電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速、起動時間三個量，在將起動電流控制在2倍額定電流的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)轉(zhuǎn)速快速上升至額定轉(zhuǎn)速，起動時間最短。本發(fā)明可以克服傳統(tǒng)軟起動方式起動時間過長，容易造成起動失敗的缺點(diǎn)，具有起動時間短、起動電流小、起動曲線最優(yōu)等特點(diǎn)，適合于不同容量電動機(jī)的軟起動。
文檔編號H02P1/26GK103051255SQ20121056960
公開日2013年4月17日 申請日期2012年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月25日
發(fā)明者常雨芳, 武明虎, 黃文聰, 袁佑新, 王粟, 陳靜 申請人:湖北工業(yè)大學(xué)