現(xiàn)代交流電機控制技術(shù)C10交流電機的先進控制技術(shù)課件

1、第十章交流電機的先進控制技術(shù)內(nèi)容概要交流電動機變壓變頻系統(tǒng)的新型控制策略綜述；交流電動機的逆系統(tǒng)控制方法；內(nèi)?？刂萍夹g(shù)在異步電動機調(diào)速領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用；具有參數(shù)自校正功能的轉(zhuǎn)差型矢量控制系統(tǒng)；只能控制方法在異步電動機調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用。本章講述：* 雖然矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制使交流電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)的性能獲得了很大程度的提高，但是，依然存在著一些缺點。而現(xiàn)代控制理論的發(fā)展為解決矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制中存在的問題提供了一個新的途徑，出現(xiàn)了許多具有應(yīng)用前景的新型交流調(diào)速系統(tǒng)控制方法，其中主要包括以下幾種控制方法。10.1 交流電動機變壓變頻系統(tǒng)的新型控制策略綜述*1.非線性反饋線性化控制方法 從本質(zhì)上看

2、，交流電動機是一個非線性的多變量系統(tǒng)，非線性反饋線性化是一種研究非線性控制系統(tǒng)的有效方法，它與局部線性化方法有著本質(zhì)的不同。非線性反饋線性化控制方法是基于微分同胚的概念，利用非線性坐標變換和反饋（狀態(tài)反饋或者輸出反饋）控制將一個非線性系統(tǒng)變換為一個線性系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)的動態(tài)解耦和全局線性化。 1987年，Krzeminski Z.首次利用微分幾何的方法處理五階的異步電動機模型，繼而非線性反饋線性化理論在交流傳動中的應(yīng)用得到了發(fā)展，從理論上可以證明，使用反饋線性化方法可以實現(xiàn)交流電動機的轉(zhuǎn)速-磁鏈、轉(zhuǎn)矩-磁鏈解耦控制，而矢量控制沒有能完全實現(xiàn)轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)矩）的解耦控制，可見使用非線性反饋線性化方法為提

3、高交流調(diào)速系統(tǒng)的性能提供了一種有效的手段。* 非線性反饋線性化是一種基于控制對象精確數(shù)學模型的控制方法，在其實現(xiàn)過程中主要存在以下兩個問題：在調(diào)速系統(tǒng)運行過程中，當參數(shù)發(fā)生變化時能否保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性，如何抑制電動機參數(shù)變化對控制系統(tǒng)的影響，提高系統(tǒng)的魯棒性；如何對調(diào)速系統(tǒng)的狀態(tài)變量估計準確，如果出現(xiàn)狀態(tài)估計誤差，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性能否保證。這兩個問題一直是非線性反饋線性化在交流調(diào)速系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的主要障礙，其解決有賴于控制理論的進一步完善。*2.反步設(shè)計（Backstepping）控制方法 反步設(shè)計控制方法是一種非線性控制系統(tǒng)遞推設(shè)計思想，是1991年由美國加州大學的Kanellakopoulo

4、s和Kokotovic提出并大力推廣的，旨在遞推設(shè)計非線性系統(tǒng)的Lyapunov函數(shù)和控制律。反步設(shè)計控制的基本思想是將高階非線性系統(tǒng)化為多個低階子系統(tǒng)，進行遞推（分層）設(shè)計。首先根據(jù)最靠近系統(tǒng)輸出端的子系統(tǒng)的輸入輸出描述，設(shè)計其Lyapunov函數(shù)，并基于Lyapunov穩(wěn)定性原理得到其虛擬的控制律；然后向后逐步遞推，得到各個子系統(tǒng)的Lyaponov函數(shù)和虛擬控制律，直至得到實際輸入的控制律。* Kanellakopoulos等人最早把反步設(shè)計控制方法應(yīng)用于異步電動機調(diào)速領(lǐng)域，繼而在交流調(diào)速領(lǐng)域又出現(xiàn)了結(jié)合滑?？刂频姆床皆O(shè)計控制方法、帶有各種參數(shù)自適應(yīng)律的反步設(shè)計控制方法、帶有磁鏈觀測器的反

5、步設(shè)計控制方法、使用擴張狀態(tài)觀測器對不確定性進行補償?shù)姆床皆O(shè)計控制方法等。 反步設(shè)計控制方法作為構(gòu)造非線性控制的一種有效方法，把高階非線性系統(tǒng)進行分解并逐步設(shè)計控制器，在設(shè)計的每一步都以保證一個子系統(tǒng)的穩(wěn)定性為目標，從而可以保證這個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，這是其優(yōu)越性所在。但是在交流電動機控制問題中，由于未知參數(shù)眾多，利用反步設(shè)計控制方法構(gòu)造的控制律過于復雜，使得這種方法至今仍多停留在理論研究上。*3.基于無源性的控制策略 基于無源性的控制（Passivity-Based Control，PBC）策略的突出特點是利用“無功力”的概念從能量平衡的角度來分析非線性系統(tǒng)的狀態(tài)變化及其性質(zhì)。無功力的特點是不影響

