(完整word版)綜合訓(xùn)練項目二..

1、綜合訓(xùn)練項目二目：交流電機調(diào)速系統(tǒng)先進控制 方法綜述學(xué)期：專業(yè)：自動化班級：班姓名：學(xué)號：指導(dǎo)教師：遼寧工程技術(shù)大學(xué)成績評定表評定指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)評定合格不合格控制器設(shè)計方法分析充分性評無速度傳感器估計方法分析充分性疋設(shè)計報告答辯內(nèi)容充實標(biāo)答辯效果準(zhǔn)總成績?nèi)掌谀暝氯战涣麟姍C調(diào)速系統(tǒng)先進控制方法綜述4 4題目：交流電機調(diào)速系統(tǒng)先進控制方法綜述目的：通過查找資料，了解交流電機調(diào)速系統(tǒng)先進的控制技術(shù)及無速度傳感器 估計技術(shù)。要求：總結(jié)近期國內(nèi)外交流電機調(diào)速系統(tǒng)先進的控制技術(shù)及無速度傳感器估計 技術(shù)，總結(jié)各自方法優(yōu)缺點，提出自己的控制方法。任務(wù)：1、總結(jié)國內(nèi)外交流電機調(diào)速系統(tǒng)先進的控制技術(shù)（如:滑?？刂?、自抗

2、擾 控制、無源控制等）發(fā)展現(xiàn)狀；2、 總結(jié)國內(nèi)外交流電機調(diào)速系統(tǒng)無速度傳感器估計技術(shù)（適合低速的高 頻信號注入方法、適合低速的觀測器估計方法等）發(fā)展現(xiàn)狀；3、針對高性能調(diào)速系統(tǒng)提出自己的控制方案。成果形式：現(xiàn)場交流+書面報告綜合訓(xùn)練項目二5 5一、電機調(diào)速控制系統(tǒng)概述常用的 PIDPID 控制策略結(jié)構(gòu)簡單，易于調(diào)節(jié)，且不依賴于被控對象的數(shù)學(xué)模型，故被廣泛應(yīng) 用與永磁同步電機控制系統(tǒng)中，用于電流、速度和位置等調(diào)節(jié)控制。 但永磁同步電機是強耦合的非線性系統(tǒng)，僅僅依靠傳統(tǒng)PIDPID 控制很難獲得高性能的控制，為此國內(nèi)外學(xué)者為了彌補 PIDPID 經(jīng)典控制理論對非線性系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力不足的問題，將滑膜控

3、制、自適應(yīng)控制、模糊 控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等算法引入到電機控制領(lǐng)域中，并與矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制理論結(jié)合，以滿足系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能指標(biāo)，實現(xiàn)高性能永磁同步電機控制。由于滑膜(變結(jié)構(gòu))控制 理論對內(nèi)部參數(shù)攝動和外部干擾具有較強的魯棒性和較高的控制精度，且實現(xiàn)簡單，故稱為提高永磁同步電機控制系統(tǒng)的有效手段之一，正越來越引起國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。自滑膜變結(jié)構(gòu)控制理論誕生起，電機控制領(lǐng)域就是其最主要的應(yīng)用領(lǐng)域。滑膜控制是前蘇聯(lián)學(xué)者 EmelanovEmelanov 和 BarbashinBarbashin 于 2020 世紀(jì) 6060 代首先提出的，并經(jīng) UtkinUtkin 等人完善與發(fā)展， 在上 個世紀(jì)

4、7070 年代逐漸成為控制領(lǐng)域的一個相對獨立的重要分支，形成了控制系統(tǒng)一般設(shè)計方 法，并在電機、機器人等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。二、滑膜控制的原理滑膜變結(jié)構(gòu)控制是一種非線性控制，它采用控制切換法則，通過在不同控制作用之間的切換，產(chǎn)生一種與原系統(tǒng)無關(guān)，按照預(yù)定滑動模態(tài)的狀態(tài)軌跡的運動，是系統(tǒng)狀態(tài)達到期望點，從而實現(xiàn)系統(tǒng)控制。由于預(yù)定軌跡和控制對象內(nèi)部參數(shù)及外部擾動無關(guān)，因此滑膜變結(jié)構(gòu)控制具有非常好的魯棒性。圖 1.31.3 展示了滑膜運動狀態(tài)，其中S(xS(x) )是滑膜切換函數(shù)，S(x)=0S(x)=0 是滑膜面?；ぷ兘Y(jié)構(gòu)控制的實現(xiàn)過程是根據(jù)系統(tǒng)所期望的動態(tài)特性來設(shè)計系統(tǒng)的滑膜面，通過滑膜控制器設(shè)

