状态观测器在双闭环直流调速系统中的应用.pdf

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1、第3期总第２37期农业科技与装备Ｎｏ．3ＴｏｔａｌＮｏ．２37２０１4年3月ＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅ＆ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＥｑｕｉｐｍｅｎｔMar．２０１4状态观测器在双闭环直流调速系统中的应用1,222张健，孙海旺，岳敬国（1.华北电力大学电气与电子工程学院，北京102206；2.国网北京市电力公司平谷供电公司，北京101200）摘要：直流调速系统广泛采用转速、电流双闭环调节回路，但负载转矩和转速状态变量很难通过安装仪表来进行测量。通过状态观测器，即状态空间理论中输入、输出变量，来对这两个变量进行估计，实

2、现扰动补偿。通过最优估算法来对初始状态空间进行改进，形成全阶状态观测器。关键词：直流调速系统；状态观测器；输入；输出；全阶状态中图分类号：TP29文献标识码：Ａ文章编号：1674-1161（2014）０3-0042-03目前，直流调速系统广泛采用转速、电流双闭环和输出值来估计系统的状态，从而使状态反馈得以实调节回路（如图1所示），其转速检测元件主要为测速现。根据被控系统的类型，获得状态变量可采用两种发电机和光电码盘。直流测速发电机存在造价高、碳类型的观测器：对于确定性系统，采用状态观测器得刷需经常维护、不易在现有系统上加装等问

3、题；光电到状态变量的信号；对于随机性系统，采用状态估计码盘也存在造价高、需与电机轴弹性连接等问题。此器得到状态变量的估计值。外，在直流调速系统中，负载转矩作为一个外加扰动设确定性系统的状态方程为：量而存在，其测量也是十分困难的。根据控制理论中x觶=Ax+Bu输入变量、输出变量及状态变量关系，可以考虑通过y=Cx（1）负载转矩观测器估值来实现对转矩的测量，从而实现x（0）=x0对转矩变化的扰动补偿。同时，在构成转速负反馈时，式中：x，u，y分别为n，r，m维的向量，分别表示可以通过状态观测器实现对转速的估值。系统的状态向量、输入

4、向量、输出向量；A，B，C为相应维数的系数矩阵。假设系统的输出变量不完全可观测，且存在可测量的输出y和y的估值y赞，则状态观测器存在。假设x赞是x的估值，则产生的最简单的办法就是构造一个原系统的状态模型，即：x赞=Ax赞+Bu（2）y赞=Cx但这样建立的状态观测器是开环的，只有当模型图1双闭环直流调速系统Figure1Thedoubleclosed-loopDCspeedcontrolsystem与实际系统精确地一致，且初始状态相同，即x赞（0）=1状态观测器设计思想x（0）时，才有x赞=x。由于不可避免地存在着各式各样的状态

5、观测器是指根据系统的外部变量（输入变量噪声，模型以及初始条件不可能与实际系统完全相和输出变量）和系统的结构、参数得出状态变量估计同。因此利用上述方法无法精确地重构状态。值的一类动态系统，也称为状态重构器。2全阶状态观测器状态观测器的设计思想是：采用被控系统的输入由于y和y赞是可以测量得到的，为克服上述问题，可以系统输出和观测器输出的偏差y-y赞作为矫正，从收稿日期：2014-01-23而使偏差项稳定，这样就构成了闭环观测器，即：作者简介：张健（1982—），男，硕士，工程师，从事电力系统自动化方面的研究工作。２０１4年第3期张

6、健等：状态观测器在双闭环直流调速系统中的应用43赞赞）赞赞）因此，观测器的设计可转化为观测器矩阵L和Fx
=Ax+Bu+G（y-y=Ax+Bu+GC（x-x的设计。采用反馈控制系统，有利于降低对观测器矩=（A-GC）x赞+Bu+Gy（3）阵L和F的精度要求，同时也可降低对误差的灵敏式中：G为n*m矩阵。度。偏差方程为：全阶观测器的设计准则如下：1）由于采用反馈x觶-x
=（A-GC）·（x-x赞）（4）控制，对原系统矩阵A和B的精度要求降低，但对矩阵C仍需有较高的精度。其原因是通过G的反馈控定义状态估计误差e=x-x赞，可得误

7、差方程为：e=（A-GC）·e（5）制要在y-y赞=0时才不起作用，这时才有x-x赞，因此，观显然，当A-GC为稳定矩阵时（即其所有特值具测器必须与系统的C相同，即对C的精度要求较高。有负实部），状态估计误差渐近于0，即：lime（t）=0。实际应用时，通常选择状态变量作为输出，因此，C通t→∞常是0和1的组合，即可满足C高精度的设计要求。可见，在输出变量不完全可观测时，可以利用某个可2）如果观测器的C与系统的不一致，虽然最终有y=观测的输出变量构造状态观测器，能够实现对系统的状态观测，观测误差渐近趋近于0，这种算法就称之y赞

8、，但并不能保证x=x赞，其偏差的大小与C的精度有关。3）由于采用反馈，不再需要在投入运行时使观测为最优估算法。式（3）就是式（1）的系统状态观测器，x赞器的初始状态与系统初始状态值一致。因此，通常观就是重构状态，系统框图如图2所示。测器的初始状态值可设置为0，之后在反馈控制作