6、系統(tǒng)關(guān)系的平衡和穩(wěn)定性，所以，在設(shè)計控制器的過程中無需考慮無功力對系統(tǒng)的影響，從而簡化異步電動機的控制。此外，在設(shè)計無源控制器的過程中，可以利用系統(tǒng)本身的能量函數(shù)來構(gòu)造Lyapunov函數(shù)，從而進一步簡化了控制器的設(shè)計難度。.* 20世紀90年代，由R.Oterga等人第一次將無源控制方法應(yīng)用到了交流調(diào)速領(lǐng)域，用來解決異步電動機的控制問題。在無源控制應(yīng)用的初期實現(xiàn)了恒轉(zhuǎn)矩控制，并得到了形式簡單的轉(zhuǎn)矩控制器，后來又基于無源控制方法設(shè)計了轉(zhuǎn)速控制器，給出了異步電動機無源控制系統(tǒng)的實驗結(jié)果。理論研究和實驗表明，使用無源控制方法設(shè)計的異步電動機控制器具有形式簡單、魯棒性強的特點。 雖然基于無源控制方法

7、設(shè)計的轉(zhuǎn)速控制器形式簡單，靜、動態(tài)性能良好，但是無源控制的核心是要保證系統(tǒng)的嚴格無源性，實現(xiàn)的手段是引入足夠大的定子電流反饋，而這是該方法的主要缺陷。*4.自抗擾控制 自抗擾控制（Auto Disturbance Rejection Controller，ADRC）是20世紀90年代由中國科學院系統(tǒng)科學研究所的著名控制論學者韓京清研究員首先提出的。這種控制方法的核心是，將系統(tǒng)的模型內(nèi)擾（模型及參數(shù)的變化）和未知外擾都歸結(jié)為對系統(tǒng)的“總擾動”，利用誤差反饋的方法對其進行實時估計，并給予補償，具有較強的魯棒性。自抗擾控制的特點是充分利用特殊的非線性效應(yīng)，而這些非線性效應(yīng)則分別包含在ADRC的各個非

8、線性單元中。擴張狀態(tài)觀測器是自抗擾控制理論的核心。采用擴張狀態(tài)觀測器的雙通道補償控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對原系統(tǒng)模型加以改造，使得非線性、不確定的系統(tǒng)近似線性化和確定性化。在此基礎(chǔ)上設(shè)計控制器，并充分利用特殊的非線性效應(yīng)，可有效加快收斂速度，提高控制系統(tǒng)的動態(tài)性能，是解決非線性、不確定系統(tǒng)控制問題的強有力手段。* ADRC特殊的非線性和不確定性處理方法，同時具有經(jīng)典調(diào)節(jié)理論和現(xiàn)代控制理論的優(yōu)點。其在異步電動機的控制系統(tǒng)中也得到了一定的應(yīng)用。因為高階的ADRC計算量偏大，因此在異步電動機控制中適合采用低階ADRC，以提高調(diào)速系統(tǒng)的響應(yīng)速度和降低控制器的計算量。分別采用ADRC中的跟蹤-微分器和擴張狀態(tài)觀測

9、器，運用到異步電動機控制中，取得了滿意的效果。在全階Luenberger磁鏈觀測器的基礎(chǔ)上，應(yīng)用ADRC控制異步電動機，將電動機模型中磁鏈與轉(zhuǎn)速方程相互耦合的部分，都視為系統(tǒng)的模型內(nèi)擾進行處理，實現(xiàn)了電動機的解耦控制。ADRC及其各個組成單元包含的內(nèi)容十分豐富，其控制思想和工程實踐結(jié)合緊密，因此這種控制方法在交流調(diào)速領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。* 但是，ADRC方法中的一些非線性特性，增加了其實際應(yīng)用的難度： 1）為提高系統(tǒng)的收斂速度和控制精度，ADRC典型模型中普遍應(yīng)用了非線性環(huán)節(jié)。由于非線性運算較多，使得計算量很大，對系統(tǒng)硬件的計算能力提出了較高的要求，增加了實時控制的難度。 2）ADRC中涉

10、及較多的參數(shù)，其控制性能很大程度上取決于參數(shù)的選取。如何調(diào)整選擇眾多參數(shù)，使控制器工作于最佳狀態(tài)，是ADRC應(yīng)用中的一個難題。綜上所述，上面談及的現(xiàn)代控制理論都已經(jīng)應(yīng)用到了交流調(diào)速領(lǐng)域，而應(yīng)用這些控制方法的主要目的是實現(xiàn)異步電動機的解耦控制，同時解決模型參數(shù)擾動等因素對系統(tǒng)性能的影響。*5.逆系統(tǒng)控制方法 逆系統(tǒng)控制方法是一種直接反饋線性化方法，具有直觀、簡便和易于實現(xiàn)的特點，便于在工程實際中推廣應(yīng)用?，F(xiàn)已將逆系統(tǒng)控制方法引入到了異步電動機調(diào)速系統(tǒng)中，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)子磁鏈模值和轉(zhuǎn)速的解耦控制。但是，這種控制方法仍存在以下問題： 1）以轉(zhuǎn)子磁鏈模值作為控制量，其控制效果依賴于轉(zhuǎn)子磁鏈模值的觀測精度，受

