本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)異步電機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種自抗擾控制器實(shí)現(xiàn)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)新型控制方法。

背景技術(shù)：

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用越來越廣泛，而且性能也越來越好，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)速范圍寬、安全可靠的優(yōu)點(diǎn)。20世紀(jì)70年代，聯(lián)邦德國(guó)西門子公司的F.Blaschke等提出了“感應(yīng)電機(jī)磁場(chǎng)定向的控制原理”。為此，矢量變換控制技術(shù)誕生了。上個(gè)世紀(jì)80年代，在直接轉(zhuǎn)矩控制理論中直接轉(zhuǎn)矩控制利用轉(zhuǎn)矩反饋直接控制電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)，避開了將定子電流分解成轉(zhuǎn)矩和勵(lì)磁分量，省掉了旋轉(zhuǎn)變換和電流控制。直接轉(zhuǎn)矩控制選擇定子磁鏈作為被控量，不像矢量控制選用的是轉(zhuǎn)子磁鏈，因此，觀測(cè)磁鏈的模型可以不受電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響，很大程度上克服了矢量控制的缺點(diǎn)。但由于直接轉(zhuǎn)矩控制一般采用轉(zhuǎn)矩的砰-砰控制，雖可獲得快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，卻帶來了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的缺點(diǎn)，限制了系統(tǒng)的調(diào)速范圍。自抗擾控制是中科院系統(tǒng)所韓京清研究員及其合作者經(jīng)過十幾年的研究,提出的一種非線性控制律.該控制技術(shù)源于經(jīng)典PID的思想,基于誤差來抵制或消除誤差,控制律的建立不完全依靠系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,它能實(shí)時(shí)估計(jì)并補(bǔ)償系統(tǒng)在運(yùn)行過程中受到的各種外部與內(nèi)部擾動(dòng)(負(fù)載擾動(dòng)和電機(jī)本身參數(shù)時(shí)變擾動(dòng))的總和由自抗擾控制器組成的感應(yīng)電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)可獲得良好的控制品質(zhì)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的：尋找一個(gè)基于觀測(cè)器的具有智能性的控制策略，它不依賴于被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型；具有較高動(dòng)態(tài)性能，能抑制參數(shù)變化、擾動(dòng)及各種不確定性干擾，即魯棒性強(qiáng)；算法簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)和參數(shù)調(diào)節(jié)容易，使用方便；能應(yīng)用于高性能的無速度傳感器調(diào)速系統(tǒng)。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種基于自抗擾控制器控制異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的方法，包括以下步驟：

步驟A、構(gòu)建異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型；

步驟B、自抗擾控制器概述；

步驟C、基于自抗擾控制器的異步電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；

步驟D、仿真分析。

進(jìn)一步的，所述的異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，并作如下假設(shè)：

1)忽略空間諧波，設(shè)三相繞組對(duì)稱，在空間中互差120度電角度，所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)沿氣隙圓周按正弦規(guī)律分布；

2)忽略磁路飽和，認(rèn)為各繞組的自感和互感都是恒定的；

3)忽略鐵心損耗；

4)不考慮頻率變化和溫度變化對(duì)繞組電阻的影響。

進(jìn)一步的，所述的自抗擾控制器是基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器ESO的自抗擾控制。

進(jìn)一步的，所述的自抗擾控制器的異步電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為了將自抗擾控制器應(yīng)用在感應(yīng)電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中,需將變頻調(diào)速的感應(yīng)電機(jī)數(shù)學(xué)模型化成自抗擾控制器所需要的標(biāo)準(zhǔn)型.從而利用自抗擾控制器將系統(tǒng)的未建模動(dòng)態(tài)，對(duì)象的不確定性及未知外擾一并給予估計(jì)和補(bǔ)償。

進(jìn)一步的，所述的仿真分析是基于LADRC和磁鏈觀測(cè)器，建立了具有轉(zhuǎn)速、磁鏈和d、q軸電流環(huán)的異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。

進(jìn)一步的，自抗擾控制是一種魯棒控制,是把對(duì)象模型的不確定性當(dāng)作系統(tǒng)的內(nèi)擾,它和系統(tǒng)的外擾均被看成系統(tǒng)的擾動(dòng),而通過擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器對(duì)系統(tǒng)中包括內(nèi)擾和外擾的總擾動(dòng)綜合作用進(jìn)行估計(jì)和補(bǔ)償。

