CN106208879A - 一种基于自抗扰控制器控制异步电动机变频调速系统的方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于自抗扰控制器控制异步电动机变频调速系统的方法，属于电力系统异步电机变频调速控制系统技术领域，包括以下步骤：步骤A、构建异步电动机的动态数学模型；步骤B、自抗扰控制器概述；步骤C、基于自抗扰控制器的异步电机控制系统的设计；步骤D、仿真分析。其有益技术效果是：①克服了一般矢量控制系统参数鲁棒性差的缺欠，有效地解决了参数时变对矢量控制系统解耦性能的影响以及一般矢量控制系统存在的快速性与平稳性矛盾。②自抗扰控制器不依赖于被控系统的具体数学模型并对内外扰有较强的抗扰能力；仿真结果表明自抗扰控制器对模型的不确定性以及测量噪声的鲁棒性较好,而且它还具有较优的动态性能。
Description
技术领域
本发明属于电力系统异步电机变频调速控制系统技术领域，特别是一种自抗扰控制器实现的感应电动机变频调速系统新型控制方法。
背景技术
随着电力电子技术的发展，异步电机变频调速系统应用越来越广泛，而且性能也越来越好，具有结构简单、调速范围宽、安全可靠的优点。20世纪70年代，联邦德国西门子公司的F.Blaschke等提出了“感应电机磁场定向的控制原理”。为此，矢量变换控制技术诞生了。上个世纪80年代，在直接转矩控制理论中直接转矩控制利用转矩反馈直接控制电机的电磁转，避开了将定子电流分解成转矩和励磁分量，省掉了旋转变换和电流控制。直接转矩控制选择定子磁链作为被控量，不像矢量控制选用的是转子磁链，因此，观测磁链的模型可以不受电动机转子参数变化的影响，很大程度上克服了矢量控制的缺点。但由于直接转矩控制一般采用转矩的砰-砰控制，虽可获得快速的动态响应，却带来了转矩脉动的缺点，限制了系统的调速范围。自抗扰控制是中科院系统所韩京清研究员及其合作者经过十几年的研究,提出的一种非线性控制律.该控制技术源于经典PID的思想,基于误差来抵制或消除误差,控制律的建立不完全依靠系统数学模型,它能实时估计并补偿系统在运行过程中受到的各种外部与内部扰动(负载扰动和电机本身参数时变扰动)的总和由自抗扰控制器组成的感应电机变频调速系统可获得良好的控制品质。
发明内容
本发明的目的：寻找一个基于观测器的具有智能性的控制策略，它不依赖于被控对象的精确数学模型；具有较高动态性能，能抑制参数变化、扰动及各种不确定性干扰，即鲁棒性强；算法简单，设计和参数调节容易，使用方便；能应用于高性能的无速度传感器调速系统。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是：
一种基于自抗扰控制器控制异步电动机变频调速系统的方法，包括以下步骤：
步骤A、构建异步电动机的动态数学模型；
步骤B、自抗扰控制器概述；
步骤C、基于自抗扰控制器的异步电机控制系统的设计；
步骤D、仿真分析。
进一步的，所述的异步电动机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，并作如下假设：
1)忽略空间谐波，设三相绕组对称，在空间中互差120度电角度，所产生的磁动势沿气隙圆周按正弦规律分布；
2)忽略磁路饱和，认为各绕组的自感和互感都是恒定的；
3)忽略铁心损耗；
4)不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响。
进一步的，所述的自抗扰控制器是基于扩张状态观测器ESO的自抗扰控制。
进一步的，所述的自抗扰控制器的异步电机控制系统的设计为了将自抗扰控制器应用在感应电机变频调速系统中,需将变频调速的感应电机数学模型化成自抗扰控制器所需要的标准型.从而利用自抗扰控制器将系统的未建模动态，对象的不确定性及未知外扰一并给予估计和补偿。
进一步的，所述的仿真分析是基于LADRC和磁链观测器，建立了具有转速、磁链和d、q轴电流环的异步电机调速系统。
