【分享】关于负载观测

传统速度、电流双闭环控制系统一般由两个PI调节器构成速度和电流调节系统（电流环相对于速度环可以等效为一阶惯性环节）。当电机承受突加负载时，由于转速下降，转速负反馈信号变小，转速调节器输出的电流给定值上升，力图通过电流调节器使功率柜输出电压上升，使电机机械特性往上平移，让电机转速回到原设定值上去。另一方面，电枢电流的迅速上升（速度下降反电势减小了），电流负反馈信号加大，它力图通过电流调节器使功率柜输出电压降低以遏制电流的增大。上述两个调节作用是矛盾的，由于电流环的响应时间比速度环短得多，后一作用来得快，从而延缓了电磁转矩增大的速度，拖长了到达转矩平衡的时间，也就加大了动态速降的幅度。一直要等到速度调节器输出的电流给定信号积分升到超过冲击负载引起的电流反馈增量之后，电流调节器的输出才会转为上升，使整流输出电压升高。在这之后，电枢电流才会增大，才能产生较大的电磁转矩，首先用于平衡负载转矩，使减速过程停止，然后再上升超过负载转矩，让转速恢复到原设定值上去。因此我们可以看出，传统速度、电流双闭环系统的两大缺陷：

1、电流调节闭环中电流负反馈的调节作用对于转速的变化是起“正反馈”作用的，它使动态速降进一步加大，恢复时间延长。

2、速度调节器输出的电流给定值首先用于产生克服负载转矩的电流，然后再用以去产生加速电流去克服速降，也就是动态速降的恢复时间拉长了。

所谓负载观测器就是在实际速度发生变换时，估算出负载大小并作为电流环的附加给定进行补偿，不经过速度环的调节。因此速降的幅度和恢复时间都可以大大缩短。

图中：

x  - 电机转速给定

x2 - 负载力矩

x2- 负载力矩估计值

y2 - 给定电流值

y  - 电机实际速度值

W1 - 速度环

W2 - 电流环

W5、W6、W7需要根据系统结构和参数构造。

在有些大传动装置上有负载观测功能，我试图在直流装置上用DCC实现这一功能，但没成功，并不是原理的问题而是具体实现过程的一些细节。这里把这个话题提出来，看看各位是否兴趣和经验。

这个问题，应该是传动控制的关注问题。只是我限于工作忙，目前还没有成熟的发言，希望能引起大家的关注与参与。我有时间对此也要掺和掺和。和大家交流。

它既是一个理论问题，也是一个实际的应用问题。负载观测器的作用、使用、调整这些都是我很关心的问题。

楼主讲的是PID有差调节带来的滞后对系统动态响应及精度的影响。

Sinamics G120/S120在这方面都已经做了很大的改进了，普遍在做优化时可以测出系统的实际总转动惯量，并可激活转动惯量预控制功能，相当于转动惯量的前馈功能，从而大幅减小系统的超调，另外还用转速控制器前馈功能，以及转速控制器增益适配功能，均可以有效的提高系统响应特性，提高响应精度，减小超调。

前一阵子，调试了台负载与与电机的惯量比超过300的设备，用的是G120 CU250S-2，效果出人意料的好，给了用户以极大的信心。

Z侠，lxm650说的是反馈（负载变化）。不是说给定变动时的前馈预控。

对于负载（突然）变化的响应，需要在反馈通道中加一点微分。

乐版说得对，我针对的是负载的变化。例如轧机，通过优化我们可以知道电机、减速机、轧辊的转动惯量，然后速度环优化得比较好。但是每次咬钢时都相当于一个很大的负载冲击，这时就表现出帖子中所说的问题了，需要知道负载的大小绕过速度环直接对转矩进行补偿，这时的转动惯量并没有变化是负载变化了。现在普遍的做法是预先提高轧机的转速，等咬钢的过渡过程结束后再取消这个补偿，这种方法虽然简单，但效果比不上负载观测。

之所以在DCC中还没弄好的原因是，积分器有初始值的问题要解决，微分有对扰动敏感的问题要解决，仿真是搞定了，实际的还没实现，但这不是原理的问题。某些大传动中有这个功能，选择激不激活就行了。