11、電動機參數(shù)變化的影響比較嚴重，魯棒性差。* 2）這些逆系統(tǒng)控制方法只是實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速和磁鏈的解耦控制，沒有實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的解耦控制，從而影響系統(tǒng)性能的進一步提高。 3）這些逆系統(tǒng)控制方法是基于精確數(shù)學模型提出來的，當電動機參數(shù)發(fā)生變化后，對調(diào)速系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能會產(chǎn)生什么影響，在相關(guān)文獻中都沒有進行討論。 4）現(xiàn)有的逆系統(tǒng)控制方法的實現(xiàn)前提是，對調(diào)速系統(tǒng)中各個狀態(tài)變量都能進行準確的觀測。但是，實際上各個狀態(tài)變量的觀測值存在的估計誤差對系統(tǒng)的性能和系統(tǒng)的穩(wěn)定性的影響，在相關(guān)文獻中都沒有進行討論。*6.滑模變結(jié)構(gòu)控制 滑模變結(jié)構(gòu)控制是由前蘇聯(lián)學者在20世紀50年代提出的一種非線性控制策略，它與常規(guī)控制

12、方法的根本區(qū)別在于控制律的不連續(xù)性，即滑模變結(jié)構(gòu)控制中使用的控制器具有隨系統(tǒng)“結(jié)構(gòu)”隨時變化的特性。其主要特點是，根據(jù)性能指標函數(shù)的偏差及導數(shù)，有目的的使系統(tǒng)沿著設(shè)計好的“滑動模態(tài)”軌跡運動。這種滑動模態(tài)是可以設(shè)計的，且與系統(tǒng)的參數(shù)、擾動無關(guān)，因而整個控制系統(tǒng)具有很強的魯棒性。早在1981年，Sabonovic等人就將滑模變結(jié)構(gòu)控制策略引入到了異步電動機調(diào)速系統(tǒng)中，并進行了深入的研究，以后又出現(xiàn)了不少關(guān)于異步電動機滑模變結(jié)構(gòu)控制的研究成果。但是滑模變結(jié)構(gòu)控制本質(zhì)上不連續(xù)的開關(guān)特性使系統(tǒng)存在“抖振”問題，其主要原因是：* 1）對于實際的滑模變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，其控制力（輸入量的大?。┛偸鞘艿较拗频?，從而

13、使系統(tǒng)的加速度有限。 2）系統(tǒng)的慣性、切換開關(guān)的時間滯后以及狀態(tài)檢測的誤差，特別對于計算機控制系統(tǒng)，當采樣時間較大時，會形成“準滑?！钡痊F(xiàn)象?！岸墩瘛眴栴}在一定程度上限制了滑模變結(jié)構(gòu)控制方法在交流調(diào)速領(lǐng)域中的應(yīng)用。*7.自適應(yīng)控制 自適應(yīng)控制與常規(guī)反饋控制一樣，也是一種基于數(shù)學模型的控制方法，所不同的只是自適應(yīng)控制所要求的關(guān)于模型和擾動的先驗知識比較少，需要在系統(tǒng)運行過程中不斷提取有關(guān)模型的信息，使模型逐漸完善，所以自適應(yīng)控制是克服參數(shù)變化影響的有力控制手段。 應(yīng)用于電動機控制的自適應(yīng)方法有模型參考自適應(yīng)控制、參數(shù)辨識自校正控制（參見7.5.2節(jié)），以及新發(fā)展的各種非線性自適應(yīng)控制。但是自適應(yīng)

14、控制在交流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用存在著以下幾方面問題：* 1）對于參數(shù)自校正控制缺少全局穩(wěn)定性證明。 2）參數(shù)自校正控制的前提是參數(shù)辨識算法的收斂性，如果在交流調(diào)速系統(tǒng)運行的一些特殊的工況下，不能保證參數(shù)辨識算法的收斂性，則難以保證整個自適應(yīng)交流調(diào)速控制處于正常的工作狀態(tài)。 3）對于模型參考自適應(yīng)控制，未建模動態(tài)的存在可能造成自適應(yīng)控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定。 4）辨識和校正都需要一個過程，對于較慢的參數(shù)變化尚可以起到校正作用，如校正因溫度變化而影響的電阻參數(shù)變化，但是對于較快的參數(shù)變化，如因集膚效應(yīng)引起的電阻變化、因飽和作用產(chǎn)生的電感變化等，就顯得無能為力了。*8.H控制 在魯棒控制中，最具有代表性的控制方