进一步的，自抗扰控制是一种鲁棒控制,是把对象模型的不确定性当作系统的内扰,它和系统的外扰均被看成系统的扰动,而通过扩张状态观测器对系统中包括内扰和外扰的总扰动综合作用进行估计和补偿。
进一步的，自抗扰控制器是由微分跟踪器、扩张状态观测器、非线性组合三部分组成；其中微分跟踪器用于安排过渡过程，其中扩张状态观测器通过系统输入输出来估计系统状态和系统的总扰动，其中非线性组合利用安排的过渡过程与状态估计之间误差的非线性组合及扰动估计量来生成控制信号。
本发明的优点和有益效果：
①自抗扰控制器实现的异步电机变频调速系统克服了一般矢量控制系统参数鲁棒性差的缺欠，该方案有效地解决了参数时变对矢量控制系统解耦性能的影响以及一般矢量控制系统存在的快速性与平稳性矛盾。②自抗扰控制器不依赖于被控系统的具体数学模型并对内外扰有较强的抗扰能力；仿真结果表明自抗扰控制器对模型的不确定性以及测量噪声的鲁棒性较好,而且它还具有较优的动态性能。
附图说明
附图1本发明系统硬件连接图；
附图2本发明变频调速系统总体结构示意图；
附图3本发明自抗扰控制器结构框图；
附图4本发明变频调速系统中的软件流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
本发明基于自抗扰控制器控制异步电动机变频调速系统的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤A、构建异步电动机的动态数学模型；
步骤B、自抗扰控制器概述；
步骤C、基于自抗扰控制器的异步电机控制系统的设计；
步骤D、仿真分析。
参见附图1，本发明是由硬件设备和计算机软件组成。其中硬件设备包括上位机和监控软件(WinCC)、S7-300PLC,Micro Master Vector(MMV)变频器、异步电动机和光电编码器组成,如图1所示。自抗扰控制器应用在感应电机变频调速系统中,需将变频调速的感应电机数学模型化成自抗扰控制器所需要的标准型。异步电机数学模型近似看作一个双输入、双输出系统，其中ust、usm为系统的输入，ψr、ωr为系统的输出，如图2所示。根据经典矢量控制的理论将异步电机分解为磁链子系统和转矩子系统，将磁链环和转矩环之间的耦合以及电机参数变化引起的模型摄动看作内扰，将负载转矩的变化看作外扰，分别设计自抗扰控制器进行控制。在矢量控制中，当ψr为常值时，采用坐标变换和磁场定向，可实现转速子系统与磁链子系统的动态解耦。但由于ψr不是一成不变的(即当电机运行在基频以下时，应保持磁链ψr不变，使电动机每极磁通量为额定值以充分利用铁心，而在基频以上时，采用弱磁调速，减小磁链值)，转速子系统和磁链子系统仍存在部分耦合。若将ψr看作常数对转速子系统设计自抗扰控制器，将ψr的变化看作系统的内扰处理，将负载的变化看作系统的外部扰动，由扩张状态观测器估计出内外扰的大小并通过非线性反馈予以补偿，则可实现转速子系统的线性化。
本发明中，步骤A中的三相异步电动机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。研究时，作如下假设：
1)忽略空间谐波。设三相绕组对称，在空间中互差120度电角度，所产生的磁动势沿气隙圆周按正弦规律分布；
2)忽略磁路饱和，认为各绕组的自感和互感都是恒定的；
3)忽略铁心损耗；
4)不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响。
无论三相异步电动机转子结构是绕线式还是鼠笼式，都可将它等效成三相绕线式，并将其折算到定子侧，折算后定子和转子绕组匝数将相等。
