現(xiàn)代控制理論與交流電機(jī)調(diào)速(V)――滑模變結(jié)構(gòu)控制_圖文

1、維普資訊 維普資訊 機(jī) 車 電 傳 動(dòng) 年 選 擇 定 子 電流 和磁 鏈 為狀 態(tài) 變量 ， 永磁 同步 電機(jī) 的動(dòng) 態(tài)特 性 可 表示 為 ， ， ： ） ） （） ： ： 一 尺 一 ） （ （ 除 了對(duì) 角 線法 和 分級(jí) 控 制法 以外 ， 計(jì) 滑模 變 結(jié) 設(shè) 構(gòu) 控制 器 ， 還有 其 他途 徑 。 ， 一 一 ， 滑模變結(jié)構(gòu)控制在 交流 電機(jī)調(diào)速 中的應(yīng) 用 對(duì) 于如交流 電機(jī)一類具 有 內(nèi)在 非線性 的高階設(shè) 備 ， 十 采用線性 控制方 法并不總是合適 的；另 一方面 ， 隨著高 頻 半導(dǎo) 體 器件 和 高速 開關(guān) 電路技 術(shù) 的進(jìn)步 ， 現(xiàn)代 電力 電子變 流 器 可 以

2、在高 頻狀 態(tài) 下處 理 大 功率 。 當(dāng)采 用 這 類 變流 器 時(shí) ， 為它 們 的基 本 功能 只 是脈 寬 調(diào)制 其 實(shí) 認(rèn) 并 不 十分妥 貼 ， 當(dāng)轉(zhuǎn) 到采 用 不連 續(xù) 控 制動(dòng) 作 的概 念 應(yīng) 上來 。 也許 才 是變流 器 及其 器件 的 “ 這 天性 ” 。 盧 口 式 中： （） 變結(jié) 構(gòu) 控 制策 略 的基 礎(chǔ) ， 設(shè)計(jì) 不連 續(xù)控 制 信 號(hào) 是 以驅(qū) 使系 統(tǒng)狀 態(tài)朝 向狀 態(tài)空 間 中特 定 的曲 面或 曲面 的 相交 的子 區(qū)域（ 流形） 滑模變結(jié)構(gòu) 控制 的設(shè)計(jì)任 務(wù)就是 。 選擇 這類 合適 的 曲面（ 滑動(dòng) 面） 使 狀態(tài) 收斂 在其 上面 ， ， 從而

3、使 系統(tǒng)具有所 希望的特性 。 設(shè)計(jì) 可分 ：第 ， 步 步 設(shè)計(jì)滑動(dòng) 面 ， 保證在 滑動(dòng)模態(tài) 中獲得所期 望 的性 能 ；第 ， 計(jì) 控制律 ， 步 設(shè) 引導(dǎo) 動(dòng)態(tài) 系統(tǒng) 到滑 動(dòng)面上 并保 持 在 那里 。 ） 一（ ） ） ） 盧 （ ） ） （ 為等效反 電勢(shì) ； 、 分 別為電機(jī) 電阻 、 、 交軸和直軸 電感 ； 是轉(zhuǎn)速 。 對(duì) 于 。 對(duì)極 數(shù) 電機(jī) ， 出的轉(zhuǎn) 矩 發(fā) 定 子磁 鏈 幅 值 的平 方 為 十 ， ， ， （ 例 ：永磁 同步電機(jī) （ ） 的變結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)矩和磁通控制。 對(duì)交 流 電機(jī) 調(diào)速 系統(tǒng) 來說 ， 直接 轉(zhuǎn) 矩 控制 策 略是 特別有用 的 。 盡管它 相對(duì)

4、簡(jiǎn)單 ， 能產(chǎn)生 快速 的轉(zhuǎn) 矩 和 但 （ 滑 動(dòng)面設(shè)計(jì) ） 現(xiàn) 在 的控 制 目標(biāo) 是 跟蹤 期 望轉(zhuǎn) 矩 和磁 鏈 軌跡 ， 使 磁通 控 制響 應(yīng) ， 而且 對(duì) 電機(jī) 參數(shù) 變 化 和對(duì) 外部 擾 動(dòng)是 極具 魯棒 性 的。 典 的直 接轉(zhuǎn) 矩 控 制根 據(jù) 電壓 源 逆 變 經(jīng) 器的 態(tài)離散 特性 ， 通過功率 變流器 這一開關(guān) 裝置實(shí) 現(xiàn) 不連 續(xù)控 制 規(guī) 則 ， 以它 事 實(shí)上 是一 種 變 結(jié)構(gòu) 控 制 電 所 路。 與相應(yīng)給定值 、 之間的偏 差 （ 一 和 ， ） ，一 ， 控制 在規(guī) 定的范 圍 內(nèi) 。 樣 可 以設(shè) 定 滑 被 這 動(dòng) 面 ） （ ） （ （ 一 ）