我记得反馈通道的PID有这些参数，好像是4级参数，不让改。

我也知道 @kdrjl 的意思。他就是想用个“光”电机模拟个大惯量系统。对吧？

没错，我应用的电惯性模拟就是利用电机的自身储备功率，模拟电机轴大惯性（电机发电制动）或小惯性（电动帮忙）。这是因为底盘测功机的转鼓惯性需要与受试车辆的惯性一致，才能真实再现车辆在道路上的加减速状态。而底盘测功机的转鼓是一个固定的惯量，过去因为没有电惯量模拟技术，所以，都是用全机械惯量模拟，也就是根据不同车重，挂不同的惯性轮，就像举重的杠铃片一样。后来控制技术的发展，有了电惯性模拟，就不用复杂的机械结构了。

现在看，楼主提出的问题，是想解决轧机在咬钢时的动态速降问题？如果是，是否可以考虑电机的控制引入加速过程的动转矩补偿？当负载速度稳定时，动转矩为0，当突然咬钢，速度产生变化时，补偿加速转矩，保证动态速降减小。也就是，把m（dv/dt）加在附加给定通道上。其中m是系统惯性，dv/dt是电机的加速度。

正像zane所述，SINAMICS的变频器，人为增加惯性比，并激活加速补偿就可以了，试试看。如果效果相反了，那就单独把惯性补偿自己做，并确认补偿的极性（有可能是正反馈，也有可能是负反馈）。这与正补偿（假想加大系统惯性），还是负补偿（假想减小系统惯性）相关。

问题在于能否确定速度变化与时间的准确关系，还有外推时间的确定。

对一个控制系统的评价分为2部分，1是对于给定的跟随，有超调量、上升时间等指标。2是对于扰动的抗干扰能力，有跌落的幅值、恢复时间等指标。

突加负载就是一种扰动，zane的方法是对付给定的,或是卷绕应用的的。通过检测实际速度的变化来补偿扰动是可行的，这就是以前所说的转速微分负反馈。负载观测比转速微分负反馈还要更进一步。但实际实现有些问题要处理，一是给定变化时，要不起作用。二是实际信号都是有抖动的，这种抖动滤波时间长了，微分的作用就弱了，短了可能造成系统不稳定等等。

这是其他人做的负载观测的仿真效果，可以看到在3秒的时候跌落幅值和恢复时间都要好于没补偿的。

好，如果就是针对负载的变化，你可以这么考虑：假想你的轧机是一个大惯性系统，当突然咬钢时，系统惯性所储备的功率释放，抑制了咬钢时的动态速降。或者说轧机带着一个大飞轮子，也是起到相同的效果。如何实现这种惯性模拟呢？就是从系统的加速度着手去补偿动转矩。

你需要考虑的是这种瞬态补偿时间常数要合适，就像你给出的图示，3-5s为宜补偿的强度要计算一下，假想的系统惯量是多少要有估算。

另外，改善系统的动态速降（扰动），其实对轧机辊（轴）是有冲击的。而有速降则对轴的冲击是起缓冲作用的。这一点要有所认识。减小了速降，可能对轧机轴有损害的。这个要有所计算和评估。相比之下，轧机空载转速提高，咬钢时缓降，其实对旋转轴受力是有好处的。这些都要考虑呦。

太深奥，了，学习下!!!!!!!!!!!!

 K版说得对。是可以考虑（同时）在速度环上做文章。但不是用速度反馈信号，而是可以考虑用转矩电流分量（减去系统能耗部分），取一小部分加入到附加给定值，作为正反馈。这也是对付负载扰动的前馈预控的方法。

早先的直流控制器中也有类似的通道。

交流系统也有附加转矩设定点。

补偿的接入点是转矩设定通道，这肯定是对的，关键是怎么简单有效的构建这个补偿。交流系统也同样适用转矩观测，原理是一样的。

是的。原理是一样的。直流是电枢电流分量，交流矢量控制是转矩电流分量。其补偿类似V/F控制中的滑差补偿环节（它是根据输出电流，在前向通道中补偿输出电压和频率）。

在电机匀速运转时的转矩分量，实际就是该系统摩擦能耗，需要减去。这样当实际负载电流出现时，可补偿跌落的转速和输出电压。补偿量要等于小于没有这些时的跌落值。这是个正反馈，需要慢慢调。

这个要仔细考虑。仅补偿转矩，有可能只是提高输出电压，而转速仍会跌落。而转矩分量作为附加速度给定的补偿，则因为惯量预控的存在，会同时加一点输出频率。

我根据我的实验设备参数做了一个仿真，效果还是不错的。但我的实验设备不能动态加载，也就是突加一个负载，因此没法实际测试。作为一个技术储备吧，以后真正需要了再实际试试。