題目：交流電機調速系統先進控制方法綜述
學期：專業：自動化
班級：班
姓名：學號：
指導教師：
遼寧工程技術大學
成績評定表
題目：交流電機調速系統先進控制方法綜述
目的： 通過查詢資料，了解交流電機調速系統先進的控制技術及無速度感測器估計技術。
要求: 總結近期國內外交流電機調速系統先進的控制技術及無速度感測器估計技術，總結各自方法優缺點，提出自己的控制方法。
任務: 1、總結國內外交流電機調速系統先進的控制技術(如:滑模控制、自抗擾控制、無源控制等)發展現狀；
2、總結國內外交流電機調速系統無速度感測器估計技術（適合低速的高頻訊號注入方法、適合低速的觀測器估計方法等）發展現狀；
3、針對高效能調速系統提出自己的控制方案。
成果形式：現場交流+書面報告
一、電機調速控制系統概述
常用的pid控制策略結構簡單，易於調節，且不依賴於被控物件的數學模型，故被廣泛應用與永磁同步電機控制系統中，用於電流、速度和位置等調節控制。但永磁同步電機是強耦合的非線性系統，僅僅依靠傳統pid控制很難獲得高效能的控制，為此國內外學者為了彌補pid經典控制理論對非線性系統調節能力不足的問題，將滑膜控制、自適應控制、模糊控制、神經網路控制等演算法引入到電機控制領域中，並與向量控制和直接轉矩控制理論結合，以滿足系統的動、靜態效能指標，實現高效能永磁同步電機控制。由於滑膜（變結構）控制理論對內部引數攝動和外部干擾具有較強的魯棒性和較高的控制精度，且實現簡單，故稱為提高永磁同步電機控制系統的有效手段之一，正越來越引起國內外學者的關注。
自滑膜變結構控制理論誕生起，電機控制領域就是其最主要的應用領域。滑膜控制是前蘇聯學者emelanov和barbashin於20世紀60代首先提出的，並經utkin等人完善與發展，在上個世紀70年代逐漸成為控制領域的乙個相對獨立的重要分支，形成了控制系統一般設計方法，並在電機、機械人等領域得到廣泛應用。
二、滑膜控制的原理
滑膜變結構控制是一種非線性控制，它採用控制切換法則，通過在不同控制作用之間的切換，產生一種與原系統無關，按照預定滑動模態的狀態軌跡的運動，是系統狀態達到期望點，從而實現系統控制。由於預定軌跡和控制物件內部引數及外部擾動無關，因此滑膜變結構控制具有非常好的魯棒性。
圖1.3展示了滑膜運動狀態，其中s(x)是滑膜切換函式，s(x)=0是滑膜面。
滑膜變結構控制的實現過程是根據系統所期望的動態特性來設計系統的滑膜面，通過滑膜控制器設計使狀態從滑膜面之外向滑膜面運動，系統一旦達到滑膜面，控制作用將保證系統沿滑膜面到達系統原點。由此可見，滑膜變結構控制系統的運動主要分兩個階段，即趨近運動和滑動模態運動。所謂趨近運動是出於滑膜以外的運動或有限次穿越滑膜面；滑膜模態運動時位於滑膜面上的運動，該階段系統效能由滑膜面動態特性決定，該階段對系統引數攝動、外部擾動具有較高的魯棒性。
2.1滑膜控制設計方法
滑膜變結構控制系統設計主要包括兩部分：第一部分：設計滑膜切換函式，使系統進入滑膜運動後收斂於系統控制期望點，並具有良好的動態品質；第二部分：
設計滑膜控制律，使系統能夠達到滑膜面，並形成滑動模態運動。
滑膜控制系統效能很大程度上決定於滑膜面，故滑膜面設計與選擇成為滑膜系統設計中最為關鍵的問題。目前，各種形式的滑膜面主要可分為兩類：線性滑膜面和非線性滑膜面。
線性滑膜面：最常見的滑膜面，它表現為系統狀態的線性函式，系統在滑膜面上具有降階特性。線性滑膜面表示式為：s(x)=cx 式（1-1）
式中：s(x)是滑膜面，c是滑膜係數，x是系統狀態。現行滑膜面設計時，通過最優化控制法、極點配置法、微分幾何法和lyapunov方法等實現，該類滑膜控制系統穩定性分析簡單、便捷、引數設計相對容易，故線性滑膜最早被提出，並被廣泛應用於各類系統中。
但線性滑膜在複雜的非線性系統中的應用則控制能力略顯不足，故國內許多學者都致力於非線性滑膜面研究。
b)非線性滑膜面：滑膜控制理論研究關注的熱點，國內外學者先後提出了分段線性滑膜、終端滑膜和積分滑膜及全域性滑膜等多種非線性滑膜面，本文主要採用終端滑膜面和積分滑膜面。
終端滑膜面是由於zak於2023年提出的，終端滑膜相對於線性滑膜提高了動態系統的收斂速度，使系統能夠在有限時間收斂到平衡點，且對系統不確定性具有較強的魯棒性，穩態精度高和控制切換增益小等特點。終端滑膜面可以表示為如下形式： 式（1-2)
