CN102969948A - 兼顾效率优化的两电机变频调速系统及其解耦控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种兼顾效率优化的两电机变频调速系统及其解耦控制方法，系统包括由两电机变频调速系统和LSSVM逆系统；LSSVM逆系统和两电机变频调速系统串联得到伪线性复合系统；LSSVM逆系统和闭环控制器共同组成LSSVM逆控制器。方法：建立考虑电机转子磁链的两电机变频调速系统的数学模型，并进行可逆性分析；设计由最小二乘支持向量机和积分器组成的LSSVM逆系统，将其作为前馈控制器与原系统串联，得到伪线性复合系统，实现两电机变频调速系统的近似线性化和解耦；将PID控制器作为附加控制器，实现闭环控制；采用基于电机损耗模型的转子磁链优化给定，完成兼顾效率优化的两电机变频调速系统的解耦控制。

Description

兼顾效率优化的两电机变频调速系统及其解耦控制方法

技术领域

本发明涉及两电机变频调速系统的一种兼顾效率优化的两电机变频调速系统及其解耦控制方法，适用于电力传动控制设备的技术领域。

背景技术

两变频器驱动两台感应电机构成的两电机变频调速系统，采用矢量控制的模式，在工业生产中得到了广泛的应用，其运行性能和效率对工业生产有着十分重要的影响。

两电机变频调速系统是一个典型的多入多出、非线性、强耦合的复杂系统，系统的张力是由两台感应电机的转速之差形成的。造纸、纺织、建材等现代工业领域，经常采用多电机变频调速系统传送和卷取物料。为保证物料的高效收卷且不被拉断和堆积，一般要求各台电机同步协调运行，同时使张力保持在某个给定值恒定不变，并且不受电机速度变化的影响。因此，张力和速度的有效控制是系统同步运行的关键。对于张力和速度之间的这种互相耦合，传统PID控制存在技术瓶颈，国内外研究者围绕两电机控制系统的设计进行了一系列研究，有：采用反馈线性化方法实现卷材传送系统速度和张力的解耦控制，相邻耦合误差控制算法对两电机系统的同步控制，自适应前馈控制器和离散自适应滑模控制器用于两电机系统的静态解耦，等。这些研究均基于系统模型，需深入了解具体系统运行机理和动力学过程，实现过程复杂，且多是针对特定的应用背景，缺少适用于两电机变频调速系统的通用控制策略设计方法。

矢量控制模式下，感应电机效率优化是通过调节转子磁链大小来实现的。当电机处于动态运行过程中，由于电机磁链和转矩间相互耦合，磁链的变化不利于电磁转矩动态响应的快速性，进而会对系统的转速和张力的控制产生不利的影响。尤其是当系统长期处于轻载高速的动态工况下，这种负面影响的表现将更为突出。对于动态条件下调速系统的效率优化，目前研究相对较少，一方面是由于这种特定情况下的能量损耗问题尚未引起人们的足够重视。此外，由于必须改变电机的磁链，将会引起电磁转矩的耦合脉动，进而影响动态过程的调整，控制难度加大。现有的解决方法是采用切换控制的思想：负载转矩或转速指令变化进入动态过程时，恢复为额定转子磁链下的矢量控制；动态过程结束进入新的稳态后，再进行磁链调节实现效率的优化控制。这种方法存在着明显的不足：1)转子时间常数的存在使转子磁链上升到额定值需要一段时间，从而影响电机的转矩响应速度；2)由于定子励磁电流指令变为额定值，则系统达到稳态后再次进行效率优化的过程将变长；3)没有考虑电机动态变化过程中的效率优化。

发明内容

发明目的：本发明提供一种兼顾效率优化的两电机变频调速系统及其解耦控制方法，在实现解耦控制的基础上兼顾效率优化，有效改善系统的动、静态性能和运行效率。

技术方案：一种兼顾效率优化的两电机变频调速系统，包括由第一台电机、第一台变频器、第二台电机和第二台变频器组成的两电机变频调速系统，由表征逆系统非线性映射关系的最小二乘支持向量机(LSSVM)和表征逆系统动态特性的积分器组成的LSSVM逆系统；所述LSSVM逆系统和两电机变频调速系统串联得到包含磁链、速度及张力子系统的伪线性复合系统；将PID控制器作为实现伪线性复合系统闭环控制的附加控制器，LSSVM逆系统和闭环控制器共同组成LSSVM逆控制器。