15、法是H控制。20世紀80年代，人們開始重新考慮運用頻域方法來處理數(shù)學模型與實際模型之間的誤差，由此產(chǎn)生了H范數(shù)以及最優(yōu)化控制問題。H控制在本質(zhì)上是一種優(yōu)化方法，力求使從外界干擾到系統(tǒng)輸出之間的傳遞函數(shù)的H范數(shù)達到極小，使外擾動對系統(tǒng)性能的影響被極小化。* 目前，H控制方法在交流電動機控制系統(tǒng)中已經(jīng)得到了一些應(yīng)用，針對電流型逆變器和矢量控制系統(tǒng)，采用混合靈敏度方法確定H的優(yōu)化目標，設(shè)計了轉(zhuǎn)速控制器。根據(jù)H控制理論設(shè)計了磁鏈觀測器，并應(yīng)用離散H方法設(shè)計了PWM整流橋的電流控制器。 在H控制器的設(shè)計過程中，關(guān)鍵問題在于如何確定系統(tǒng)中模型的誤差限以及期望的性能指標。為了得到合適的加權(quán)函數(shù)，往往需要經(jīng)過

16、多次嘗試，同時利用這種方法設(shè)計得到的控制器也比較復雜，這是在H控制中需要進一步深入研究解決的問題。*9.內(nèi)?？刂?為了降低控制系統(tǒng)性能對控制對象數(shù)學模型的依賴性，必須尋求一些對模型精度要求不高的控制策略，同時還希望要尋求的控制策略具有結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)的特點。 內(nèi)?？刂疲↖nternal Model Control，IMC）是20世紀80年代從化工過程控制中發(fā)展起來的一種控制方法，具有很強的實用性。從本質(zhì)上講內(nèi)?？刂剖且环N零極點對消的補償控制，通過引入對象的內(nèi)部模型將不確定性因素從對象模型中分離出來，從而提高了整個控制系統(tǒng)的魯棒性。 內(nèi)模控制不過分依賴于被控制對象的準確數(shù)學模型，對控制對象的模

17、型精度要求比較低，系統(tǒng)能實現(xiàn)對給定信號的跟蹤，魯棒性強，并能消除不可測干擾的影響；同時控制器具有結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)單一、易于整定、在線計算方便、容易實現(xiàn)的特點。* 內(nèi)?？刂谱畛跤糜诙嘧兞俊⒎蔷€性、大時滯的工業(yè)過程控制，交流電動機也是一個多變量、非線性、強耦合的系統(tǒng)，完全有可能應(yīng)用內(nèi)?？刂萍夹g(shù)。事實上，目前內(nèi)?？刂萍夹g(shù)在電氣傳動領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，如用于永磁同步電動機的電流控制和解耦控制，利用單自由度的內(nèi)?？刂破鲗崿F(xiàn)了異步電動機定子電流的解耦控制，同時還利用雙自由度的內(nèi)模控制技術(shù)設(shè)計了磁鏈和轉(zhuǎn)速控制器，得到的控制系統(tǒng)具有對給定信號的良好跟蹤能力和對負載擾動很強的抗擾能力。 但是，由于內(nèi)?？刂剖且环N基

18、于控制對象傳遞函數(shù)的控制方法，從本質(zhì)上看，也是一種線性控制方法；同時，內(nèi)?？刂浦荒苓m用于參數(shù)變化不大、建模誤差限制在一定范圍內(nèi)的控制對象。*10.智能控制方法 在交流傳動中，依賴經(jīng)典的以及各種近代控制理論提出的控制策略都存在著一個共同問題，即控制算法依賴于電動機模型，當模型受到參數(shù)變化和擾動作用的影響時，系統(tǒng)性能將受到影響，如何抑制這種影響一直是電工界的一大課題。上述自適應(yīng)控制和滑模變結(jié)構(gòu)控制曾是解決這個課題的研究方向，結(jié)果發(fā)現(xiàn)它們又各有其不足之處。 智能控制能擺脫對控制對象模型的依賴，因而許多學者進行了將智能控制引入交流傳動領(lǐng)域的研究。智能控制是自動控制學科發(fā)展里程中的一個嶄新的階段，與其他

19、控制方法相比，具有一系列獨到之處：* 1）智能控制技術(shù)突破了傳統(tǒng)控制理論中必須基于數(shù)學模型的框架，不依賴或不完全賴于控制對象的數(shù)學模型，只按實際效果進行控制。 2）智能控制技術(shù)繼承了人腦思維的非線性特性，同時，還可以根據(jù)當前狀態(tài)方便地切換控制器的結(jié)構(gòu)，用變結(jié)構(gòu)的方法改善系統(tǒng)的性能。 3）在復雜系統(tǒng)中，智能控制還具有分層信息處理和決策的功能。 由于交流傳動系統(tǒng)具有比較明確的數(shù)學模型，所以在交流傳動中引入智能控制方法，并非像許多控制對象那樣是出于建模的困難，而是充分利用智能控制非線性、變結(jié)構(gòu)、自尋優(yōu)等特點來克服交流傳動系統(tǒng)變參數(shù)與非線性等不利因素，從而提高系統(tǒng)的魯棒性。* 本章根據(jù)交流調(diào)速系統(tǒng)控制

