CN107425769B - 一种永磁同步电机调速系统的自抗扰控制方法及系统 - Google Patents

一种永磁同步电机调速系统的自抗扰控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种永磁同步电机调速系统的自抗扰控制方法及系统，通过采集永磁同步电机调速系统的转子角速度和转矩电流；采用预先建立的扰动适应的自抗扰模型对转子角速度及转矩电流进行处理，得到控制输出信号；依据控制输出信号对永磁同步电机调速系统进行转速控制；自抗扰模型为依据一阶线性自抗扰控制子模型、转动惯量辨识子模型及负载转矩观测子模型建立的；转动惯量辨识子模型依据朗道辨识算法建立的，通过辨识出的转动惯量及计算关系式b0＝Kt/J对系统控制增益b0进行调整；负载转矩观测子模型依据扩张状态观测器建立的。本发明实施例在使用过程中提高了对控制增益b0的调节精确度，提高了永磁同步电机调速系统的抗干扰能力。

Description

一种永磁同步电机调速系统的自抗扰控制方法及系统
技术领域
本发明实施例涉及永磁同步电机控制领域，特别是涉及一种永磁同步电机调速系统的自抗扰控制方法及系统。
背景技术
永磁同步电机是一种转子与空间磁场同步旋转的永磁电机，并且随着控制理论、电力电子器件、永磁材料以及微处理器等技术的发展，永磁同步电机驱动技术取得了巨大进步，在高精度加工、机器人、航空航天和电动汽车等行业和领域中的应用越来越广泛。
随着永磁同步电机应用范围的扩大，人们对永磁同步电机伺服系统的性能要求也不断提高，但永磁同步电机却是一个非线性、交叉耦合且含多个未知变量的被控对象，且在实际运行过程中存在外部负载扰动和其他等不确定因素的影响。传统交流伺服系统速度控制器一般采用PID控制器(Proportion Integration Differentiation，比例-积分-微分控制器)，难以使系统同时具有优越的动态响应性、跟随性和抗扰性，PID控制器对于高性能伺服控制系统有一定的局限性，难以获得满意的控制效果。因此，研究永磁同步电机的控制策略对永磁同步电机应用的发展具有重要意义。
在众多的控制策略中，近些年一种针对解决PID控制所存在不足提出的自抗扰控制在电机控制领域逐渐新兴起来，此种控制兼顾稳定性和抗扰性。
目前，在对被控系统进行控制时，主要受到惯量扰动和负载扰动的影响，并且可以通过对被控系统控制增益b进行调整，进而实现系统的惯量扰动自适应控制。由于在自抗扰控制中控制增益b在不同的控制系统中存在不同的定义，只有根据特定系统得出的最佳控制增益才能使对系统的控制达到最佳的控制效果，所以可以通过对控制增益b进行调整，提高对系统的控制效果。现有技术中，在对控制增益b进行调节时，主要是采用人工手动试凑的方式对其进行调节，由于控制增益b不断变化，所以采用手动试凑的方式进行调节，精确度较低、误差较大，从而不能使控制增益b调节至最佳值，进而不能使被控系统达到最佳的控制效果，使被控系统的抗干扰能力较低。
因此，如何提供一种解决上述技术问题的永磁同步电机调速系统的自抗扰控制方法及系统成为本领域技术人员目前需要解决的问题。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种永磁同步电机调速系统的自抗扰控制方法及系统，在使用过程中提高了对控制增益b0的调节精确度，提高了永磁同步电机调速系统的抗干扰能力。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种永磁同步电机调速系统的自抗扰控制方法，包括：
采集永磁同步电机调速系统的转子角速度和转矩电流；
采用预先建立的扰动适应的自抗扰模型对所述转子角速度及所述转矩电流进行处理，得到控制输出信号；
依据所述控制输出信号对所述永磁同步电机调速系统进行转速控制；
所述自抗扰模型为依据一阶线性自抗扰控制子模型、转动惯量辨识子模型及负载转矩观测子模型建立的；所述转动惯量辨识子模型依据朗道辨识算法建立的，并通过辨识出的转动惯量及计算关系式b0＝Kt/J对系统控制增益b0进行调整，其中，所述Kt表示转矩系数，所述J表示转动惯量；所述负载转矩观测子模型依据扩张状态观测器建立的，并将观测出的负载转矩进行前馈补偿。
可选的，所述依据所述控制输出信号对所述永磁同步电机调速系统进行转速控制的过程为：