進(jìn)一步的，自抗擾控制器是由微分跟蹤器、擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器、非線性組合三部分組成；其中微分跟蹤器用于安排過渡過程，其中擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器通過系統(tǒng)輸入輸出來估計(jì)系統(tǒng)狀態(tài)和系統(tǒng)的總擾動(dòng)，其中非線性組合利用安排的過渡過程與狀態(tài)估計(jì)之間誤差的非線性組合及擾動(dòng)估計(jì)量來生成控制信號(hào)。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

①自抗擾控制器實(shí)現(xiàn)的異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)克服了一般矢量控制系統(tǒng)參數(shù)魯棒性差的缺欠，該方案有效地解決了參數(shù)時(shí)變對(duì)矢量控制系統(tǒng)解耦性能的影響以及一般矢量控制系統(tǒng)存在的快速性與平穩(wěn)性矛盾。②自抗擾控制器不依賴于被控系統(tǒng)的具體數(shù)學(xué)模型并對(duì)內(nèi)外擾有較強(qiáng)的抗擾能力；仿真結(jié)果表明自抗擾控制器對(duì)模型的不確定性以及測(cè)量噪聲的魯棒性較好,而且它還具有較優(yōu)的動(dòng)態(tài)性能。

附圖說明

附圖1本發(fā)明系統(tǒng)硬件連接圖；

附圖2本發(fā)明變頻調(diào)速系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖3本發(fā)明自抗擾控制器結(jié)構(gòu)框圖；

附圖4本發(fā)明變頻調(diào)速系統(tǒng)中的軟件流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

本發(fā)明基于自抗擾控制器控制異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的方法，其特征在于包括以下步驟：

步驟A、構(gòu)建異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型；

步驟B、自抗擾控制器概述；

步驟C、基于自抗擾控制器的異步電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；

步驟D、仿真分析。

參見附圖1，本發(fā)明是由硬件設(shè)備和計(jì)算機(jī)軟件組成。其中硬件設(shè)備包括上位機(jī)和監(jiān)控軟件(WinCC)、S7-300PLC,Micro Master Vector(MMV)變頻器、異步電動(dòng)機(jī)和光電編碼器組成,如圖1所示。自抗擾控制器應(yīng)用在感應(yīng)電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中,需將變頻調(diào)速的感應(yīng)電機(jī)數(shù)學(xué)模型化成自抗擾控制器所需要的標(biāo)準(zhǔn)型。異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型近似看作一個(gè)雙輸入、雙輸出系統(tǒng)，其中u_st、u_sm為系統(tǒng)的輸入，ψ_r、ω_r為系統(tǒng)的輸出，如圖2所示。根據(jù)經(jīng)典矢量控制的理論將異步電機(jī)分解為磁鏈子系統(tǒng)和轉(zhuǎn)矩子系統(tǒng)，將磁鏈環(huán)和轉(zhuǎn)矩環(huán)之間的耦合以及電機(jī)參數(shù)變化引起的模型攝動(dòng)看作內(nèi)擾，將負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化看作外擾，分別設(shè)計(jì)自抗擾控制器進(jìn)行控制。在矢量控制中，當(dāng)ψ_r為常值時(shí)，采用坐標(biāo)變換和磁場(chǎng)定向，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)與磁鏈子系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)解耦。但由于ψ_r不是一成不變的(即當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在基頻以下時(shí)，應(yīng)保持磁鏈ψ_r不變，使電動(dòng)機(jī)每極磁通量為額定值以充分利用鐵心，而在基頻以上時(shí)，采用弱磁調(diào)速，減小磁鏈值)，轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)和磁鏈子系統(tǒng)仍存在部分耦合。若將ψ_r看作常數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)設(shè)計(jì)自抗擾控制器，將ψ_r的變化看作系統(tǒng)的內(nèi)擾處理，將負(fù)載的變化看作系統(tǒng)的外部擾動(dòng)，由擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器估計(jì)出內(nèi)外擾的大小并通過非線性反饋予以補(bǔ)償，則可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)的線性化。

本發(fā)明中，步驟A中的三相異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)。研究時(shí)，作如下假設(shè)：

1)忽略空間諧波。設(shè)三相繞組對(duì)稱，在空間中互差120度電角度，所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)沿氣隙圓周按正弦規(guī)律分布；

2)忽略磁路飽和，認(rèn)為各繞組的自感和互感都是恒定的；

3)忽略鐵心損耗；

4)不考慮頻率變化和溫度變化對(duì)繞組電阻的影響。

無論三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)是繞線式還是鼠籠式，都可將它等效成三相繞線式，并將其折算到定子側(cè)，折算后定子和轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù)將相等。