5、計使?fàn)顟B(tài)從滑膜面之外向滑膜面運動，系統(tǒng)一旦達到滑膜面，控制作用將保證系統(tǒng)沿滑膜面到達系統(tǒng)原點。 由此可見，滑膜變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的運動主要分兩個階段，即趨近運動和滑動模態(tài)運動。所謂趨近運動是出于滑膜以外的運動或有限次穿越滑膜面；滑膜模態(tài)運動時位于滑膜面上的運動，該階段系統(tǒng)性能由滑膜面動態(tài)特性決定，該階段對系統(tǒng)參數(shù)攝動、 外部擾動具有較高的魯棒性。2.12.1 滑膜控制設(shè)計方法滑膜變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)計主要包括兩部分：第一部分：設(shè)計滑膜切換函數(shù)， 使系統(tǒng)進入滑膜運動后收斂于系統(tǒng)控制期望點，并具有良好的動態(tài)品質(zhì)；第二部分：設(shè)計滑膜控制律，使系統(tǒng)能夠達到滑膜面，并形成滑動模態(tài)運動?；た刂葡到y(tǒng)性能很大程度上

6、決定于滑膜面，故滑膜面設(shè)計與選擇成為滑膜系統(tǒng)設(shè)計中最為關(guān)鍵的問題。目前，各種形式的滑膜面主要可分為兩類：線性滑膜面和非線性滑膜面。交流電機調(diào)速系統(tǒng)先進控制方法綜述6 6線性滑膜面：最常見的滑膜面,它表現(xiàn)為系統(tǒng)狀態(tài)的線性函數(shù),系統(tǒng)在滑膜面上具有降階特性。線性滑膜面表達式為：S(x)=CxS(x)=Cx式(1-11-1)式中：S(x)S(x)是滑膜面，C C 是滑膜系數(shù)，x x 是系統(tǒng)狀態(tài)?，F(xiàn)行滑膜面設(shè)計時，通過最優(yōu)化控制 法、極點配置法、微分幾何法和 LyapunovLyapunov 方法等實現(xiàn)，該類滑膜控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析簡單、 便捷、參數(shù)設(shè)計相對容易，故線性滑膜最早被提出，并被廣泛應(yīng)用于各類系

7、統(tǒng)中。但線性滑膜在復(fù)雜的非線性系統(tǒng)中的應(yīng)用則控制能力略顯不足，故國內(nèi)許多學(xué)者都致力于非線性滑膜面研究。B)B)非線性滑膜面：滑膜控制理論研究關(guān)注的熱點，國內(nèi)外學(xué)者先后提出了分段線性滑膜、終端滑膜和積分滑膜及全局滑膜等多種非線性滑膜面，本文主要采用終端滑膜面和積分滑膜 面。終端滑膜面是由于 ZakZak 于 19881988 年提出的，終端滑膜相對于線性滑膜提高了動態(tài)系統(tǒng)的收斂 速度，使系統(tǒng)能夠在有限時間收斂到平衡點，且對系統(tǒng)不確定性具有較強的魯棒性，穩(wěn)態(tài)精 度高和控制切換增益小等特點。終端滑膜面可以表示為如下形式: 式(1-2)1-2)式中，300 是常數(shù)，p p、q q 是奇數(shù)，且 pq0p

8、q0。系統(tǒng)狀態(tài)達到滑膜面后，x x 將在有限時間內(nèi)收x(0)=0，則從x(0)到x(ts) =0所需要的時間ts為:p i訃1(0)+0=- In- -：(p-q)2.22.2 滑膜控制律設(shè)計滑膜面設(shè)計可以保證滑動模態(tài)運動品質(zhì)， 滑膜控制規(guī)律能夠提高趨近階段動態(tài)品質(zhì)， 使系統(tǒng) 進入滑動模態(tài)運動。故滑膜控制律設(shè)計是滑膜控制系統(tǒng)設(shè)計時至關(guān)重要的環(huán)節(jié)?；た刂坡蒛(t)U(t)通常分為兩部分，即趨近運動階段的切換控制Us和滑膜面上的等效控制，其中切換 控制Us需要滿足系統(tǒng)有限時間可達性和提高趨近階段動態(tài)品質(zhì)的要求?？蛇_性是指系統(tǒng)狀態(tài)在有限時間內(nèi)到達滑動面。早在滑膜控制理論之處，前蘇聯(lián)學(xué)者就提出了不等

9、式的到達條件ss：0,但這種到達條件只滿足漸進達到，無法保證在有限時間內(nèi)到達。為了實現(xiàn)滑膜在有限時間內(nèi)到達，有學(xué)者提出了s$：(：.0)的到達條件。我國學(xué)者高為炳院士提出了趨緊律到達概念，與其他方式相比，趨近律方法更好地描述了趨近運動過程且這種方式易于實現(xiàn)控制，在實際應(yīng)用中被采用。目前常見的趨近律主要有：a)a) 等速趨近率：s - -sgn(s)式(1-41-4)b)b) 指數(shù)趨近率：s-ks- sgn(s)(k0,0)式(1-51-5)c)c) 幕次取盡率：s二k s -sgn(s)(k 0,0：1)式(1-61-6)d)d) 一 般趨近率：s ksg n(s)-f(s)(k 0,其中：f