所述控制输出信号进行限幅处理，并依据处理后的控制输出信号对所述永磁同步电机调速系统进行转速控制。
可选的，所述一阶线性自抗扰控制子模型包括一阶线性跟踪微分控制器、二阶线性扩张状态观测器和一阶线性状态误差反馈控制率；
所述一阶线性跟踪微分控制器为
Figure BDA0001375365530000021
其中，z11为过渡后的给定信号，ν为所述一阶线性跟踪微分控制器的增益，ωm为给定信号；
所述二阶线性扩张状态观测器为
Figure BDA0001375365530000031
其中，z21为所述永磁同步电机调速系统输出变量的观测值，z22为所述永磁同步电机调速系统综合扰动的观测值，β21和β22为所述二阶线性扩张状态观测器的控制增益，
Figure BDA0001375365530000032
为所述转子角速度；
所述一阶线性状态误差反馈控制率为
Figure BDA0001375365530000033
其中，β11为控制系数，u0为误差反馈控制率输出，u为所述一阶线性自抗扰控制子模型的输出信号。
可选的，所述转动惯量辨识子模型依据朗道辨识算法建立的，包括：
依据参考模型、可调模型和辨识算法建立所述转动惯量辨识子模型；
所述参考模型为ωm(g)＝2ωm(g-1)-ωm(g-2)+b(g-1)U(g-1)，所述可调模型为
Figure BDA0001375365530000034
所述辨识算法为
Figure BDA0001375365530000035
其中，采样时间为Ts，b(g)＝Ts/J，U(g)＝Te(g-1)-Te(g-2)，Te为电磁转矩，β为自适应控制增益。
可选的，所述负载转矩观测子模型依据扩张状态观测器建立的，包括：
依据扩张状态观测器
Figure BDA0001375365530000036
建立所述负载转矩观测子模型，其中，
Figure BDA0001375365530000037
为负载转矩的观测值，B为粘性摩擦系数，fal(e)为非线性函数，k1和k2为负载转矩观测器的控制增益。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种永磁同步电机调速系统的自抗扰控制系统，包括：
采集模块，用于采集永磁同步电机调速系统的转子角速度和转矩电流；
处理模块，用于采用预先建立的扰动适应的自抗扰模型对所述转子角速度及所述转矩电流进行处理，得到控制输出信号；
控制模块，用于依据所述控制输出信号对所述永磁同步电机调速系统进行转速控制；
所述自抗扰模型为依据一阶线性自抗扰控制子模型、转动惯量辨识子模型及负载转矩观测子模型建立的；所述转动惯量辨识子模型依据朗道辨识算法建立的，并通过辨识出的转动惯量及计算关系式b0＝Kt/J对系统控制增益b0进行调整，其中，所述Kt表示转矩系数，所述J表示转动惯量；所述负载转矩观测子模型依据扩张状态观测器建立的，并将观测出的负载转矩进行前馈补偿。
可选的，所述控制模块包括：
限幅处理单元，用于所述控制输出信号进行限幅处理；
控制子单元，用于依据处理后的控制输出信号对所述永磁同步电机调速系统进行转速控制。
可选的，所述一阶线性自抗扰控制子模型包括一阶线性跟踪微分控制器、二阶线性扩张状态观测器和一阶线性状态误差反馈控制率；
所述一阶线性跟踪微分控制器为
Figure BDA0001375365530000041
其中，z11为过渡后的给定信号，ν为所述一阶线性跟踪微分控制器的增益，ωm为给定信号；
所述二阶线性扩张状态观测器为
Figure BDA0001375365530000042
其中，z21为所述永磁同步电机调速系统输出变量的观测值，z22为所述永磁同步电机调速系统综合扰动的观测值，β21和β22为所述二阶线性扩张状态观测器的控制增益，
Figure BDA0001375365530000043
为所述转子角速度；
所述一阶线性状态误差反馈控制率为
Figure BDA0001375365530000044
其中，β11为控制系数，u0为误差反馈控制率输出，u为所述一阶线性自抗扰控制子模型的输出信号。
可选的，所述转动惯量辨识子模型依据朗道辨识算法建立的，包括：
依据参考模型、可调模型和辨识算法建立所述转动惯量辨识子模型；
所述参考模型为ωm(g)＝2ωm(g-1)-ωm(g-2)+b(g-1)U(g-1)，所述可调模型为
Figure BDA0001375365530000045
