CN114334546B - 接触器的无传感器分合闸位移跟踪控制***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种接触器的无传感器分合闸位移跟踪控制***，包括全过程实时参数估计器、基于模糊逻辑的位移外环控制吸力内环的双闭环控制单元、吸力单闭环控制单元和过程控制模块；所述估计器根据检测到的线圈电流，实时估计接触器的动铁心位移、电磁吸力及弹簧反力；所述基于模糊逻辑的位移外环控制吸力内环的双闭环控制单元，在接触器的起动及分断过程中，使动铁心位移x快速跟踪参考位移；所述吸力单闭环控制单元，在保持过程，给定一个预设的保持吸力参考值，使动静铁心可靠吸合；所述过程控制模块用于按时序切换接触器的起动、保持及分断过程，并控制参考吸力切换开关选择合适的参考值，用作参考吸力。本发明实现动铁心分合闸位移的精确跟踪。

Description

接触器的无传感器分合闸位移跟踪控制***及方法
技术领域
本发明涉及开关智能控制领域，具体涉及一种接触器的无传感器分合闸位移跟踪控制***及方法。
背景技术
接触器作为一种灵活的控制电器常结合选相分合闸技术，用于电容器组、空载变压器及架空线路的定相投切，以抑制浪涌电流及操作过电压，对电力***的安全稳定运行意义重大。受自身机械结构的加工精细度、外界激磁条件及环境因素的影响，接触器的动作特性往往具有一定的分散性，导致其分合闸动作时间的一致性较差，严重影响着选相控制的精确度。
近年来，国内外学者在接触器的智能控制方面做了大量的研究工作，线圈激磁从交流到直流，控制技术从开环到闭环，尽管提高了接触器的性能，但其动作时间的一致性依然有待进一步研究。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种接触器的无传感器分合闸位移跟踪控制***及方法，实现动铁心分合闸位移的精确跟踪，并且兼顾接触器的可靠保持和节能运行。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种接触器的无传感器分合闸位移跟踪控制***，包括全过程实时参数估计器、基于模糊逻辑的位移外环控制吸力内环的双闭环控制单元、吸力单闭环控制单元和过程控制模块；所述全过程实时参数估计器根据检测到的线圈电流，实时估计接触器的动铁心位移、电磁吸力及弹簧反力；所述基于模糊逻辑的位移外环控制吸力内环的双闭环控制单元，在接触器的起动及分断过程中，使动铁心位移x快速跟踪参考位移；所述吸力单闭环控制单元，在保持过程，给定一个预设的保持吸力参考值，使动静铁心可靠吸合；所述过程控制模块用于按时序切换接触器的起动、保持及分断过程，并控制参考吸力切换开关选择合适的参考值，用作当前过程的参考吸力。
进一步的，所述实时全过程参数估计器，具体为:利用神经网络拟合电磁机构复杂的机电耦合关系，配合达朗贝尔机械运动方程，建立的接触器全过程参数估计器。
进一步的，所述神经网络采用单隐层BP神经网络，具体为电流icoil和位移x作为二元输入，经10个隐含层节点的运算后，输出电磁吸力Fx。采用仿真数据进行网络训练，输入(x,icoil)得到Fx，与期望输出Fx *比较得到误差E，用于反向修正权值wk ij和阈值bij；训练完成后提取结构参数，改写成嵌入式形式，即可实现电磁吸力的实时估计，完成神经网络求吸力子模型的构建。
进一步的，所述配合达朗贝尔机械运动方程，建立的接触器全过程参数估计器，具体为：
接触器在运动过程中满足：
Figure BDA0003445212090000021
式中：ΔF为吸力裕量，m为可动部分等效质量，a为动铁心加速度。
弹簧反力Ff是位移x的一元函数，表示为：
Ff＝f(x)  (2)
结合式(1)、(2)及神经网络拟合模型，构建全过程参数估计器。
进一步的，所述全过程参数估计器由神经网络求吸力子模型及机械运动子模型组成，用于估计接触器起动、保持及分断过程的实时电磁吸力Fx、弹簧反力Ff及动铁心位移x；机械运动子模型以神经网络输出的Fx为输入，在运动方程的约束下输出位移x，之后x返回给反力函数及神经网络，用于下一个计算周期Fx、Ff及x的估计；参数估计器仅需线圈电流这一个外部参数，即可迭代计算出整个动态过程的电磁吸力、弹簧反力及动铁心位移，完成参数实时估计。