參見附圖3，本發(fā)明步驟B中自抗擾控制器是基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器ESO的自抗擾控制是一種魯棒控制,它用配置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)替代極點(diǎn)配置進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),依靠期望軌跡與實(shí)際軌跡的誤差大小和方向來實(shí)施非線性反饋控制,是一種基于過程誤差來減小誤差的方法.該方法能自動(dòng)補(bǔ)償對(duì)象模型的失配和來自外界的擾動(dòng),實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)反饋線性化.自抗擾控制的魯棒性體現(xiàn)在它把對(duì)象模型的不確定性當(dāng)作系統(tǒng)的內(nèi)擾,它和系統(tǒng)的外擾均被看成系統(tǒng)的擾動(dòng),而通過擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器對(duì)系統(tǒng)的總擾動(dòng))內(nèi)擾和外擾的綜合作用進(jìn)行估計(jì)和補(bǔ)償。自抗擾控制器部分將輸入的轉(zhuǎn)速設(shè)定信號(hào)和由變送器送入的信號(hào),經(jīng)內(nèi)部的自抗擾程序處理后,輸出控制信號(hào),送入變頻器的輸入端；該模塊由安排過渡過程、擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器和非線性組合三個(gè)部分組成；所說的安排過渡過程部分主要是對(duì)輸入的預(yù)置信號(hào)進(jìn)行延遲處理,從而提取其微分信號(hào)；所說的擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器部分主要是根據(jù)輸入的控制信號(hào)和輸出信號(hào)對(duì)系統(tǒng)的狀態(tài)量進(jìn)行升階觀測(cè),從而得出狀態(tài)量及其微分信號(hào)的觀測(cè)值；所說的非線性組合部分主要是將安排過渡過程部分和擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器部分的輸出信號(hào)比較后得到的誤差信號(hào)進(jìn)行非線性的組合,而得到控制信號(hào),送入變頻器輸入端。跟蹤微分器實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的快速無超調(diào)跟蹤；擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器則用來估計(jì)系統(tǒng)狀態(tài)、模型和外擾的實(shí)時(shí)作用量給以補(bǔ)償，將含有未知干擾的非線性不確定性對(duì)象化為積分串聯(lián)型對(duì)象進(jìn)行控制；非線性誤差反饋是利用跟蹤微分器的輸出和擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器輸出之間的誤差來生成對(duì)擾動(dòng)的補(bǔ)償控制量。

上述所說的變頻器部分(見圖2)是接收由自抗擾控制器輸出的控制信號(hào),進(jìn)而產(chǎn)生相應(yīng)的輸出電壓信號(hào)送入電機(jī)輸入端,控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

本發(fā)明步驟C中的自抗擾控制器的異步電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為了將自抗擾控制器應(yīng)用在感應(yīng)電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中,需將變頻調(diào)速的感應(yīng)電機(jī)數(shù)學(xué)模型化成自抗擾控制器所需要的標(biāo)準(zhǔn)型.從而利用自抗擾控制器將系統(tǒng)的未建模動(dòng)態(tài)，對(duì)象的不確定性及未知外擾一并給予估計(jì)和補(bǔ)償。

本發(fā)明步驟D中的仿真分析是基于LADRC和磁鏈觀測(cè)器，建立了具有轉(zhuǎn)速、磁鏈和d、q軸電流環(huán)的異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，為了研究該系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和對(duì)參數(shù)的魯棒性，與PID調(diào)節(jié)的異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了比較。利用MATLAB/SIMULINK對(duì)兩系統(tǒng)在空載起動(dòng)、突加負(fù)載、轉(zhuǎn)速變化、轉(zhuǎn)子電阻變化、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變化等情況下的性能進(jìn)行了大量的仿真研究。仿真結(jié)果表明整個(gè)系統(tǒng)具有很好的動(dòng)、靜態(tài)性能；對(duì)運(yùn)行工況的變化具有良好的適應(yīng)性，并且對(duì)負(fù)載擾動(dòng)、電機(jī)參數(shù)變化等具有較好的魯棒性；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)和參數(shù)調(diào)節(jié)容易。分析原因，是因?yàn)榫€性自抗擾控制繼承了自抗擾控制的優(yōu)點(diǎn)，尤其是LESO像ESO一樣能估計(jì)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中受到的各種內(nèi)部與外部擾動(dòng)的總和并加以完全補(bǔ)償，從而使系統(tǒng)線性化為積分串聯(lián)型結(jié)構(gòu)，進(jìn)而簡(jiǎn)化了控制對(duì)象，提高了系統(tǒng)的性能。顯然，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了系統(tǒng)采用的LADRC和觀測(cè)器的有效性與可行性。