所述辨识算法为
Figure BDA0001375365530000051
其中，采样时间为Ts，b(g)＝Ts/J，U(g)＝Te(g-1)-Te(g-2)，Te为电磁转矩，β为自适应控制增益。
可选的，所述负载转矩观测子模型依据扩张状态观测器建立的，包括：
依据扩张状态观测器
Figure BDA0001375365530000052
建立所述负载转矩观测子模型，其中，
Figure BDA0001375365530000053
为负载转矩的观测值，B为粘性摩擦系数，fal(e)为非线性函数，k1和k2为负载转矩观测器的控制增益。
本发明实施例提供了一种永磁同步电机调速系统的自抗扰控制方法及系统，通过采集永磁同步电机调速系统的转子角速度和转矩电流；采用预先建立的扰动适应的自抗扰模型对转子角速度及转矩电流进行处理，得到控制输出信号；依据控制输出信号对永磁同步电机调速系统进行转速控制；自抗扰模型为依据一阶线性自抗扰控制子模型、转动惯量辨识子模型及负载转矩观测子模型建立的；转动惯量辨识子模型依据朗道辨识算法建立的，并通过辨识出的转动惯量及计算关系式b0＝Kt/J对系统控制增益b0进行调整，其中，Kt表示转矩系数，J表示转动惯量；负载转矩观测子模型依据扩张状态观测器建立的，并将观测出的负载转矩进行前馈补偿。
本发明实施例中的自抗扰模型通过采用朗道辨识算法辨识出永磁同步电机调速系统的转动惯量，并利用辨识出的转动惯量自动对永磁同步电机调速系统的系统控制增益b0进行调整，从而实现惯量扰动的自适应调节，同时通过扩张状态观测器观测出永磁同步电机调速系统的负载转矩，并将该负载转矩作为前馈进行补偿，从而实现负载扰动的自适应控制。本发明实施例在使用过程中提高了对控制增益b0的调节精确度，提高了永磁同步电机调速系统的抗干扰能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种永磁同步电机调速系统的自抗扰控制方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的一种扰动自适应的自抗扰控制的结构框图；
图3为本发明实施例提供的一种永磁同步电机调速系统的自抗扰控制系统的结构示意图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种永磁同步电机调速系统的自抗扰控制方法及系统，在使用过程中提高了对控制增益b0的调节精确度，提高了永磁同步电机调速系统的抗干扰能力。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参照图1，图1为本发明实施例提供的一种永磁同步电机调速系统的自抗扰控制方法的流程示意图。
该方法包括：
S11：采集永磁同步电机调速系统的转子角速度和转矩电流；
S12：采用预先建立的扰动适应的自抗扰模型对转子角速度及转矩电流进行处理，得到控制输出信号；
依据控制输出信号对永磁同步电机调速系统进行转速控制；
自抗扰模型为依据一阶线性自抗扰控制子模型、转动惯量辨识子模型及负载转矩观测子模型建立的；转动惯量辨识子模型依据朗道辨识算法建立的，并通过辨识出的转动惯量及计算关系式b0＝Kt/J对系统控制增益b0进行调整，其中，Kt表示转矩系数，J表示转动惯量；负载转矩观测子模型依据扩张状态观测器建立的，并将观测出的负载转矩进行前馈补偿。
进一步的，在上述S12中依据控制输出信号对永磁同步电机调速系统进行转速控制的过程为：
控制输出信号进行限幅处理，并依据处理后的控制输出信号对永磁同步电机调速系统进行转速控制。
具体的，对控制输出信号进行限幅处理，可以在一定程度上避免控制器输出超过永磁同步电机调速系统的最大承受范围，从而保障系统的安全。
需要说明的是，本发明实施例中的永磁同步电机可以为面贴式永磁同步电机。可以先对被控对象进行建模，由于永磁同步电机是一个存在非线性、交叉耦合且多变量的被控对象，在运转的过程中有着复杂的电磁耦合关系，所以本发明可以预先做如下设计：
忽略涡流、磁滞损耗和磁路饱和，各相间自感和互感恒定；忽略定子磁场的高次谐波且反电动势呈正弦分布；忽略转子及永磁体阻尼；三相绕组对称、空间上互差120度和正弦分布的磁动势。
在上述假设基础上可以建立两相旋转坐标系dq轴下的永磁同步电机方程
Figure BDA0001375365530000071