进一步的，所述基于模糊逻辑的位移外环控制吸力内环单元，根据ΔF与动铁心加速度之间的线性关系，构建位移误差与吸力裕量之间的经验规则，完成位移外环的自适应控制，模糊控制器采用典型的双输入单输出结构。
一种接触器的无传感器分合闸位移跟踪控制***的控制方法，包括：
在起动过程中，参考吸力切换开关选择Fxref＝Fxref1；参考位移xref与估计位移x同时输入位移外环，经模糊控制器作用后输出吸力裕量ΔF，ΔF与估计的实时弹簧反力Ff相加，得到吸力内环参考值Fxref1，之后Fxref1与Fx经过内环的滞环比较作用后输出PWM信号驱动S1、S2，来控制驱动电路在+1态与-1态之间快速切换，使Fx快速跟踪Fxref1，进而使动铁心估计位移x快速跟踪参考位移xref，接触器即可按预设位移曲线完成起动过程；
当检测到xref大于设定的接触器行程时开始转入保持过程，参考吸力切换开关选择Fxref＝Fxref2，之后切换成吸力单闭环控制，Fxref2与Fx经吸力滞环比较作用后输出PWM信号，控制S1、S2的通断状态，使Fx动态恒定在Fxref2，接触器可靠保持；
当接触器开始转入分断过程时，参考吸力切换开关再次选择Fxref＝Fxref1；与起动过程的控制相同，xref与x经位移外环模糊控制作用后输出吸力内环参考值Fxref1，Fxref1与Fx滞环比较，控制电路状态在+1态和-1态之间快速切换，使Fx跟踪Fxref1，进而使x跟踪xref，接触器按预设位移曲线完成分断过程。
进一步的，所述Fxref2的取值方法为：在估计的弹簧最终反力的基础上叠加一恒定吸力裕量，以保证接触器的可靠吸持。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明实现动铁心分合闸位移的精确跟踪，从而实现分闸和合闸动作时间的稳定；
2、本发明在保持过程中，仅采用吸力单闭环控制，通过设定恒定的吸力裕量使保持吸力始终大于反力，并根据磁路磁阻自动调节产生该保持吸力所需的线圈电流，兼顾接触器的可靠保持和节能运行。
3、本发明仅采用线圈电流这一动态参数，即可实现接触器的电磁吸力、弹簧反力及动铁心位移的实时估计。
附图说明
图1是本发明控制原理图；
图2是本发明一实施例中神经网络估计吸力原理图；
图3是本发明一实施例中全过程参数估计器；
图4是本发明一实施例中位移外环模糊控制原理图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
请参照图1，包括线圈驱动电路和控制***，在线圈驱动电路中，AC/DC为输入电源，交直流通用，B1为整流桥，C1为滤波电容，S1、S2为电子开关，D1、D2为快恢复二极管，输入电源经B1整流和C1滤波后，得到平稳的直流电压Uc。根据S1、S2的开关状态划分电路状态，当S1、S2同时导通时，正的Uc施加在线圈两端，可使线圈快速励磁，定义电路状态为+1态。当S1、S2同时截止，线圈电流通过D1、D2续流时，负的Uc施加在电容两端，可使线圈快速退磁，定义电路状态为-1态。图中电流传感器用于检测线圈电流。接触器的起动、保持及分断全过程采用PWM闭环控制来调节+1态和-1态的作用时间，从而控制电磁***的激磁状态，为位移跟踪控制创造硬件条件。
在本实施例中，控制***，根据电流传感器检测到的线圈电流icoil送入参数估计器中，实时估计接触器的动铁心位移x、电磁吸力Fx及弹簧反力Ff。在接触器的起动及分断过程中，采用位移外环控制吸力内环的双闭环控制结构，使动铁心位移x快速跟踪参考位移xref；保持过程采用吸力单闭环控制结构，给定一个合适的保持吸力参考值，使动静铁心可靠吸合，节能运行。过程控制模块负责按时序切换接触器的起动、保持及分断过程，并控制参考吸力切换开关选择合适的参考值，用作当前过程的参考吸力Fxref。