一种兼顾效率优化的两电机变频调速系统解耦控制方法，包括：

建立考虑电机转子磁链的两电机变频调速系统的数学模型，并进行可逆性分析；设计由表征逆系统非线性映射关系的最小二乘支持向量机(LSSVM)和表征逆系统动态特性的积分器组成的LSSVM逆系统，将LSSVM逆系统作为前馈控制器与两电机变频调速系统串联，得到包含磁链、速度及张力子系统的伪线性复合系统，实现两电机变频调速系统的近似线性化和解耦；设计简单实用的PID控制器作为附加控制器，实现伪线性复合系统闭环控制；在此基础上，采用基于电机损耗模型的转子磁链优化给定，完成兼顾效率优化的两电机变频调速系统的解耦控制。

与现有技术相比，本发明提供的兼顾效率优化的两电机变频调速系统及其解耦控制方法，具有如下优点：

1、串联LSSVM逆前馈控制器后得到的伪线性复合系统，实现了两电机变频调速系统的解耦和线性化，使通过附加简单的闭环控制器来获取高性能的控制效果成为可能。

2、在解耦控制的基础上，基于电机损耗模型的转子磁链优化给定方法，既能保证系统具有良好的动态响应性能，又能提高电机动、稳态运行效率。

3、本发明提出的控制策略，并未增加系统的硬件成本，毋需改变原有的控制结构，兼顾了两电机变频调速系统性能和效率的控制需求。若能结合电机参数在线自适应辨识技术，消除参数变化对效率优化结果的影响，控制策略的应用前景将更为广阔。

附图说明

图1为本发明实施例中考虑感应电机转子磁链的两电机变频调速系统的框图，图中有：1、两电机变频调速系统 2、第一台电机的定子电流i_sm1 3、第一台电机的同步速ω₁ 4、第二台电机的定子电流i_sm2 5、第二台电机的同步速ω₂ 6、第一台电机的磁链ψ_r1 7、第一台电机的速度ω_r1 8、第二台电机的磁链ψ_r2 9、系统张力F；

图2为本发明实施例中最小二乘支持向量机(LSSVM)逆与两电机变频调速系统串联构成的伪线性复合系统的示意图及其等效图，图中有：积分器10、LSSVM 1、两电机变频调速系统 11、LSSVM逆系统 12、伪线性复合系统；

图3为本发明实施例中兼顾效率优化的LSSVM逆控制方法对两电机变频调速系统进行控制的原理框图，图中有：23、磁链优化模型 24、磁链优化模型17、线性闭环控制器 22、LSSVM逆控制器 1、两电机变频调速系统。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1-3所示，兼顾效率优化的两电机变频调速系统，包括由第一台电机、第一台变频器、第二台电机和第二台变频器组成的两电机变频调速系统1，由表征逆系统非线性映射关系的LSSVM10和表征逆系统动态特性的积分器组成的LSSVM逆系统11；LSSVM逆系统11和两电机变频调速系统1串联得到包含磁链、速度及张力子系统的伪线性复合系统12；将PID控制器作为实现伪线性复合系统12闭环控制的附加控制器，LSSVM逆系统11和线性闭环控制器17共同组成LSSVM逆控制器22。

兼顾效率优化的两电机变频调速系统解耦控制方法，具体实施分以下6步：

1、将一台感应电机和一台变频器看作一个整体，建立考虑感应电机转子磁链的两电机变频调速系统1，以第一台电机的定子电流i_sm12、第一台电机的同步速ω₁3、第二台电机的定子电流i_sm24及第二台电机的同步速ω₂5为输入，第一台电机的磁链ψ_r16、第一台电机的速度ω_r17、第二台电机的磁链ψ_r28及两台电机之间的系统张力F9为输出，如图1所示。

2、对感应电机的机械/电气模型及系统张力方程进行分析，可知两电机变频调速系统的数学模型为五阶微分方程。四个输出分别为第一台电机的磁链ψ_r16、第一台电机的速度ω_r17、第二台电机的磁链ψ_r28及两台电机之间的系统张力F9，根据Interactor算法计算，其相对阶数分别为一阶、一阶、一阶及二阶，整个系统对应的逆系统存在，并可确定其逆系统的输入变量为ψ_r16的一阶导数