磁链方程
Figure BDA0001375365530000072
转矩和运动方程
Figure BDA0001375365530000073
和
Figure BDA0001375365530000074
其中，ud,uq,id,iq,ψd,ψq,分别为dq轴坐标系下的定子电压、电流和磁通，R为定子电阻，ωe为转子电角速度，B为粘性摩擦系数，ωm为转子机械角速度，ψf为永磁体磁链，L为定子绕组电感，p为磁极对数，J为转动惯量，Te为电磁转矩，TL为负载转矩，Kt为转矩系数。
具体的，自抗扰控制的阶数与被控对象的阶数有关，由于电流环的截止频率远高于速度环的截止频率(通常大于5倍)，所以在设计转速环控制时可以将电流环的传递函数等效为1，转速环可以等效为一阶惯性环节，转速环控制对象可以通过永磁同步电机的运动方程
Figure BDA0001375365530000075
来描述，即
Figure BDA0001375365530000081
由
Figure BDA0001375365530000082
和
Figure BDA0001375365530000083
进一步得到
Figure BDA0001375365530000084
从而得到
Figure BDA0001375365530000085
其中
Figure BDA0001375365530000086
表示转速环的综合扰动信息，包括负载转矩扰动、粘滞摩擦、转动惯量扰动等，
Figure BDA0001375365530000087
系统控制增益。设x1＝ωm、x2＝fω和u＝iq，则
Figure BDA0001375365530000088
可写成状态方程的形式
Figure BDA0001375365530000089
为达到控制具有抗扰性能，只需要使控制输出量中不含系统的综合扰动量，因此可以构建一阶线性自抗扰控制子模型的输出控制量为
Figure BDA00013753655300000810
具体的，一阶线性自抗扰控制子模型包括一阶线性跟踪微分控制器、二阶线性扩张状态观测器和一阶线性状态误差反馈控制率；
一阶线性跟踪微分控制器(LTD)为
Figure BDA00013753655300000811
其中，z11为过渡后的给定信号，ν为一阶线性跟踪微分控制器的增益，ωm为给定信号；
一阶线性跟踪微分控制器对系统给定信号起过渡作用，可以缓解快速响应对系统产生超调，由于一阶惯性环节具有信号过渡的能力，因此，对于一阶线性跟踪微分控制器可以依据一阶惯性环节进行建立，并且增益ν小，则跟踪精度高、速度慢，增益ν大，则跟踪速度快、精度低，故增益ν需要对跟踪的速度和精度进行权衡进行设置。
二阶线性扩张状态观测器(LESO)为
Figure BDA00013753655300000812
其中，z21为永磁同步电机调速系统输出变量的观测值，z22为永磁同步电机调速系统综合扰动的观测值，β21和β22为二阶线性扩张状态观测器的控制增益，
Figure BDA00013753655300000813
为转子角速度；
自抗扰控制器的状态观测器是控制器的核心，用来观测系统的综合扰动和相关状态变量。因此，自抗扰控制器的性能直接受状态观测器观测精度影响，观测器的输入信号为给定的输入量和控制器的实际输出量，观测出的综合扰动作为前馈补偿到控制器中，因此，通过式
Figure BDA0001375365530000091
可以建立二阶线性扩张状态观测器，令z21＝ωτ，z22＝fω，从而得到如上所述的二阶线性扩张状态观测器。
一阶线性状态误差反馈控制率(LSEF)为
Figure BDA0001375365530000092
其中，β11为控制系数，u0为误差反馈控制率输出，u为一阶线性自抗扰控制子模型的输出信号；
一阶线性状态误差反馈控制率将一阶线性跟踪微分控制器输出的过渡量和二阶线性扩张状态观测器观测到的状态变量求取状态误差，通过控制率形成最终的控制输出量，在线性状态误差反馈控制率中，控制率的输出量可以补偿系统的不确定扰动，使被控对象等效为纯积分环节，对于纯积分环节，可以采用线性控制率为比例控制实现对给定的无误差跟踪，从而得到如上述所述的线性状态误差反馈控制率。
进一步的，转动惯量辨识子模型依据朗道辨识算法建立的，包括：
依据参考模型、可调模型和辨识算法建立转动惯量辨识子模型；
