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1、综合训练项目二目：交流电机调速系统先进控制 #. 方法综述学专班姓学期：业：自动化级：班名：号：指导教师:辽宁工程技术大学成绩评定表评定指标标准评定合格不合格控制器设计方法分析充分性评无速度传感器估分析充分性计方法定设计报告答辩内容充实标答辩效果准总成绩日期年 月日题目：交流电机调速系统先进控制方法综述目的：通过查找资料，了解交流电机调速系统先进的控制技术及无速度传感器 估计技术。要求：总结近期国内外交流电机调速系统先进的控制技术及无速度传感器估计 技术，总结各自方法优缺点，提出自己的控制方法。任务：1、总结国内外交流电机调速系统先进的控制技术（如:滑模控制、自抗扰 控制、无源控制等）发展现状
2、；2、总结国内外交流电机调速系统无速度传感器估计技术（适合低速的高 频信号注入方法、适合低速的观测器估计方法等）发展现状；3、针对高性能调速系统提出自己的控制方案。成果形式：现场交流+书面报告一、电机调速控制系统概述常用的PID控制策略结构简单，易于调节，且不依赖于被控对象的数学模型，故被广泛应 用与永磁同步电机控制系统中，用于电流、速度和位置等调节控制。但永磁同步电机是强耦 合的非线性系统，仅仅依靠传统PID控制很难获得高性能的控制，为此国内外学者为了弥 补PID经典控制理论对非线性系统调节能力不足的问题，将滑膜控制、自适应控制、模糊 控制、神经网络控制等算法引入到电机控制领域中，并与矢量控
3、制和直接转矩控制理论结合， 以满足系统的动、静态性能指标，实现高性能永磁同步电机控制。由于滑膜(变结构)控制 理论对内部参数摄动和外部干扰具有较强的鲁棒性和较高的控制精度，且实现简单，故称为 提高永磁同步电机控制系统的有效手段之一，正越来越引起国内外学者的关注。自滑膜变结构控制理论诞生起，电机控制领域就是其最主要的应用领域。滑膜控制是前苏联 学者Emelanov和Barbashin于20世纪60代首先提出的，并经Utkin等人完善与发展，在上 个世纪70年代逐渐成为控制领域的一个相对独立的重要分支，形成了控制系统一般设计方 法，并在电机、机器人等领域得到广泛应用。二、滑膜控制的原理滑膜变结构控
4、制是一种非线性控制，它采用控制切换法则，通过在不同控制作用之间的切换， 产生一种与原系统无关，按照预定滑动模态的状态轨迹的运动，是系统状态达到期望点，从 而实现系统控制。由于预定轨迹和控制对象内部参数及外部扰动无关，因此滑膜变结构控制 具有非常好的鲁棒性。图1.3展示了滑膜运动状态，其中S(x)是滑膜切换函数，S(x)=0是滑膜面。图1.3梢模运动状态示意图滑膜变结构控制的实现过程是根据系统所期望的动态特性来设计系统的滑膜面，通过滑膜控 制器设计使状态从滑膜面之外向滑膜面运动，系统一旦达到滑膜面，控制作用将保证系统沿 滑膜面到达系统原点。由此可见，滑膜变结构控制系统的运动主要分两个阶段，即趋近
5、运动 和滑动模态运动。所谓趋近运动是出于滑膜以外的运动或有限次穿越滑膜面；滑膜模态运动 时位于滑膜面上的运动，该阶段系统性能由滑膜面动态特性决定，该阶段对系统参数摄动、 外部扰动具有较高的鲁棒性。2.1滑膜控制设计方法滑膜变结构控制系统设计主要包括两部分：第一部分：设计滑膜切换函数，使系统进入滑膜 运动后收敛于系统控制期望点，并具有良好的动态品质；第二部分：设计滑膜控制律，使系 统能够达到滑膜面，并形成滑动模态运动。滑膜控制系统性能很大程度上决定于滑膜面，故滑膜面设计与选择成为滑膜系统设计中最为 关键的问题。目前，各种形式的滑膜面主要可分为两类：线性滑膜面和非线性滑膜面。线性滑膜面：最常见的滑
6、膜面，它表现为系统状态的线性函数，系统在滑膜面上具有降阶特 性。线性滑膜面表达式为：S(x)=Cx 式(1-1)式中：S(x)是滑膜面，C是滑膜系数，x是系统状态。现行滑膜面设计时，通过最优化控制 法、极点配置法、微分几何法和Lyapunov方法等实现，该类滑膜控制系统稳定性分析简单、 便捷、参数设计相对容易，故线性滑膜最早被提出，并被广泛应用于各类系统中。但线性滑 膜在复杂的非线性系统中的应用则控制能力略显不足，故国内许多学者都致力于非线性滑膜 面研究。B)非线性滑膜面：滑膜控制理论研究关注的热点，国内外学者先后提出了分段线性滑膜、终 端滑膜和积分滑膜及全局滑膜等多种非线性滑膜面，本文主要采
7、用终端滑膜面和积分滑膜 面。终端滑膜面是由于Zak于1988年提出的，终端滑膜相对于线性滑膜提高了动态系统的收敛 速度，使系统能够在有限时间收敛到平衡点，且对系统不确定性具有较强的鲁棒性，稳态精度高和控制切换增益小等特点。终端滑膜面可以表示为如下形式：S=x +p Xqp = 0式(1-2)式中，。0是常数,p、q是奇数，且pq0。系统状态达到滑膜面后，x将在有限时间内收敛到零。若系统状态到达滑膜面时，X(0)丰0，则从X(0)到x(ts) = 0所需要的时间七为：pa lx (0)|(p-q)/p + Pt =以(P )In i p 式(1-3)2.2滑膜控制律设计滑膜面设计可以保证滑动模态