ω_r17的一阶导数

ψ_r28的一阶导数

及F9的二阶导数

输出变量为两电机变频调速系统1的输入：第一台电机的定子电流i_sm12、第一台电机的同步速ω₁3、第二台电机的定子电流i_sm24及第二台电机的同步速ω₂5。

3、将两台变频器设置为矢量控制运行模式，用符合实际运行范围的随机方波作为两电机变频调速系统1的输入i_sm12、ω₁3、i_sm24和ω₂5，使两电机变频调速系统1正常运行。对输入输出数据进行采样，并对采样数据进行平滑滤波，利用5点求导法求取输出的相应导数，并等间隔取样。以作为输入、{i_sm1，ω₁,i_sm2,ω₂}作为输出，离线训练最小二乘支持向量机(LSSVM)10。其中LSSVM 10选择的核函数为高斯函数K(x,x_i)＝exp(-||x-x_i||²/2σ²)，并通过交叉验证法获取合适的正归化参数和核宽度。

4、将离线训练好的LSSVM 10加五个积分器的形式构成LSSVM逆系统11(见图2左图中的虚线框内所示)，LSSVM逆系统11与两电机变频调速系统1串接构成伪线性复合系统12，形成第一台电机磁链的一阶子系统13、第一台电机速度的一阶子系统14、第二台电机磁链的一阶子系统15，及系统张力的二阶子系统16，如图2所示，将复杂非线性耦合系统的控制转化为简单的四个线性子系统的控制。

5、依据线性系统的设计方法，对得到的四个子系统分别进行闭环控制器17设计。本发明采用最为简单成熟、工程应用最多的PID调节器，分别得到第一台电机磁链控制器18、第一台电机速度控制器19、第二台电机磁链控制器20、系统张力控制21。将LSSVM逆系统11和闭环控制器17共同组成LSSVM逆控制器22(见图3中的虚线框内所示)。

6、计算感应电机的损耗，并定义电机效率，可得到不同转速、转矩下的转子磁链优化设定值：

${\mathrm{\ψ}}_r^{\mathrm{op}}=\sqrt[4]{\frac{T_e^2{L}_r^2(R_s{R}_r+R_s{R}_{\mathrm{Fe}}+R_r{R}_{\mathrm{Fe}})}{n_p^2({\mathrm{\ω}}_r^2{L}_m^2+R_s{R}_r+R_s{R}_{\mathrm{Fe}})}}$

根据转子磁链优化给定分别设计两台感应电机的磁链优化模型23、磁链优化模型24，获取磁链最优值

兼顾效率优化的两电机变频调速系统解耦控制方法如图3所示。

Claims (2)

1.一种兼顾效率优化的两电机变频调速系统，其特征在于：包括由第一台电机、第一台变频器、第二台电机和第二台变频器组成的两电机变频调速系统，由表征逆系统非线性映射关系的最小二乘支持向量机和表征逆系统动态特性的积分器组成的LSSVM逆系统；所述LSSVM逆系统和两电机变频调速系统串联得到包含磁链、速度及张力子系统的伪线性复合系统；将PID控制器作为实现伪线性复合系统闭环控制的附加控制器，LSSVM逆系统和闭环控制器共同组成LSSVM逆控制器。

2.一种兼顾效率优化的两电机变频调速系统解耦控制方法，其特征在于，包括：

建立考虑电机转子磁链的两电机变频调速系统的数学模型，并进行可逆性分析；设计由表征逆系统非线性映射关系的最小二乘支持向量机和表征逆系统动态特性的积分器组成的LSSVM逆系统，将LSSVM逆系统作为前馈控制器与两电机变频调速系统串联，得到包含磁链、速度及张力子系统的伪线性复合系统，实现两电机变频调速系统的近似线性化和解耦；设计简单实用的PID控制器作为附加控制器，实现伪线性复合系统闭环控制；采用基于电机损耗模型的转子磁链优化给定，完成兼顾效率优化的两电机变频调速系统的解耦控制。

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