参考模型为ωm(g)＝2ωm(g-1)-ωm(g-2)+b(g-1)U(g-1)，可调模型为
Figure BDA0001375365530000093
辨识算法为
Figure BDA0001375365530000094
其中，采样时间为Ts，b(g)＝Ts/J，U(g)＝Te(g-1)-Te(g-2)，Te为电磁转矩，β为自适应控制增益。
具体的，本发明实施例中优选的采用朗道算法对转动惯量进行辨识，朗道算法是由参考模型、可调模型和辨识算法三部分组成，其中，参考模型为实际物理系统模中待估测参数的方程，可调模型为含有未知参数估计值的模型，辨识算法为对参考模型和可调模型的偏差进行修正并不断修正可调模型的控制率。
在永磁同步电机调速系统中，系统的转子角速度采样时间为Ts，则转子角速度可以表示为
Figure BDA0001375365530000095
则依据永磁同步电机的运动方程
Figure BDA0001375365530000101
在忽略粘性摩擦系数B时，可得
Figure BDA0001375365530000102
则在式ωm(g)的前一时刻可以表示为
Figure BDA0001375365530000103
由于实际系统的机械结构原因，负载转矩的变化远大于转子角速度采样周期，因此可认为相邻两个时刻的负载转矩恒定，则有式ωm(g)和式ωm(g-1)相减可得
Figure BDA0001375365530000104
进一步可以得到系统的辨识项为b(g)＝Ts/J和U(g)＝Te(g-1)-Te(g-2)，从而进一步得到上述参考模型、可调模型和辨识算法，从而在辨识出b(g)的情况下，在通过b(g)＝Ts/J计算出相应的系统转动惯量值，进一步通过系统控制增益b0与系统转动惯量的关系b0＝Kt/J来调节系统控制增益b0。
更进一步的，负载转矩观测子模型依据扩张状态观测器建立的，包括：
依据扩张状态观测器
Figure BDA0001375365530000105
建立负载转矩观测子模型，其中，
Figure BDA0001375365530000106
为负载转矩的观测值，fal(e)为非线性函数，k1和k2为负载转矩观测器的控制增益。
需要说明的是，本发明实施例为了实现对负载转矩的快速准确观测，采用扩张状态观测器建立负载转矩观测子模型，并实现对负载转矩的观测。在永磁同步电机调速系统中，由于负载转矩的变化远大于转子角速度采样周期，所以可以认为在一个采样周期内负载转矩恒定，故可得
Figure BDA0001375365530000107
由
Figure BDA0001375365530000111
和
Figure BDA0001375365530000112
可得出永磁同步电机动力学的状态方程为
Figure BDA0001375365530000113
进一步可以建立扩张状态观测器为
Figure BDA0001375365530000114
其中
Figure BDA0001375365530000115
fal(e)为非线性函数，其函数表达式为
Figure BDA0001375365530000116
其中：
Figure BDA0001375365530000117
Cs＝[1 0]，
Figure BDA0001375365530000118
y＝ωm，且
Figure BDA0001375365530000119
为状态反馈控制系数也及观测器配置的极点。进一步可以得到如上述所述的扩张状态观测器。
可见，一方面控制增益b0的自适应调节方式为：
在空载的情况下，调节出自抗扰控制器最佳控制增益best，设定初始控制增益b0＝best，在外部扰动的影响下系统转动惯量随扰动的变化而改变，采用通过朗道辨识算法辨识的转动惯量，并根据辨识的转动惯量与控制增益b0的关系b0＝Kt/J来动态调节控制增益b0。
另一方面，负载转矩前馈补偿调节方式为：
在外部扰动的影响下负载转矩会随之改变，剧烈的扰动变化会造成观测器的压力过大，造成自抗扰控制效果不佳，通过采用扩张状态观测器观测系统负载转矩扰动，通过观测的负载转矩对自抗扰控制器进行前馈补偿，实现了负载扰动适应的自抗扰控制。负载扰动的补偿，达到降低自抗扰控制器中扩张状态观测器的压力，同时也提高了自抗扰控制的抗负载能力。
具体请参照图2，图2为本发明实施例提供的一种扰动自适应的自抗扰控制的结构框图。