20、策略的發(fā)展情況，選擇了逆系統(tǒng)控制方法、內(nèi)?？刂品椒ā⒆孕Ｕ刂品椒?、智能控制方法等4種具有代表性的控制方法，就其在交流調(diào)速領(lǐng)域中的應(yīng)用進行了較為詳細的介紹。*10.2 交流電動機的逆系統(tǒng)控制方法 交流電動機是一類典型的多變量、強耦合、非線性、參數(shù)時變的控制對象，在磁鏈和轉(zhuǎn)速之間存在著強耦合關(guān)系，這些不利因素大大增加了交流電動機高性能調(diào)速的實現(xiàn)難度。 為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和磁鏈的動態(tài)解耦控制，一些學者將逆系統(tǒng)控制方法應(yīng)用到了異步電動機及同步電動機調(diào)速系統(tǒng)中。逆系統(tǒng)控制方法是一種新的非線性控制策略，其基本思想是：對于給定的控制對象，首先利用狀態(tài)反饋的方法得到控制對象的“階積分逆系統(tǒng)”，然后把“階積分逆系統(tǒng)

21、”和控制對象串聯(lián)起來，將控制對象補償為具有線性傳遞關(guān)系的且已解耦的偽線性系統(tǒng)，最后對偽線性系統(tǒng)進行綜合。逆系統(tǒng)控制方法的特點是不必將問題引入“幾何域”中，具有直觀、簡便和易于理解的優(yōu)點，從而便于在工程上推廣應(yīng)用。*10.2.1 逆系統(tǒng)控制方法的理論基礎(chǔ)*圖10-1 階逆系統(tǒng)串聯(lián)在原系統(tǒng)之前形成偽線性系統(tǒng)*10.2.2 交流電動機動態(tài)模型的可逆性及其逆系統(tǒng)*圖10-2 異步電動機與其 階逆系統(tǒng)串聯(lián)組成的偽線性系統(tǒng)*10.2.3 閉環(huán)控制器的設(shè)計基于逆系統(tǒng)控制方法設(shè)計的異步電動機變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖10-3所示，把逆變器和異步電動機串聯(lián)后得到偽線性系統(tǒng)，對應(yīng)于圖10-3中的虛線框中的部分

22、。*圖10-3 異步電動機逆系統(tǒng)控制方法結(jié)構(gòu)圖*圖10-4 控制系統(tǒng)的等價結(jié)構(gòu)a) 轉(zhuǎn)速子系統(tǒng) b) 磁鏈子系統(tǒng)*逆系統(tǒng)控制方法的主要優(yōu)點是： 1）采用逆系統(tǒng)控制方法可以將異步電動機解耦成轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子磁鏈二階線性子系統(tǒng)，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速和磁鏈的動態(tài)解耦控制； 2）對兩個解耦的線性子系統(tǒng)，可以運用簡單的控制理論對轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和磁鏈調(diào)節(jié)器進行設(shè)計，簡化了調(diào)節(jié)器的設(shè)計方法。 但是，解耦控制律（式（10-10）的計算精度取決于異步電動機數(shù)學模型的準確程度，只有在參數(shù)準確的情況下，才能實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和磁鏈的精確動態(tài)解耦控制。然而，異步電動機的參數(shù)是隨著運行時間和運行條件的變化而變化，加上實際應(yīng)用中存在負載擾動及未建模動

23、態(tài)的影響，使系統(tǒng)缺乏對電動機參數(shù)變化的魯棒性，這個問題需要采用非線性自適應(yīng)技術(shù)加以解決。*10.3 內(nèi)模控制技術(shù)在異步電動機調(diào)速領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用 前面提到的逆系統(tǒng)方法存在的一個主要的缺點是調(diào)速系統(tǒng)的性能嚴重依賴于被控對象數(shù)學模型的準確性，而內(nèi)?？刂剖且环N很有價值的選擇方案。內(nèi)?？刂疲↖nternal Model Control，IMC）是從化工過程中發(fā)展起來的一種控制方法，具有很強的使用性，其突出的特點是不過分依賴被控對象的數(shù)學模型，對被控對象精度要求低，系統(tǒng)跟蹤性能好，魯棒性強。另外，內(nèi)模控制還有所設(shè)計的控制器結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)單一、調(diào)整方向明確、在線設(shè)計方便、工程上容易實現(xiàn)的優(yōu)點。* 內(nèi)?？刂谱畛?/p>