10、(0)=0f(0)=0 且s = 0時 sf(s)0)sf(s)0)式(1-71-7)S(x)二xxq p= 0斂到ts式(1-31-3)綜合訓(xùn)練項目二7 7除了以上非連續(xù)的趨近律外， ShesselShessel 將終極吸引子的有限時間到達平衡點的特性應(yīng)用到趨交流電機調(diào)速系統(tǒng)先進控制方法綜述8 8近階段，設(shè)計了連續(xù)的趨近率-kspq(p :：: q且 p p、q q 是奇數(shù))式(1-81-8)這種趨近率不僅使得系統(tǒng)狀態(tài)能在有限時間內(nèi)到達滑動面，且因控制率是連續(xù)的，因此在滑動階段的抖動也被降低。三、 無速度傳感器概述由于開環(huán)系統(tǒng)中電機的機械特性比較軟，所以現(xiàn)在電機調(diào)速系統(tǒng)中一般都用閉環(huán)控制。要

11、想閉環(huán)我們必須要得到電機的轉(zhuǎn)速，從而構(gòu)成速度閉環(huán)?，F(xiàn)在檢測電機速度的方法主要分為兩種：第一種：直接檢測方式，也稱有速度傳感器，是指在電機轉(zhuǎn)子軸上安裝機械傳感器來檢測電機轉(zhuǎn)速。這種方式不僅使系統(tǒng)的成本增加，并且增加電機的體積；此外機械裝置容易損壞、不易維護。第二種：間接檢測方式，也稱無速度傳感器方式，是利用較易獲得的電機物理量來計算電機轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速。 無速度傳感器算法可以取代電機的機械速度傳感器，實現(xiàn)高效的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，這種方式可以有效的解決速度傳感器帶來的一系列缺點，因此無速度傳感器的研究必將成為電機控制的一熱點。目前電機轉(zhuǎn)速估算的方法主要有：檢測電感變化法、電機反電動勢計算法、 模型參考自

12、適應(yīng)法、高頻注入法、滑膜控制等方法。下面主要介紹模型參考自適應(yīng)法。四、 模型參考自適應(yīng)法模型參考自適應(yīng)是二十世紀(jì)五十年代后逐漸發(fā)展起來的，其基本思想是采用一個參考模型與一個可調(diào)模型來實現(xiàn)參數(shù)識別。其基本框圖如下：圖 4-14-1 參考模型自適應(yīng)結(jié)構(gòu)從參考模型自適應(yīng)的結(jié)構(gòu)圖可以看出，參考模型與可調(diào)模型具有相同的輸入，參考模型和可調(diào)模型的輸出經(jīng)過比較后，使他們的差值經(jīng)過所設(shè)計的自適應(yīng)系統(tǒng)，使可調(diào)模型不斷逼近參考模型。五、無速度傳感器的設(shè)計參考模型自適應(yīng)是由美國 MITMIT 大學(xué)教授首先提出的。隨著計算機技術(shù)、線性系統(tǒng)理論、非 線性系統(tǒng)理論以及自適應(yīng)控制的快速發(fā)展，使自適應(yīng)控制在航天航空、電力、通

13、信、化工等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。模型；將參考模型與可調(diào)模型的差值作為差值矢量e(t)e(t),將差值矢量送入自適應(yīng)結(jié)構(gòu)中，通過閉環(huán)使調(diào)節(jié)可調(diào)模型yp(t)逼近參考模型ym(t)，最終使差值矢量額e(t)e(t)趨于零。由圖 5-15-1 可知，系統(tǒng)輸入由外部激勵源人激勵，ym(t)為參考模型的輸出,yp(t)為可調(diào)綜合訓(xùn)練項目二9 9圖 5-15-1 參考模型自適應(yīng)結(jié)構(gòu)5.15.1 參考模型和可調(diào)模型的設(shè)計在 dqdq 坐標(biāo)系下永磁同步電機的電流狀態(tài)方程為:diddtdiqdtRsiLdLqLdRs.Liq1uLqqLd1- idfLLqqL=Ld = LqL L 為電機定子相繞組電感，式（

14、5-15-1） 為電角速度，R R 為電機定子電阻。式中式（5-15-1）改寫為:dtRs.id丄UdiqLqdiqdtRsiq丄Uq _ d f-LqLqL對電流狀態(tài)方程做如下變換:ddtL丿T,iqJqid =id令= lq,Ud二UdL，uq5-35-3)=Uq，上式改寫為:d_dtJJqRsLL丿式（5-45-4）交流電機調(diào)速系統(tǒng)先進控制方法綜述1010id為等效后的電機勵磁電流。id是由永磁體在 d d 軸上產(chǎn)生的電流和三通過式（5-45-4）可知，相定子電流的勵磁分量兩部分組成的。Ud為等效后的電機直軸電壓,5.25.2 自適應(yīng)率的確定電流狀態(tài)方程的估計形式可表示為:ud與id組成類似。將上