由图2可知，相应的连接方式为一阶LTD模块的输入端为一阶线性自抗扰控制子模型的第一输入端，用于接收给定信号；一阶LTD模块的输出端与一阶LSEF模块的输入端连接；一阶LSEF模块的输出端与1/b0模块的输入端连接；1/b0模块的输出端与限幅模块的输入端连接；限幅模块的输出端与Plant(本实施例中为永磁同步电机调速系统)模块的输入端连接，Plant模块的输出端与二阶LESO模块输入连接；二阶LESO模块的输出分别与一阶LSEF模块和1/b0模块的输入端连接；负载转矩观测模块的输出端与δ模块的输入端连接，其输入端分别接收转子角速度
Figure BDA0001375365530000121
和转矩电流iq；转动惯量辨识模块的输出端与1/b0模块的输入端连接(进而对b0进行动态调节)；δ模块的输出端与限幅模块的输入端连接。本发明实施例中的自抗扰模型通过采用朗道辨识算法辨识出永磁同步电机调速系统的转动惯量，并利用辨识出的转动惯量自动对永磁同步电机调速系统的系统控制增益b0进行调整，从而实现惯量扰动的自适应调节，同时通过扩张状态观测器观测出永磁同步电机调速系统的负载转矩，并将该负载转矩作为前馈进行补偿，从而实现负载扰动的自适应控制。本发明实施例在使用过程中提高了对控制增益b0的调节精确度，提高了永磁同步电机调速系统的抗干扰能力。
相应的本发明实施例还公开了一种永磁同步电机调速系统的自抗扰控制系统，具体请参照图3，图3为本发明实施例提供的一种永磁同步电机调速系统的自抗扰控制系统的结构示意图。在上述实施例的基础上：
该系统包括：
采集模块1，用于采集永磁同步电机调速系统的转子角速度和转矩电流；
处理模块2，用于采用预先建立的扰动适应的自抗扰模型对转子角速度及转矩电流进行处理，得到控制输出信号；
控制模块3，用于依据控制输出信号对永磁同步电机调速系统进行转速控制；
自抗扰模型为依据一阶线性自抗扰控制子模型、转动惯量辨识子模型及负载转矩观测子模型建立的；转动惯量辨识子模型依据朗道辨识算法建立的，并通过辨识出的转动惯量及计算关系式b0＝Kt/J对系统控制增益b0进行调整，其中，Kt表示转矩系数，J表示转动惯量；负载转矩观测子模型依据扩张状态观测器建立的，并将观测出的负载转矩进行前馈补偿。
可选的，控制模块3包括：
限幅处理单元，用于控制输出信号进行限幅处理；
控制子单元，用于依据处理后的控制输出信号对永磁同步电机调速系统进行转速控制。
可选的，一阶线性自抗扰控制子模型包括一阶线性跟踪微分控制器、二阶线性扩张状态观测器和一阶线性状态误差反馈控制率；
一阶线性跟踪微分控制器为
Figure BDA0001375365530000131
其中，z11为过渡后的给定信号，ν为一阶线性跟踪微分控制器的增益，ωm为给定信号；
二阶线性扩张状态观测器为
Figure BDA0001375365530000132
其中，z21为永磁同步电机调速系统输出变量的观测值，z22为永磁同步电机调速系统综合扰动的观测值，β21和β22为二阶线性扩张状态观测器的控制增益，
Figure BDA0001375365530000133
为转子角速度；
一阶线性状态误差反馈控制率为
Figure BDA0001375365530000134
其中，β11为控制系数，u0为误差反馈控制率输出，u为一阶线性自抗扰控制子模型的输出信号。
可选的，转动惯量辨识子模型依据朗道辨识算法建立的，包括：
依据参考模型、可调模型和辨识算法建立转动惯量辨识子模型；
参考模型为ωm(g)＝2ωm(g-1)-ωm(g-2)+b(g-1)U(g-1)，可调模型为
Figure BDA0001375365530000135
辨识算法为
Figure BDA0001375365530000136
其中，采样时间为Ts，b(g)＝Ts/J，U(g)＝Te(g-1)-Te(g-2)，Te为电磁转矩，β为自适应控制增益。
可选的，负载转矩观测子模型依据扩张状态观测器建立的，包括：
依据扩张状态观测器
Figure BDA0001375365530000137
建立负载转矩观测子模型，其中，
Figure BDA0001375365530000138
为负载转矩的观测值，B为粘性摩擦系数，fal(e)为非线性函数，k1和k2为负载转矩观测器的控制增益。