24、用于控制多變量、非線性、強耦合、大時滯的工業(yè)過程，這方面已經(jīng)有不少成功應(yīng)用的例子。交流電動機也是一種多變量、非線性、強耦合的控制對象，因而完全有可能利用內(nèi)?？刂铺岣弋惒诫妱訖C調(diào)速系統(tǒng)的性能。目前，內(nèi)模控制在電力拖動領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)有很多成功應(yīng)用的實例，如永磁同步電動機磁阻轉(zhuǎn)矩的內(nèi)模控制，雙凸極電動機電壓調(diào)節(jié)中的內(nèi)?？刂疲来磐诫妱訖C定子電流的內(nèi)模解耦控制。下面首先介紹一下內(nèi)模控制的基本原理，然后對內(nèi)?？刂萍夹g(shù)在異步電動機調(diào)速領(lǐng)域中的應(yīng)用進行詳細的討論。*10.3.1 內(nèi)模控制的基本原理和特點 常規(guī)的反饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖10-5所示，圖中C(s)為控制器的傳遞函數(shù)，G(s)為被控對象的傳遞函數(shù)

25、，D(s)為不可測干擾，R(s)和Y(s)為整個控制系統(tǒng)的輸入和輸出。在常規(guī)的反饋控制系統(tǒng)中，反饋信號直接取自系統(tǒng)的輸出，這就使得不可測干擾D(s)對系統(tǒng)輸出的影響通過反饋通道和其他因素混雜在一起，無法從其他因素的影響中把D(s)的影響分離出來進行補償。*圖10-5 反饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖*圖10-6 等效內(nèi)?？刂平Y(jié)構(gòu)框圖*圖10-7 內(nèi)?？刂平Y(jié)構(gòu)圖*圖10-8 等效反饋控制結(jié)構(gòu)圖*10.3.2 定子電流的內(nèi)模解耦控制*圖10-9 定子電流內(nèi)模解耦控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖*10.3.3 二自由度內(nèi)模控制策略 以上研究的內(nèi)?？刂茖儆谝蛔杂啥瓤刂撇呗?，如果使用一自由度控制策略分別設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和磁鏈調(diào)節(jié)

26、器，則在參數(shù)整定過程中難以兼顧各種控制指標的性能要求。而采用二自由度的內(nèi)模控制策略則可以分別調(diào)節(jié)系統(tǒng)的跟隨性、動態(tài)抗擾性和魯棒性，使各方面的性能均得到優(yōu)化。一自由度內(nèi)?？刂浦饕糜诮涣髡{(diào)速系統(tǒng)中的定子電流控制，取得了令人滿意的控制效果。二自由度內(nèi)模控制目前已經(jīng)在恒磁通直流電動機調(diào)速系統(tǒng)和永磁電動機過程的交流伺服系統(tǒng)中得到應(yīng)用，其優(yōu)點是可以通過二自由度內(nèi)?？刂破鞲髯元毩⒌恼{(diào)節(jié)系統(tǒng)的跟隨性能和抗擾性能。下面對二自由度內(nèi)?？刂撇呗缘脑砗驮诋惒诫妱訖C調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用進行詳細的介紹。*圖10-10 二自由度內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)的原理框圖*10.3.4 異步電動機調(diào)速系統(tǒng)的二自由度內(nèi)?？刂品椒?在矢量控制異步電

27、動機調(diào)速系統(tǒng)的框架上，本節(jié)利用二自由度內(nèi)?？刂品椒▽D(zhuǎn)速控制器和磁鏈控制進行設(shè)計，使調(diào)速系統(tǒng)同時具有對給定信號的良好跟蹤能力和對負載擾動較強的抗干擾能力。圖10-11是采用二自由度內(nèi)?？刂破鞯漠惒诫妱訖C調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖*圖10-11 采用二自由度內(nèi)?？刂破鞯漠惒诫妱訖C調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖*10.4 具有參數(shù)自校正功能的轉(zhuǎn)差型矢量控制系統(tǒng) 當電動機運行時，電動機參數(shù)發(fā)生變化（特別是轉(zhuǎn)子電阻（Rr）隨電動機溫度變化較大，最高約有50%Rr）。這樣，在電動機運行中，設(shè)定的磁場定向坐標往往會偏離實際的磁場定向坐標。因此，在系統(tǒng)運行中，隨著電動機參數(shù)的變化不斷修正設(shè)定的磁場定向坐標，使之與實際的磁場定向