5、） ： （ ： ） （ 一 ，） ， ， ） 式 中 ：。 是正 的控 制增益 。 、： 從上式可知 ， 表示轉(zhuǎn) 矩調(diào)節(jié) ， 島 表示跟蹤磁 鏈。 當(dāng)系統(tǒng)狀 態(tài) 已經(jīng)到達(dá) 滑動(dòng) 面并逗 留在其上 時(shí) ， 則有 （ ） 在采 用變結(jié) 構(gòu) 控制 器實(shí) 現(xiàn)直 接轉(zhuǎn) 矩 和磁通 控 制的 系統(tǒng)框圖（ 見圖 中 ， ） 外環(huán)包含 速度 調(diào) 節(jié)器 ， 產(chǎn)生給定 轉(zhuǎn) 矩 ；內(nèi)環(huán) 包含直 接轉(zhuǎn)矩 和磁通 控制 的變結(jié)構(gòu)控 制器 ， 產(chǎn)生 跟蹤 轉(zhuǎn) 矩 和磁通 的最合 適 的 給定 電壓 ， 為 矢量 作 調(diào) 制 的電壓指令 。 從式（一 ） ）（ 得 一 一 （ ） 蓋 一 ） ， （ 上式 保證偏 差 、

6、一 收斂于 因?yàn)槭剑ê停◤?。 ） ） 開始 就是零 ， 以在整個(gè) 暫態(tài)過 程 中都 是魯棒 的 ， 所 并 以 的 時(shí)間 常數(shù) 漸 近 收斂 于 原點(diǎn) 。 在設(shè) 計(jì) 可 簡(jiǎn)化 現(xiàn) 圖 變結(jié) 構(gòu) 控 制 器 實(shí) 現(xiàn) 直接 轉(zhuǎn) 矩 和磁 通 控 制 的 系統(tǒng) 框 圖 一 為 ：用不連續(xù) 的定子 電壓空 間矢 量強(qiáng)制 在滑動(dòng)面 ， 一 維普資訊 第 期 黃濟(jì) 榮 ：現(xiàn)代 控制理 論 與交流 電機(jī)調(diào)速 （ ） 上存在滑模 。 （ 變結(jié)構(gòu) 控制律 設(shè)計(jì) ） 設(shè)計(jì) 變結(jié) 構(gòu)控 制 律 的任務(wù) ， 使?fàn)?態(tài)軌 跡 朝 著上 是 述滑 動(dòng)面 的交線 運(yùn)動(dòng) 。 也就 是設(shè)計(jì) 一個(gè) 變結(jié) 構(gòu)控 制器 ， 產(chǎn) 生

7、脈 寬調(diào) 制器 的 定子 電壓 給定 值 。 方 程 （一 ） 示 的 系統(tǒng) 在 子 空 間 運(yùn) 動(dòng) 的投 影 ， ）（表 上 顫 使 系統(tǒng)振 蕩 而導(dǎo) 致無 法精 確 定位 。 為 了減 少 震顫 的不利 影 響 ， 已經(jīng) 研究 出 了各 種 補(bǔ) 償或抑 制技 術(shù)。比如 ， 滑?？?制器輸 出端 和電機(jī)控制 在 器輸 入端 之 間插 人 低通 濾 波器 作 為補(bǔ) 償 器 ， 以減 少轉(zhuǎn) 矩脈 動(dòng) 。 然這種濾 波器 使電機(jī)輸 入 電流變得 平滑 ， 雖 并 抑制 了在最 終 參考 位 置上 的振 動(dòng) ， 但也 影 響 了暫 態(tài)條 件下 的響 應(yīng)速度 。為此 ， 又提 出 了變帶 寬濾 波器

8、。 在穩(wěn) 可從 求導(dǎo)得 出 一 ） 一 ） ， 一 一， （） 用式（一 ） ）（代替上式 中的 、及其導(dǎo)數(shù) ， ， 得 】 （ ） 態(tài)時(shí) ， 波器 的帶寬 較窄 ， 濾 以減少 脈動(dòng)分 量 ， 但在 暫態(tài) 時(shí)被 加寬 以改善 響 應(yīng) 。 另外 ， 采用改 變控制 的方法 ， 也可減 少震顫 的不利 影響 。 在永磁 同步 電機(jī) 的變結(jié)構(gòu)控 制 中 ， 一種 補(bǔ)救方 案 是用 滑動(dòng) 面鄰 域 中 的一個(gè) 連 續(xù) 函數(shù) 代替 不連 續(xù) 函數(shù) ： ， 一 ， ） ， 噸： 一 ， ， 一 。 ， 盧 ， 一 吾 等 一 一 式 中 ： ， 是一個(gè)平滑 系數(shù) 。 。 盧 一 一 。 盧 一 一 模