在起动过程中，参考吸力切换开关选择Fxref＝Fxref1。参考位移xref与估计位移x同时输入位移外环，经模糊控制器作用后输出吸力裕量ΔF，ΔF与估计的实时弹簧反力Ff相加，得到吸力内环参考值Fxref1，之后Fxref1与Fx经过内环的滞环比较作用后输出PWM信号驱动S1、S2，来控制驱动电路在+1态与-1态之间快速切换，使Fx快速跟踪Fxref1，进而使动铁心估计位移x快速跟踪参考位移xref，接触器即可按预设位移曲线完成起动过程。
当检测到xref大于设定的接触器行程时开始转入保持过程，参考吸力切换开关选择Fxref＝Fxref2，Fxref2的取值方法为：在估计的弹簧最终反力的基础上叠加一恒定吸力裕量，以保证接触器的可靠吸持。之后切换成吸力单闭环控制，Fxref2与Fx经吸力滞环比较作用后输出PWM信号，控制S1、S2的通断状态，使Fx动态恒定在Fxref2，接触器可靠保持。
当接触器开始转入分断过程时，参考吸力切换开关再次选择Fxref＝Fxref1。与起动过程的控制相同，xref与x经位移外环模糊控制作用后输出吸力内环参考值Fxref1，Fxref1与Fx滞环比较，控制电路状态在+1态和-1态之间快速切换，使Fx跟踪Fxref1，进而使x跟踪xref，接触器按预设位移曲线完成分断过程。
在本实施例中，全过程参数估计器由神经网络求吸力子模型及机械运动子模型组成，用于估计接触器起动、保持及分断过程的实时电磁吸力Fx、弹簧反力Ff及动铁心位移x。机械运动子模型以神经网络输出的Fx为输入，在运动方程的约束下输出位移x，之后x返回给反力函数及神经网络，用于下一个计算周期Fx、Ff及x的估计。参数估计器仅需线圈电流这一个外部参数，即可迭代计算出整个动态过程的电磁吸力、弹簧反力及动铁心位移，完成参数实时估计，构建完成图1中的参数估计器。
在本实施例中，神经网络求吸力子模型基于单隐层BP神经网络，选择图2所示的2-10-1三层网络：电流icoil和位移x作为二元输入，经10个隐含层节点的运算后，输出电磁吸力Fx。采用仿真数据进行网络训练，输入(x,icoil)得到Fx，与期望输出Fx *比较得到误差E，用于反向修正权值wk ij和阈值bij。训练完成后提取结构参数，改写成嵌入式形式，即可实现电磁吸力的实时估计，完成神经网络求吸力子模型的构建。
在本实施例中，接触器在运动过程中满足：
Figure BDA0003445212090000071
式中：ΔF为吸力裕量，m为可动部分等效质量，a为动铁心加速度。
弹簧反力Ff是位移x的一元函数，可表示为：
Ff＝f(x)  (2)
结合式(1)、(2)及神经网络拟合模型，构建图3所示全过程参数估计器。
在本实施例中，模糊控制无需建立精确的ΔF与x之间的数学模型，仅需根据ΔF与动铁心加速度之间的线性关系，构建位移误差与吸力裕量之间的经验规则，即可完成位移外环的自适应控制。模糊控制器采用典型的双输入单输出结构，原理如图4所示：参考位移xref与估计位移x比较得到位移误差ex，ex经微分后得到位移误差变化率ev，ex与ev共同输入到模糊控制器，经模糊化处理后，根据构造的模糊规则表进行模糊推理，之后进行解模糊计算，即可输出精确的吸力裕量ΔF，ΔF与估算的实时反力Ff叠加得到参考吸力Fxref1，进而完成位移外环的模糊控制。
表1模糊逻辑规则表
Figure BDA0003445212090000081
输入语言变量ex，ev的语言值集合均设为{NL、NS、Z、PS、PL}，即{负大、负小、零、正小、正大}，输出语言变量ΔF的语言值集合同样设为{NL、NS、Z、PS、PL}，一可行的模糊逻辑规则表如表1所示：该规则表具有一致性、连续性和完备性，为控制器的连续输出提供了保障。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (8)

1.一种接触器的无传感器分合闸位移跟踪控制***，其特征在于，包括全过程实时参数估计器、基于模糊逻辑的位移外环控制吸力内环的双闭环控制单元、吸力单闭环控制单元和过程控制模块；所述全过程实时参数估计器根据检测到的线圈电流，实时估计接触器的动铁心位移、电磁吸力及弹簧反力；所述基于模糊逻辑的位移外环控制吸力内环的双闭环控制单元，在接触器的起动及分断过程中，使动铁心位移x快速跟踪参考位移；所述吸力单闭环控制单元，在保持过程，给定一个预设的保持吸力参考值，使动静铁心可靠吸合；所述过程控制模块用于按时序切换接触器的起动、保持及分断过程，并控制参考吸力切换开关选择合适的参考值，用作当前过程的参考吸力。