28、坐標相一致，才能保證這類系統(tǒng)有永久的優(yōu)良性能。為此，以下討論一種具有參數(shù)自校正的轉(zhuǎn)差型異步電動機矢量控制系統(tǒng)。*（1）前饋矢量控制方式的問題 圖10-12為按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的異步電動機轉(zhuǎn)差型具有參數(shù)自校正功能的前饋矢量控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。圖中 為電動機定子電流矢量 在同步坐標系（M、T）上沿T軸方向的分量，稱為轉(zhuǎn)矩定子電流分量； 為 沿M軸方向的分量，稱為勵磁定子電流分量；表示給定值； 為對應(yīng)于轉(zhuǎn)子磁鏈 的磁化電流，即數(shù)值上 ； 為磁場定向角； 為同步角頻率； 為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角頻率； 為轉(zhuǎn)差角頻率。 為轉(zhuǎn)子電路時間常數(shù)； 為定、轉(zhuǎn)子間的等效互感。由圖可見，對于 而言，該系統(tǒng)為前饋矢量控制方式，因此，該

29、系統(tǒng)的魯棒性差。*圖10-12 參數(shù)自校正轉(zhuǎn)差型前饋矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖*（2）參數(shù)自校正方法及實現(xiàn) 1982年西德Gabriel把PRBS信號（偽隨機信號）在線辨識技術(shù)應(yīng)用于矢量控制系統(tǒng)中磁通模型參數(shù) 的自校正。這種方法不需要附加傳感器，算法也很簡單，但沒有考慮速度檢測小誤差對系統(tǒng)的影響，而且存在辨識結(jié)果依賴于負載的缺點，對此作出如下修正。*10.5 智能控制方法在異步電動機調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用10.5.1 異步電動機的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型參考自適應(yīng)控制方法 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)是智能控制的一個重要分支，其主要優(yōu)點是可以利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學習能力，適應(yīng)系統(tǒng)的非線性和不確定性，使控制系統(tǒng)具有較強的適應(yīng)能力和魯棒性。

30、與模糊控制相比，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制不需要事先設(shè)定控制規(guī)則，能夠在線調(diào)整權(quán)系數(shù)，使系統(tǒng)性能達到最優(yōu)，從而能夠顯著降低控制系統(tǒng)的開發(fā)周期。* 近年來，把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)引入到電氣傳動領(lǐng)域的研究，受到各國專家廣泛的關(guān)注，已經(jīng)獲得很多成功應(yīng)用的實例，很多學者希望能夠利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)把電氣傳動系統(tǒng)的控制性能提高到一個新的水平。*1.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)估計器*圖10-13 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識器的結(jié)構(gòu)框圖*2.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型參考自適應(yīng)調(diào)速系統(tǒng) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型參考自適應(yīng)調(diào)速系統(tǒng)框圖如圖10-14所示，其設(shè)計目標是使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 跟蹤給定 。在整個調(diào)速系統(tǒng)中使用了兩個控制器：ASR稱為速度控制器，NNPIC稱為補償控制器。速度控制器

31、決定了整個系統(tǒng)的響應(yīng)速度、穩(wěn)態(tài)誤差等性能指標，補償控制器NNPIC的主要作用是提高系統(tǒng)對參數(shù)變化和負載擾動的魯棒性。速度控制器的輸出 和NNPIC控制的輸出 相加作為定子電流矢量T軸分量的給定值 。*圖10-14 感應(yīng)電動機的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型參考自適應(yīng)調(diào)速系統(tǒng)框圖* 補償控制器NNPIC的結(jié)構(gòu)如圖10-15所示，為了分析方便，三個神經(jīng)元的傳遞函數(shù)都取為單位映射，即神經(jīng)元的輸出等于神經(jīng)元的凈輸入，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出為（10-56）*圖10-15 補償控制器NNPIC的結(jié)構(gòu)框圖* 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出 權(quán)系數(shù)向量 采用投影算法進行在線訓練，遞推公式為（10-57） 式中，a、b是常數(shù)， ，b是一個接近于0的正常

32、數(shù)，其作用是避免在訓練過程中分母為0。* （2）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR 在整個調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計過程中，速度控制器ASR的設(shè)計和補償控制器NNPIC的設(shè)計可以分開進行。根據(jù)以上方法設(shè)計的補償控制器NNPIC可以使系統(tǒng)的動態(tài)特性逼近參考模型的動態(tài)特性，假設(shè)參考模型的傳遞函數(shù)為（10-58） 速度調(diào)節(jié)器ASR使用簡單的PI調(diào)節(jié)器，ASR的傳遞函數(shù)為（10-59）*整個調(diào)速系統(tǒng)的傳遞函數(shù)可以近似為（10-60） 根據(jù)式（10-60）和給定的調(diào)速系統(tǒng)的性能指標，就可以對轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR中的參數(shù) 、 進行設(shè)計。*10.5.2 異步電動機模糊控制方法 1965年美國著名控制論專家L.A.Zadeh創(chuàng)立了模糊集合論，