参见附图3，本发明步骤B中自抗扰控制器是基于扩张状态观测器ESO的自抗扰控制是一种鲁棒控制,它用配置系统结构替代极点配置进行控制系统设计,依靠期望轨迹与实际轨迹的误差大小和方向来实施非线性反馈控制,是一种基于过程误差来减小误差的方法.该方法能自动补偿对象模型的失配和来自外界的扰动,实现动态系统的动态反馈线性化.自抗扰控制的鲁棒性体现在它把对象模型的不确定性当作系统的内扰,它和系统的外扰均被看成系统的扰动,而通过扩张状态观测器对系统的总扰动)内扰和外扰的综合作用进行估计和补偿。自抗扰控制器部分将输入的转速设定信号和由变送器送入的信号,经内部的自抗扰程序处理后,输出控制信号,送入变频器的输入端；该模块由安排过渡过程、扩张状态观测器和非线性组合三个部分组成；所说的安排过渡过程部分主要是对输入的预置信号进行延迟处理,从而提取其微分信号；所说的扩张状态观测器部分主要是根据输入的控制信号和输出信号对系统的状态量进行升阶观测,从而得出状态量及其微分信号的观测值；所说的非线性组合部分主要是将安排过渡过程部分和扩张状态观测器部分的输出信号比较后得到的误差信号进行非线性的组合,而得到控制信号,送入变频器输入端。跟踪微分器实现对输入信号的快速无超调跟踪；扩张状态观测器则用来估计系统状态、模型和外扰的实时作用量给以补偿，将含有未知干扰的非线性不确定性对象化为积分串联型对象进行控制；非线性误差反馈是利用跟踪微分器的输出和扩张状态观测器输出之间的误差来生成对扰动的补偿控制量。
上述所说的变频器部分(见图2)是接收由自抗扰控制器输出的控制信号,进而产生相应的输出电压信号送入电机输入端,控制电机的转速。
本发明步骤C中的自抗扰控制器的异步电机控制系统的设计为了将自抗扰控制器应用在感应电机变频调速系统中,需将变频调速的感应电机数学模型化成自抗扰控制器所需要的标准型.从而利用自抗扰控制器将系统的未建模动态，对象的不确定性及未知外扰一并给予估计和补偿。
本发明步骤D中的仿真分析是基于LADRC和磁链观测器，建立了具有转速、磁链和d、q轴电流环的异步电机调速系统，为了研究该系统的动态性能和对参数的鲁棒性，与PID调节的异步电机调速系统进行了比较。利用MATLAB/SIMULINK对两系统在空载起动、突加负载、转速变化、转子电阻变化、转动惯量变化等情况下的性能进行了大量的仿真研究。仿真结果表明整个系统具有很好的动、静态性能；对运行工况的变化具有良好的适应性，并且对负载扰动、电机参数变化等具有较好的鲁棒性；结构简单，设计和参数调节容易。分析原因，是因为线性自抗扰控制继承了自抗扰控制的优点，尤其是LESO像ESO一样能估计系统在运行过程中受到的各种内部与外部扰动的总和并加以完全补偿，从而使系统线性化为积分串联型结构，进而简化了控制对象，提高了系统的性能。显然，仿真实验结果证明了系统采用的LADRC和观测器的有效性与可行性。
附图4是本发明系统软件部分，由3部分组成包括:①PLC与变频器之间的PROFIBUS-DP现场总线通讯，实现PLC对变频器的现场远程控制；②工控机与PLC之间的MPI通讯，一方面实现了STEP7和PLC之间的通讯，完成程序上载，下载，调试，故障诊断和在线监视等；另一方面实现了WinCC和PLC之前的通讯，完成过程的传输，系统状态的实时监控；③WinCC和Excel之间的OPC通讯，通过软件实现对电机转速过程数据的归档并启用OPC通讯服务，将过程数据导出到Excel中，用于系统响应曲线的拟合和各项动静态性能指标的分析。工作步骤：①电机启动②若电机启动调动通讯子程序，否则必须通过变频器复位③运行计数器模块程序④若中断发生则调用中断子程序，或采集数据运行控制算法调用中断子程序，若不发生中断则进入程序终止⑤若程序终止则停机复位、结束。否则需反馈至前端重走步骤直到程序终止，然后停机复位、结束。