8、运动品质，滑膜控制规律能够提高趋近阶段动态品质，使系统 进入滑动模态运动。故滑膜控制律设计是滑膜控制系统设计时至关重要的环节。滑膜控制律 u(t)通常分为两部分，即趋近运动阶段的切换控制七和滑膜面上的等效控制ueq,其中切换 控制七需要满足系统有限时间可达性和提高趋近阶段动态品质的要求。可达性是指系统状态在有限时间内到达滑动面。早在滑膜控制理论之处，前苏联学者就提出 了不等式的到达条件sS 0，但这种到达条件只满足渐进达到，无法保证在有限时间内到达。为了实现滑膜在有限时间内到达，有学者提出了 ss 0)的到达条件。我国学者高为 炳院士提出了趋紧律到达概念，与其他方式相比，趋近律方法更好地描述了
9、趋近运动过程且 这种方式易于实现控制，在实际应用中被采用。目前常见的趋近律主要有：a) 等速趋近率：S = -n sgn(s) 式(1-4)b) 指数趋近率：s = -ks -H sgn(s)(k 0,H 0) 式(1-5)c) 幂次取尽率：s = -k|s|-sgn(s)(k 0,0 a 0,其中：f(0)=0 且 s。0 时 sf(s)0)式(1-7)除了以上非连续的趋近律外，Shessel将终极吸引子的有限时间到达平衡点的特性应用到趋近阶段，设计了连续的趋近率s = -ksp q(p q且p、q是奇数)式(1-8)这种趋近率不仅使得系统状态能在有限时间内到达滑动面，且因控制率是连续的，因
10、此在滑 动阶段的抖动也被降低。三、无速度传感器概述由于开环系统中电机的机械特性比较软，所以现在电机调速系统中一般都用闭环控制。要想 闭环我们必须要得到电机的转速，从而构成速度闭环。现在检测电机速度的方法主要分为两 种：第一种：直接检测方式，也称有速度传感器，是指在电机转子轴上安装机械传感器来检 测电机转速。这种方式不仅使系统的成本增加，并且增加电机的体积；此外机械装置容易损 坏、不易维护。第二种：间接检测方式，也称无速度传感器方式，是利用较易获得的电机物 理量来计算电机转子位置和转速。无速度传感器算法可以取代电机的机械速度传感器，实现 高效的转速闭环控制，这种方式可以有效的解决速度传感器带来的
11、一系列缺点，因此无速度 传感器的研究必将成为电机控制的一热点。目前电机转速估算的方法主要有：检测电感变化法、电机反电动势计算法、模型参考自适应 法、高频注入法、滑膜控制等方法。下面主要介绍模型参考自适应法。四、模型参考自适应法模型参考自适应是二十世纪五十年代后逐渐发展起来的，其基本思想是采用一个参考模型与 一个可调模型来实现参数识别。其基本框图如下：图4-1参考模型自适应结构从参考模型自适应的结构图可以看出，参考模型与可调模型具有相同的输入，参考模型和可 调模型的输出经过比较后，使他们的差值经过所设计的自适应系统，使可调模型不断逼近 参考模型。五、无速度传感器的设计参考模型自适应是由美国MIT
12、大学教授首先提出的。随着计算机技术、线性系统理论、非 线性系统理论以及自适应控制的快速发展，使自适应控制在航天航空、电力、通信、化工等 领域获得了广泛的应用。由图5-1可知，系统输入由外部激励源人r(t)激励，七为参考模型的输出，,(。为可调 模型；将参考模型与可调模型的差值作为差值矢量e(t)，将差值矢量送入自适应结构中，通 过闭环使调节可调模型七(t)逼近参考模型ym (t)，最终使差值矢量额e(t)趋于零。图5-1参考模型自适应结构5.1参考模型和可调模型的设计在dq坐标系下永磁同步电机的电流状态方程为：d = 土 i + u +oidtLd d Ld d q Ld4 = Ri + u
13、oi L w o dt L q L q d L f LL = Ld = L L为电机定子相绕组电感式（5-1）为电角速度，R,为电机定子电阻。式中式（5-1）di艾=改写为：R .1.Ll + U +Oidiq = dt式（5-2）s i + u coi w co L q L q d f Ld.wf R si + d L=LdtioL qV对电流状态方程做如下变换:、rnrnoi +11.wi + dL+ _d LRsiLuL71- qL q式（5-3）i = i +Wfd d L令上式改写为:R wi = i , u = u + s f , u = uq q d d L q qddtidi-RLoV-di1- q式（5-4）i；为等效后的电机励磁电流。厂是由永磁体在d轴上产生的电流和三通过式（5-4）可知，相定子电流的励磁分量两部分组成的。u 为等效后的电机直轴电压，u 与i组成类似。 dd d式（5-5）将上式作为可调模型，记为：%，=由，+ BU dt5.2自适应率的确定电流状态方程的估计形式可表示为:ddt(R-TL-COuduq式（5-6）上式化简为:i = Ai + Bu式(5-7) dt图5-2自适应率最终的转速估计为:CO = Kpi) +% ii*一i I -(I -i )赤 +(0) d q q d L q q
