交流電機的能量成型與非線性控制研究.pdf

1、基于交流電機的現(xiàn)代電氣傳動是應(yīng)用最廣泛的機電系統(tǒng)，從控制的觀點來看，它們提供了復(fù)雜的多變量非線性問題并且構(gòu)成了非線性控制的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域。對于這些問題，我們綜述和分析了現(xiàn)有的解決方案，但大部分方案太復(fù)雜而不容易實現(xiàn)。近來，系統(tǒng)鎮(zhèn)定的能量成型方法尤其倍受關(guān)注，該方法的主要特征是在閉環(huán)控制中系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(哈密頓或拉格朗日結(jié)構(gòu))保持不變，其優(yōu)點是閉環(huán)系統(tǒng)的能量函(存儲)數(shù)可作為Lyapunov函數(shù)，從而使系統(tǒng)穩(wěn)定性分析更容易。本文主要研究交流電

2、機的拉格朗日、哈密頓、反步、單神經(jīng)元直接模型參考自適應(yīng)等控制方法。 1．首先，綜述了交流電機控制策略的國內(nèi)外發(fā)展動態(tài)，并從四個方面進行了分析：基于穩(wěn)態(tài)模型的控制策略、基于動態(tài)模型的控制策略、不依賴于模型的控制策略、現(xiàn)代魯棒與非線性控制策略。更進一步，我們介紹了歐拉一拉格朗日和端口受控哈密頓系統(tǒng)的能量成型控制方法的發(fā)展狀況，并提出了交流電機傳動系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。 2．介紹了輸入輸出穩(wěn)定性、無源性、耗散性、L<,2>增益

3、、能量成型和能量平衡方程的定義和一些重要理論，實際上，這些理論反映了無源性是能量變換特性。描述并給出了歐拉一拉格朗日(EL)和端口受控耗散哈密頓 (PCHD)系統(tǒng)的一般數(shù)學(xué)表達形式。 3.在科學(xué)和工程實際當中，能量是基本概念之一，通常認為動態(tài)系統(tǒng)是能量變換裝置。在研究復(fù)雜非線性系統(tǒng)時，這個觀點是非常有用的。把復(fù)雜非線性系統(tǒng)分解成比較簡單的子系統(tǒng)，依靠互聯(lián)并用注入能量的方法來確定整個系統(tǒng)的行為。據(jù)此，我們分析了EL和PC

4、HD系統(tǒng)的一些重要特性，并從能量平衡的觀點和交流電機的原始模型出發(fā)，在αβ靜止坐標系和dq同步旋轉(zhuǎn)坐標系，分別建立了交流電機(PMSM一永磁同步電機、IM一異步電機、DFIM一雙饋異步電機)的EL和PCHD系統(tǒng)模型。 4．一個相當不同的技術(shù)稱之為無源性控制，已用于交流電機的控制。交流電機的EL模型提供了系統(tǒng)的物理特性，如：能量無源性、阻尼注入和能量成型。為了求解IM的速度控制問題，我們采用電機轉(zhuǎn)子磁鏈子系統(tǒng)的無源性，給出了帶電流

5、內(nèi)環(huán)速度控制系統(tǒng)的一種簡明設(shè)計，所設(shè)計的系統(tǒng)無須轉(zhuǎn)子磁鏈反饋即能穩(wěn)定跟蹤轉(zhuǎn)子磁鏈的參考值。仿真結(jié)果表明，該方法對速度給定值有著良好的跟蹤，且對轉(zhuǎn)子電阻具有魯棒性。 5．采用能量成型及互聯(lián)和阻尼配置原理，給出了PCHD系統(tǒng)的基本控制方法?？刂茊栴}是尋找一個控制器和一個互聯(lián)形式，使系統(tǒng)總的能量函數(shù)具有期望的結(jié)構(gòu)。交流電機可認為是二端口或三端口的能量變換裝置，并將“能量成型”方法用于交流電機的速度控制。 (1)采用“i<,d>

6、=O”控制原理，獲得PMSM控制系統(tǒng)的期望平衡點。當負載轉(zhuǎn)矩已知和未知時，分別設(shè)計了控制器，并對系統(tǒng)進行了穩(wěn)定性分析。所設(shè)計的方案由一靜態(tài)反饋和非線性觀測器組成，觀測器用來估計未知負載轉(zhuǎn)矩。 (2)采用“最大轉(zhuǎn)矩/電流”(MTPA)控制原理，獲得PMSM控制系統(tǒng)的期望平衡點。當負載轉(zhuǎn)矩已知時，設(shè)計了反饋鎮(zhèn)定控制器，并分析了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當負載轉(zhuǎn)矩未知時，研究并給出了負載轉(zhuǎn)矩估計和控制器設(shè)計的方法。 (3)IM與控制器通過

7、反饋互聯(lián)，可獲得期望的PCHD系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。給出了期望的閉環(huán)哈密頓函數(shù)，設(shè)計了控制器和負載轉(zhuǎn)矩觀測器，驗證了系統(tǒng)平衡點的穩(wěn)定性，并實現(xiàn)了IM的速度控制。 仿真結(jié)果驗證了所提出的各種方案的控制性能和有效性。 6．我們研究了PCHD系統(tǒng)的一些重要擴展控制方法，并用于交流電機的速度控制，其中包括： (1)圍繞無源輸出，我們引入了積分控制作用并保持了系統(tǒng)的穩(wěn)定性不變。在實際應(yīng)用系統(tǒng)中，因存在噪聲和建模誤差而產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)誤差情況

8、，此時，必須引入積分控制。 為了消除轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)誤差，我們將積分控制引入DFIM系統(tǒng)的PCHD控制，設(shè)計了控制器和負載轉(zhuǎn)矩觀測器，分析了平衡點的穩(wěn)定性，仿真結(jié)果驗證了所提出方案的正確性。 (2)我們運用無源輸出濾波后的信號反饋方法，即用動態(tài)擴張方法來注入阻尼，并保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性不變。 (3)若能量函數(shù)與未知參數(shù)具有線性關(guān)系，則可向PCHD系統(tǒng)自適應(yīng)地注入阻尼。通過選擇阻尼注入項中非增的可調(diào)增益來保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。(

9、4)進入盹HD系統(tǒng)輸入通道的擾動對無源輸出的影響可由L<,2>增益匹配方法來抑制。我們研究了PMSM系統(tǒng)的L<,2>擾動抑制，并提出了一個簡單的控制策略。理論分析和仿真結(jié)果表明，L<,2>擾動抑制控制是有效的。 7．我們將反步法和負載轉(zhuǎn)矩觀測器設(shè)計技術(shù)應(yīng)用于負載轉(zhuǎn)矩不確定的 IM控制系統(tǒng)。對電壓源PWM逆變器，基于電流滯環(huán)比較器調(diào)節(jié)技術(shù)，降低了 反步控制的算法復(fù)雜性，簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。 當負載不確定時，為了實

10、現(xiàn)PMSM的速度跟蹤，我們用反步法設(shè)計了跟蹤控制器，并用觀測器估計負載轉(zhuǎn)矩。 理論分析和仿真表明了反步法和負載轉(zhuǎn)矩觀測器的有效性。 8．研究了交流電機(IM和PMSM)的單神經(jīng)元直接模型參考自適應(yīng)控 制，控制器采用了新的誤差函數(shù)，通過梯度下降法對單神經(jīng)元參數(shù)進行在線 調(diào)整使誤差函數(shù)值趨于零，并利用Lyapunov方法分析了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。仿 真結(jié)果表明控制器能保證電機轉(zhuǎn)速快速、準確地跟隨給定值，并對負載擾動 及