本发明的工作原理是：异步电机是一种非线性、多变量、强耦合、参数多摄动的控制对象，采用矢量控制方法可以将异步电机控制系统分解为磁链和转矩两个子系统。通过转子磁场定向在一定程度上实现了磁链和转矩两个环节的解耦控制，这样可以得到与直流电机相似的调速性能。在转子磁场定向矢量控制中，由于磁链和转矩之间的解耦，通过控制定子电流的d轴分量可以控制磁链,控制q轴分量可控制电磁转，进而控制转速。而定子电压方程存在反电动势引起的交叉耦合项,给控制带来一定的难度。通常的做法是忽略此交叉耦合项,通过调节控制器的参数来抑制耦合项的影响。控制器一般采用典型的PID调节,用d轴电压控制d轴电流,q轴电压控制q轴电流。为了进一步提高性能,研究采用检测到的实际电流补偿两项电流间的耦合项。这种补偿方法的效果取决于系统中电感参数的精度,只有在电感值能够准确知道时,才能获得较好的性能,导致系统对参数敏感,鲁棒性较低。另外,PID调节器的特点是结构简单,不依赖于系统模型,但是其线性结构决定了快速性与超调是一对难以调和的矛盾,积分的引入在消除系统静差的同时,也降低了系统的响应速度和稳定性。为了解决转子磁场定向矢量控制定子电压方程中耦合项的影响,获得更好的动态性能和鲁棒性,本发明采用了一种新型的非线性鲁棒控制器自抗扰控制器(ADRC)。采用ADRC对异步电机模型中的未建模部分及参数摄动加以观测,进而对系统进行补偿,尽量消除扰动对控制性能的影响。在采用优化的转子磁ESO模型的基础上，采用2个ADRC控制起代替传统的PID控制器，这样的系统可以实现系统基本无静差,从而加快系统的响应速度。
应当明确的是，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，按本发明构思所做出的显而易见的改进和修饰都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于自抗扰控制器控制异步电动机变频调速系统的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤A、构建异步电动机的动态数学模型；
步骤B、自抗扰控制器概述；
步骤C、基于自抗扰控制器的异步电机控制系统的设计；
步骤D、仿真分析。
2.根据权利要求1所述的基于自抗扰控制器控制异步电动机变频调速系统的方法，其特征在于：所述的异步电动机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，并作如下假设：
1)忽略空间谐波，设三相绕组对称，在空间中互差120度电角度，所产生的磁动势沿气隙圆周按正弦规律分布；
2)忽略磁路饱和，认为各绕组的自感和互感都是恒定的；
3)忽略铁心损耗；
4)不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响。
3.根据权利要求1所述的基于自抗扰控制器控制异步电动机变频调速系统的方法，其特征在于：所述的自抗扰控制器是基于扩张状态观测器ESO的自抗扰控制。
4.根据权利要求1所述的基于自抗扰控制器控制异步电动机变频调速系统的方法，其特征在于：所述的自抗扰控制器的异步电机控制系统的设计为了将自抗扰控制器应用在感应电机变频调速系统中,需将变频调速的感应电机数学模型化成自抗扰控制器所需要的标准型，从而利用自抗扰控制器将系统的未建模动态，对象的不确定性及未知外扰一并给予估计和补偿。
5.根据权利要求1所述的基于自抗扰控制器控制异步电动机变频调速系统的方法，其特征在于：所述的仿真分析是基于LADRC和磁链观测器，建立了具有转速、磁链和d、q轴电流环的异步电机调速系统。
6.根据权利要求3所述的基于自抗扰控制器控制异步电动机变频调速系统的方法，其特征在于：自抗扰控制是一种鲁棒控制,是把对象模型的不确定性当作系统的内扰,它和系统的外扰均被看成系统的扰动,而通过扩张状态观测器对系统中包括内扰和外扰的总扰动综合作用进行估计和补偿。
7.根据权利要求1或3所述的基于自抗扰控制器控制异步电动机变频调速系统的方法，其特征在于：自抗扰控制器是由微分跟踪器、扩张状态观测器、非线性组合三部分组成；其中微分跟踪器用于安排过渡过程，其中扩张状态观测器通过系统输入输出来估计系统状态和系统的总扰动，其中非线性组合利用安排的过渡过程与状态估计之间误差的非线性组合及扰动估计量来生成控制信号。
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