附圖4是本發(fā)明系統(tǒng)軟件部分，由3部分組成包括:①PLC與變頻器之間的PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線通訊，實(shí)現(xiàn)PLC對(duì)變頻器的現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)程控制；②工控機(jī)與PLC之間的MPI通訊，一方面實(shí)現(xiàn)了STEP7和PLC之間的通訊，完成程序上載，下載，調(diào)試，故障診斷和在線監(jiān)視等；另一方面實(shí)現(xiàn)了WinCC和PLC之前的通訊，完成過程的傳輸，系統(tǒng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控；③WinCC和Excel之間的OPC通訊，通過軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速過程數(shù)據(jù)的歸檔并啟用OPC通訊服務(wù)，將過程數(shù)據(jù)導(dǎo)出到Excel中，用于系統(tǒng)響應(yīng)曲線的擬合和各項(xiàng)動(dòng)靜態(tài)性能指標(biāo)的分析。工作步驟：①電機(jī)啟動(dòng)②若電機(jī)啟動(dòng)調(diào)動(dòng)通訊子程序，否則必須通過變頻器復(fù)位③運(yùn)行計(jì)數(shù)器模塊程序④若中斷發(fā)生則調(diào)用中斷子程序，或采集數(shù)據(jù)運(yùn)行控制算法調(diào)用中斷子程序，若不發(fā)生中斷則進(jìn)入程序終止⑤若程序終止則停機(jī)復(fù)位、結(jié)束。否則需反饋至前端重走步驟直到程序終止，然后停機(jī)復(fù)位、結(jié)束。

本發(fā)明的工作原理是：異步電機(jī)是一種非線性、多變量、強(qiáng)耦合、參數(shù)多攝動(dòng)的控制對(duì)象，采用矢量控制方法可以將異步電機(jī)控制系統(tǒng)分解為磁鏈和轉(zhuǎn)矩兩個(gè)子系統(tǒng)。通過轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向在一定程度上實(shí)現(xiàn)了磁鏈和轉(zhuǎn)矩兩個(gè)環(huán)節(jié)的解耦控制，這樣可以得到與直流電機(jī)相似的調(diào)速性能。在轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制中，由于磁鏈和轉(zhuǎn)矩之間的解耦，通過控制定子電流的d軸分量可以控制磁鏈,控制q軸分量可控制電磁轉(zhuǎn)，進(jìn)而控制轉(zhuǎn)速。而定子電壓方程存在反電動(dòng)勢(shì)引起的交叉耦合項(xiàng),給控制帶來一定的難度。通常的做法是忽略此交叉耦合項(xiàng),通過調(diào)節(jié)控制器的參數(shù)來抑制耦合項(xiàng)的影響?？刂破饕话悴捎玫湫偷腜ID調(diào)節(jié),用d軸電壓控制d軸電流,q軸電壓控制q軸電流。為了進(jìn)一步提高性能,研究采用檢測(cè)到的實(shí)際電流補(bǔ)償兩項(xiàng)電流間的耦合項(xiàng)。這種補(bǔ)償方法的效果取決于系統(tǒng)中電感參數(shù)的精度,只有在電感值能夠準(zhǔn)確知道時(shí),才能獲得較好的性能,導(dǎo)致系統(tǒng)對(duì)參數(shù)敏感,魯棒性較低。另外,PID調(diào)節(jié)器的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,不依賴于系統(tǒng)模型,但是其線性結(jié)構(gòu)決定了快速性與超調(diào)是一對(duì)難以調(diào)和的矛盾,積分的引入在消除系統(tǒng)靜差的同時(shí),也降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。為了解決轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制定子電壓方程中耦合項(xiàng)的影響,獲得更好的動(dòng)態(tài)性能和魯棒性,本發(fā)明采用了一種新型的非線性魯棒控制器自抗擾控制器(ADRC)。采用ADRC對(duì)異步電機(jī)模型中的未建模部分及參數(shù)攝動(dòng)加以觀測(cè),進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償,盡量消除擾動(dòng)對(duì)控制性能的影響。在采用優(yōu)化的轉(zhuǎn)子磁ESO模型的基礎(chǔ)上，采用2個(gè)ADRC控制起代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PID控制器，這樣的系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)基本無靜差,從而加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

應(yīng)當(dāng)明確的是，本發(fā)明不限于這里的實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，按本發(fā)明構(gòu)思所做出的顯而易見的改進(jìn)和修飾都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。