33、為解決復雜系統(tǒng)的控制問題提供了強有力的數(shù)學工具，1974年Mamdani創(chuàng)立了使用模糊控制語言描述控制規(guī)則的模糊控制理論，這種控制方法具有簡單、易用、控制效果好的特點，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各種控制系統(tǒng)，尤其是在解決模型不確定、非線性、大時滯系統(tǒng)的控制，其優(yōu)勢尤其明顯，正如L.A.Zadeh教授所說：“有很多可供選擇的方法來代替模糊邏輯，但是模糊邏輯往往是最快速和最簡單有效的方法”。本小節(jié)介紹一種采用模糊控制器的異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制方法。* 1.異步電動機模糊直接轉(zhuǎn)矩控制調(diào)速系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 異步電動機模糊直接轉(zhuǎn)矩控制調(diào)速系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖10-16所示，整個系統(tǒng)主要由自適應(yīng)模糊速度調(diào)節(jié)器、模糊轉(zhuǎn)矩

34、調(diào)節(jié)器、逆變器、交流電動機、磁鏈和轉(zhuǎn)矩觀測器組成。圖中雙線表示矢量，單線表示標量。*圖10-16 異步電動機模糊直接轉(zhuǎn)矩控制調(diào)速系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)* 模糊直接轉(zhuǎn)矩控制調(diào)速系統(tǒng)的基本工作原理如下：自適應(yīng)模糊速度調(diào)節(jié)器根據(jù)轉(zhuǎn)速誤差 輸出電磁轉(zhuǎn)矩的給定信號 ；模糊轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器根據(jù)輸入的轉(zhuǎn)矩誤差eT、磁鏈誤差e、和磁鏈角 ，經(jīng)過模糊推理選擇開關(guān)狀態(tài)SA,B,C，作為逆變器單元的輸入信號，實現(xiàn)對異步電動機的控制。*2.模糊轉(zhuǎn)矩控制器的設(shè)計*圖10-17 的隸屬度函數(shù)分布圖10-18eT的隸屬度函數(shù)分布*圖10-19 的隸屬度函數(shù)分布圖10-20 n的隸屬度函數(shù)分布*eeT01234567891011PPBN3

35、N 1N 1N 5N 5N 4N 4N 6N 6N 2N 2N 3PSN 3N 1N 1N 5N 5N 4N 4N 6N 6N 2N 2N 3ZN 0N 0N 0N 0N 0N 0N 0N 0N 0N 0N 0N 0NSN 2N 2N 3N 3N 1N 5N 5N 5N 4N 4N 6N 6NBN 2N 2N 3N 3N 1N 5N 5N 5N 4N 4N 6N 6ZPBN 1N 1N 5N 5N 4N 4N 6N 6N 2N 2N 3N 3PSN 1N 5N 5N 4N 4N 6N 6N 2N 2N 3N 3N 1ZN 0N 0N 0N 0N 0N 0N 0N 0N 0N 0N 0N 0NS

36、N 0N 0N 0N 0N 0N 0N 0N 0N 0N 0N 0N 0NBN 6N 2N 2N 3N 3N 1N 1N 5N 5N 4N 4N 6NPBN 1N 5N 5N 4N 4N 6N 6N 2N 2N 3N 3N 1PSN 5N 5N 4N 4N 6N 6N 2N 2N 3N 3N 1N 1ZN 0N 0N 0N 0N 0N 0N 0N 0N 0N 0N 0N 0NSN 4N 6N 6N 2N 2N 3N 3N 1N 1N 5N 5N 4NBN 6N 6N 2N 2N 3N 1N 1N 1N 5N 5N 4N 4表10-1 模糊控制規(guī)則表 在模糊轉(zhuǎn)矩控制器的實現(xiàn)過程中，模糊推理采用M

37、amdani推理方法，解模糊采用最大隸屬度平均法。*3.自適應(yīng)模糊速度調(diào)節(jié)器 自適應(yīng)模糊控制器具有以下兩個功能： 1）控制功能：根據(jù)調(diào)速系統(tǒng)的運行狀態(tài)，給出合適的控制量； 2）自適應(yīng)功能：根據(jù)調(diào)速系統(tǒng)的運行效果，對控制器的控制決策進一步更改，以便獲得更好的控制效果。* 本文使用一種具有自適應(yīng)功能的模糊PD控制器作為速度調(diào)節(jié)器，其結(jié)構(gòu)如圖10-21所示，由模糊控制器和自適應(yīng)機構(gòu)組成，圖中ke、kc是調(diào)整量化因子，ku是比例因子。模糊控制器的輸入量為經(jīng)過量化因子調(diào)整后的轉(zhuǎn)速誤差kee和轉(zhuǎn)速偏差變化率kce，其輸出量u乘 作為轉(zhuǎn)矩控制器的給定信號 。自適應(yīng)調(diào)整機構(gòu)的作用是根據(jù)速度的實時變化趨勢對增益調(diào)整因子 進行在線調(diào)節(jié)，減小電動機參數(shù)變化對系統(tǒng)性能的影響。*圖10-21 自適應(yīng)模糊速度調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)框圖*圖10-22 、 、 的隸屬度函數(shù)分布* 模糊控制