9、糊 滑模 控 制 眾所周知 ， 模糊 控 制 的特 點(diǎn) 是 不需 要控 制 對(duì) 象 的 數(shù) 學(xué)模 型 ， 并能 充分利 用人 的經(jīng)驗(yàn) 和知識(shí) ， 但缺少 系統(tǒng) 化的設(shè) 計(jì)方法 ；滑模 控制雖然需要 模型 ， 但不需要特 別 （ ） ， 盧 （ ， ， ） 為 了設(shè) 計(jì)不 連續(xù) 控制 ， 選擇 李 雅普諾 夫 函數(shù) ： （ ） 精確的， 只要 知 道模 型 參數(shù) 和擾 動(dòng) 不確 定性 的上 界就 足夠 了。 控制 方法 在外表 上看 互不 相干 ， 這 種 但存 在 些實(shí) 質(zhì)上 的相似性 。比如 ， 從控 制 目標(biāo) 看 ， 糊控 制 模 規(guī) 則 的前提 往往 是按 輸入 量 的跟 蹤誤 差及 其

10、導(dǎo) 數(shù)考 慮 的， 而滑模 函數(shù) 被定 義為狀態(tài) 變量 的跟蹤誤 差 與 可 及其在 式（ 所示 的狀態(tài)軌跡 上 的時(shí) 間導(dǎo)數(shù) ） 】） （ ） 從 而可 選擇 控制 律 ： “ 州 其各 階導(dǎo)數(shù) 三 的線性組 合。 在模糊 控制規(guī)則表 中 ， （ ， ， 則 控制輸 出為零 的對(duì)角線 把相空 間 分為上 、 下 兩部分 。 制器 的輸 出在兩 者 中的符號(hào) 不 同 ， 控 為正或 為 負(fù)， 其輸 出量 的大 小也與距 離有關(guān) 。 合適 的控制 可促使 系統(tǒng) 的跟蹤誤 差為零 ， 制器 的輸 出為零 ，使系統(tǒng) 到達(dá) 控 上述對(duì)角線 。 顯然 ， 這與滑?？刂破鞯?目的相似 ， 都是為 了驅(qū)動(dòng)

11、系統(tǒng)到 達(dá) 目標(biāo)線 ；另外 ， 對(duì)模 糊控制 來說 ， 模糊 控制 輸 出與輸 入量在不 同論 域分 區(qū)中的位置有關(guān) ， 以 可 寫成不同的函數(shù)表 達(dá)式 。 這意味著它具有變結(jié)構(gòu) 的特征。 原 來模糊控制器 的輸入是跟蹤誤 差 及其導(dǎo)數(shù) ， 如果 ： ：） ：。 一 （ ， 這 就是說 ， 李雅普諾 夫 函數(shù) 的時(shí) 間導(dǎo)數(shù)為 負(fù)值 ， 所 以 系統(tǒng) 是 漸 近 穩(wěn) 定 的 震 顫 問題 及 其抑 制 變 結(jié)構(gòu) 控 制 器保 證 閉環(huán) 系統(tǒng) 具 有 期望 性 能 ， 它 但 要求 無限快 的開關(guān) 機(jī)構(gòu) 。 是一種 理想情 況 ， 這 即系統(tǒng)狀 態(tài)軌 跡在參 考軌跡 上平滑地 滑動(dòng) 。 實(shí)際 上

12、， 關(guān)實(shí)現(xiàn)可 開 能是 快速 的 ， 但并 非理想 的 。 比如數(shù)字控 制 系統(tǒng)或功率 變流 器 系統(tǒng) ， 開關(guān)速 率是有 限的 。 因此 ， 系統(tǒng) 狀態(tài) 圍繞 但 在設(shè)計(jì) 模糊 滑?？刂?器時(shí) ， 其輸 入量是 滑模 函數(shù) 及 其 導(dǎo)數(shù) 。 以 ， 所 設(shè)計(jì) 工作 的第 步是 選擇 滑模 函數(shù)并 確定 滑模變結(jié)構(gòu)控 制律 ；第 步是基 于模 糊邏輯及其 方 法 推算 滑模 控制 律 的相 關(guān)參數(shù) 。 為此 ， 先必須選 擇輸 首 人 量和輸 出量隸 屬 函數(shù) 的模糊 值 的數(shù)量 、 式 （ 三角 形 如 滑動(dòng) 線產(chǎn) 生高 頻抖 動(dòng) ， 種現(xiàn) 象稱 為震 顫 。 這 在 電傳動(dòng) 系統(tǒng) 中 ，