2.根据权利要求1所述的一种接触器的无传感器分合闸位移跟踪控制***，其特征在于，所述全过程实时参数估计器，具体为:利用神经网络拟合电磁机构复杂的机电耦合关系，配合达朗贝尔机械运动方程，建立的接触器全过程参数估计器。
3.根据权利要求2所述的一种接触器的无传感器分合闸位移跟踪控制***，其特征在于，所述神经网络采用单隐层BP神经网络，具体为电流icoil和位移x作为二元输入，经10个隐含层节点的运算后，输出电磁吸力Fx；采用仿真数据进行网络训练，输入(x,icoil)得到Fx，与期望输出Fx *比较得到误差E，用于反向修正权值wk ij和阈值bij；训练完成后提取结构参数，改写成嵌入式形式，即可实现电磁吸力的实时估计，完成神经网络求吸力子模型的构建。
4.根据权利要求3所述的一种接触器的无传感器分合闸位移跟踪控制***，其特征在于，所述配合达朗贝尔机械运动方程，建立的接触器全过程参数估计器，具体为：
接触器在运动过程中满足：
式中：ΔF为吸力裕量，m为可动部分等效质量，a为动铁心加速度；
弹簧反力Ff是位移x的一元函数，表示为：
Ff＝f(x)      (2)
结合式(1)、(2)及神经网络拟合模型，构建全过程参数估计器。
5.根据权利要求4所述的一种接触器的无传感器分合闸位移跟踪控制***，其特征在于，所述全过程参数估计器由神经网络求吸力子模型及机械运动子模型组成，用于估计接触器起动、保持及分断过程的实时电磁吸力Fx、弹簧反力Ff及动铁心位移x；机械运动子模型以神经网络输出的Fx为输入，在运动方程的约束下输出位移x，之后x返回给反力函数及神经网络，用于下一个计算周期Fx、Ff及x的估计；参数估计器仅需线圈电流这一个外部参数，即可迭代计算出整个动态过程的电磁吸力、弹簧反力及动铁心位移，完成参数实时估计。
6.根据权利要求1所述的一种接触器的无传感器分合闸位移跟踪控制***，其特征在于，所述基于模糊逻辑的位移外环控制吸力内环单元，根据ΔF与动铁心加速度之间的线性关系，构建位移误差与吸力裕量之间的经验规则，完成位移外环的自适应控制，模糊控制器采用典型的双输入单输出结构。
7.根据权利要求1-6任一所述的一种接触器的无传感器分合闸位移跟踪控制***的控制方法，其特征在于，包括：
在起动过程中，参考吸力切换开关选择Fxref＝Fxref1；参考位移xref与估计位移x同时输入位移外环，经模糊控制器作用后输出吸力裕量ΔF，ΔF与估计的实时弹簧反力Ff相加，得到吸力内环参考值Fxref1，之后Fxref1与Fx经过内环的滞环比较作用后输出PWM信号驱动S1、S2，来控制驱动电路在+1态与-1态之间快速切换，使Fx快速跟踪Fxref1，进而使动铁心估计位移x快速跟踪参考位移xref，接触器即可按预设位移曲线完成起动过程；
当检测到xref大于设定的接触器行程时开始转入保持过程，参考吸力切换开关选择Fxref＝Fxref2，之后切换成吸力单闭环控制，Fxref2与Fx经吸力滞环比较作用后输出PWM信号，控制S1、S2的通断状态，使Fx动态恒定在Fxref2，接触器可靠保持；
当接触器开始转入分断过程时，参考吸力切换开关再次选择Fxref＝Fxref1；与起动过程的控制相同，xref与x经位移外环模糊控制作用后输出吸力内环参考值Fxref1，Fxref1与Fx滞环比较，控制电路状态在+1态和-1态之间快速切换，使Fx跟踪Fxref1，进而使x跟踪xref，接触器按预设位移曲线完成分断过程。
8.根据权利要求7所述的一种接触器的无传感器分合闸位移跟踪控制***的控制方法，其特征在于，所述Fxref2的取值方法为：在估计的弹簧最终反力的基础上叠加一恒定吸力裕量，以保证接触器的可靠吸持。
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