式中，β>0是常數,p、q是奇數，且p>q>0。系統狀態達到滑膜面後，x將在有限時間內收斂到零。若系統狀態到達滑膜麵時，，則從到所需要的時間為： 式（1-3）
2.2滑膜控制律設計
滑膜面設計可以保證滑動模態運動品質，滑膜控制規律能夠提高趨近階段動態品質，使系統進入滑動模態運動。故滑膜控制律設計是滑膜控制系統設計時至關重要的環節。滑膜控制律u(t)通常分為兩部分，即趨近運動階段的切換控制和滑膜面上的等效控制，其中切換控制需要滿足系統有限時間可達性和提高趨近階段動態品質的要求。
可達性是指系統狀態在有限時間內到達滑動面。早在滑膜控制理論之處，前蘇聯學者就提出了不等式的到達條件，但這種到達條件只滿足漸進達到，無法保證在有限時間內到達。為了實現滑膜在有限時間內到達，有學者提出了的到達條件。
我國學者高為炳院士提出了趨緊律到達概念，與其他方式相比，趨近律方法更好地描述了趨近運動過程且這種方式易於實現控制，在實際應用中被採用。目前常見的趨近律主要有：
a)等速趨近率： 式（1-4）
b)指數趨近率： 式（1-5）
c)冪次取盡率： 式（1-6）
d)一般趨近率：其中：f(0)=0且時sf(s)>0) 式（1-7）
除了以上非連續的趨近律外，shessel將終極吸引子的有限時間到達平衡點的特性應用到趨近階段，設計了連續的趨近率且p、q是奇數） 式（1-8）
這種趨近率不僅使得系統狀態能在有限時間內到達滑動面，且因控制率是連續的，因此在滑動階段的抖動也被降低。
3、無速度感測器概述
由於開環系統中電機的機械特性比較軟，所以現在電機調速系統中一般都用閉環控制。要想閉環我們必須要得到電機的轉速，從而構成速度閉環。現在檢測電機速度的方法主要分為兩種：
第一種：直接檢測方式，也稱有速度感測器，是指在電機轉子軸上安裝機械感測器來檢測電機轉速。這種方式不僅使系統的成本增加，並且增加電機的體積；此外機械裝置容易損壞、不易維護。
第二種：間接檢測方式，也稱無速度感測器方式，是利用較易獲得的電機物理量來計算電機轉子位置和轉速。無速度感測器演算法可以取代電機的機械速度感測器，實現高效的轉速閉環控制，這種方式可以有效的解決速度感測器帶來的一系列缺點，因此無速度感測器的研究必將成為電機控制的一熱點。
目前電機轉速估算的方法主要有：檢測電感變化法、電機反電動勢計算法、模型參考自適應法、高頻注入法、滑膜控制等方法。下面主要介紹模型參考自適應法。
4、模型參考自適應法
模型參考自適應是二十世紀五十年代後逐漸發展起來的，其基本思想是採用乙個參考模型與乙個可調模型來實現引數識別。其基本框圖如下：
圖 4-1 參考模型自適應結構
從參考模型自適應的結構圖可以看出，參考模型與可調模型具有相同的輸入，參考模型和可調模型的輸出經過比較後 ，使他們的差值經過所設計的自適應系統，使可調模型不斷逼近參考模型。
5、無速度感測器的設計
參考模型自適應是由美國mit大學教授首先提出的。隨著計算機技術、線性系統理論、非線性系統理論以及自適應控制的快速發展，使自適應控制在航天航空、電力、通訊、化工等領域獲得了廣泛的應用。
由圖5-1可知，系統輸入由外部激勵源人r(t)激勵，為參考模型的輸出，為可調模型；將參考模型與可調模型的差值作為差值向量e(t)，將差值向量送入自適應結構中，通過閉環使調節可調模型逼近參考模型，最終使差值向量額e(t)趨於零。
圖 5-1 參考模型自適應結構
5.1參考模型和可調模型的設計
在dq座標系下永磁同步電機的電流狀態方程為：
式（5-1）
式中l為電機定子相繞組電感，為電角速度，為電機定子電阻。
式（5-1）改寫為：
式（5-2）
對電流狀態方程做如下變換：
式（5-3）
令，上式改寫為：
式（5-4）
通過式（5-4）可知，為等效後的電機勵磁電流。是由永磁體在d軸上產生的電流和三相定子電流的勵磁分量兩部分組成的。為等效後的電機直軸電壓，與組成類似。
將上式作為可調模型，記為： 式（5-5）
5.2 自適應率的確定
電流狀態方程的估計形式可表示為：
式（5-6）
上式化簡為： 式（5-7）
圖 5-2 自適應率
最終的轉速估計為：
式中，、是檢測的電機電流實際值，、是由可調模型計算得到的電流值，、分別為pi調節器的積分、比例係數，為轉子估計電角速度。
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