13、顫造 成一些 非常有 害 的影 響 ， 震 如 轉(zhuǎn)矩 脈 動(dòng) 、 電流諧 波 、 噪聲等 。 而在 伺服 控制 中 ， 震 形、 梯形 、 斯形等 ） 高 和位 置 （ 論域 的劃分 ） ；然后決 定 套 以 “ ” 的形式 表達(dá) 的 、 相應(yīng) 的模 糊規(guī)則 ； 一 在此 基礎(chǔ) 上進(jìn)行 模糊 推理 與清晰 化 （ 如采用 重心 法等 ） （ 轉(zhuǎn)第 下 頁(yè) ） 維普資訊 第 期 王 秀利 ， 潘 燕 ， 馮江 華 ， 蔣靜 坪 ：網(wǎng)側(cè) 變流 器系 統(tǒng)建模 及半 實(shí) 物仿 真實(shí) 現(xiàn) 將半實(shí) 物仿 真試 驗(yàn) 主要 電量數(shù) 據(jù)和 速 高 列 車 電傳 動(dòng) 系統(tǒng)地 面試驗(yàn) 報(bào)告 中實(shí) 際 測(cè)量 數(shù)據(jù) 進(jìn)

14、行 比 較 。 對(duì)穩(wěn) 態(tài)運(yùn) 行 （ 載 電流穩(wěn) 定 ） 況 ， 別 比較 了 針 負(fù) 工 分 在 大負(fù) 載 電流 和小 負(fù) 載 電流 時(shí) ， 流 側(cè) 電流 和 中間 電 交 路 電壓 的誤差 。 負(fù)載 電流時(shí) ， 大 仿真交 流側(cè) 電流平均誤 差在 仿真 中間電路 電壓平均 誤差在 ， ；小負(fù)載 電 流時(shí) ， 仿真 交流側(cè) 電流平 均誤差在 ， 仿真 中間 電路 電壓平均誤 差在 。 作為 系統(tǒng)級(jí)半實(shí)物 系統(tǒng) ， 其仿 真 模 型和算 法 的精 度 達(dá)到設(shè) 計(jì) 要求 。 結(jié) 論 把變 壓 器二 次 側(cè) 、 流 器 和 中間 電路 作 為一 個(gè) 變 變 流器 系統(tǒng)建 立其數(shù)學(xué)模 型 ， 并下載

15、到 硬件環(huán)境 里， 變流器 系統(tǒng)和實(shí) 物控制 器組成 半實(shí)物 仿真 系統(tǒng) 。 使 用“ 中華之 星 ” 動(dòng)車組 電參數(shù)進(jìn) 行 了仿真實(shí) 驗(yàn) 。 驗(yàn)結(jié) 試 果 表 明所 建模 型基 本 反映 了變 流器 系統(tǒng) 主要 電 量運(yùn) 動(dòng) 規(guī) 律 。 在 ， 研發(fā) 的系統(tǒng)仿 真平 臺(tái) 已應(yīng) 用到變 流控制 現(xiàn) 所 器 的開發(fā) 過 程 中。該平 臺(tái)為研 發(fā) 新 的控 制器 提 供 了現(xiàn) 代 化 的測(cè) 試仿 真 手段 ， 效地 縮 短 了控 制器 的研 發(fā) 周 有 期， 帶來 了顯 著 的經(jīng)濟(jì) 效益 和社 會(huì) 效益 。 網(wǎng) 負(fù) 載 突切 時(shí)變 流 器 系 統(tǒng) 輸 出 結(jié) 果 參考 文獻(xiàn) ： 丁榮 軍， 桂 武嗚 四象 限變 流器 輸入 電 的 計(jì)算 機(jī) 車 電傳動(dòng) ， ） （ ： 劭公寅 ，李中浩 四象限 變流器 系統(tǒng) 鐵道學(xué) 報(bào)， ， （ ） ： 黃濟(jì)榮 電 力牽 引交流 傳動(dòng) 與控 制 北京 ：機(jī) 械工業(yè) 出 版 社 ， 王挺 澤 大 功率 四象 限 變流 器微 機(jī)實(shí) 時(shí)控 制 原理 機(jī) 車 電傳動(dòng)， 增 刊 ） （