需要说明的是，本发明实施例中的自抗扰模型通过采用朗道辨识算法辨识出永磁同步电机调速系统的转动惯量，并利用辨识出的转动惯量自动对永磁同步电机调速系统的系统控制增益b0进行调整，从而实现惯量扰动的自适应调节，同时通过扩张状态观测器观测出永磁同步电机调速系统的负载转矩，并将该负载转矩作为前馈进行补偿，从而实现负载扰动的自适应控制。本发明实施例在使用过程中提高了对控制增益b0的调节精确度，提高了永磁同步电机调速系统的抗干扰能力。
另外，对于本发明实施例中所涉及到的控制方法的具体介绍请参照上述方法实施例，本申请在此不再赘述。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其他形式的存储介质中。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种永磁同步电机调速系统的自抗扰控制方法，其特征在于，包括：
采集永磁同步电机调速系统的转子角速度和转矩电流；
采用预先建立的扰动适应的自抗扰模型对所述转子角速度及所述转矩电流进行处理，得到控制输出信号；
依据所述控制输出信号对所述永磁同步电机调速系统进行转速控制；
所述自抗扰模型为依据一阶线性自抗扰控制子模型、转动惯量辨识子模型及负载转矩观测子模型建立的；所述转动惯量辨识子模型依据朗道辨识算法建立的，并通过辨识出的转动惯量及计算关系式b0＝Kt/J对系统控制增益b0进行调整，其中，所述Kt表示转矩系数，所述J表示转动惯量；所述负载转矩观测子模型依据扩张状态观测器建立的，并将观测出的负载转矩进行前馈补偿；其中：
所述负载转矩观测子模型依据扩张状态观测器建立的，包括：
依据扩张状态观测器
Figure FDA0002648900580000011
建立所述负载转矩观测子模型，其中，
Figure FDA0002648900580000012
为负载转矩的观测值，B为粘性摩擦系数，fal(e)为非线性函数，k1和k2为负载转矩观测器的控制增益；
Figure FDA0002648900580000013
δ为滤波因子；
所述一阶线性自抗扰控制子模型包括一阶线性跟踪微分控制器、二阶线性扩张状态观测器和一阶线性状态误差反馈控制率；
所述一阶线性跟踪微分控制器为
Figure FDA0002648900580000014
其中，z11为过渡后的给定信号，ν为所述一阶线性跟踪微分控制器的增益，ωm为给定信号；
所述二阶线性扩张状态观测器为
Figure FDA0002648900580000021
其中，z21为所述永磁同步电机调速系统输出变量的观测值，z22为所述永磁同步电机调速系统综合扰动的观测值，β21和β22为所述二阶线性扩张状态观测器的控制增益，
Figure FDA0002648900580000022
为所述转子角速度；
所述一阶线性状态误差反馈控制率为
Figure FDA0002648900580000023
其中，β11为控制系数，u0为误差反馈控制率输出，u为所述一阶线性自抗扰控制子模型的输出信号；
所述转动惯量辨识子模型依据朗道辨识算法建立的，包括：
依据参考模型、可调模型和辨识算法建立所述转动惯量辨识子模型；
所述参考模型为ωm(g)＝2ωm(g-1)-ωm(g-2)+b(g-1)U(g-1)，所述可调模型为
Figure FDA0002648900580000025
所述辨识算法为
Figure FDA0002648900580000024
其中，采样时间为Ts，b(g)＝Ts/J，U(g)＝Te(g-1)-Te(g-2)，Te为电磁转矩，β为自适应控制增益；其中，g为当前时刻，g-1为前一时刻，g-2为g-1的前一时刻。
2.根据权利要求1所述的永磁同步电机调速系统的自抗扰控制方法，其特征在于，所述依据所述控制输出信号对所述永磁同步电机调速系统进行转速控制的过程为：
所述控制输出信号进行限幅处理，并依据处理后的控制输出信号对所述永磁同步电机调速系统进行转速控制。
3.一种永磁同步电机调速系统的自抗扰控制系统，其特征在于，包括：
采集模块，用于采集永磁同步电机调速系统的转子角速度和转矩电流；
处理模块，用于采用预先建立的扰动适应的自抗扰模型对所述转子角速度及所述转矩电流进行处理，得到控制输出信号；
控制模块，用于依据所述控制输出信号对所述永磁同步电机调速系统进行转速控制；
所述自抗扰模型为依据一阶线性自抗扰控制子模型、转动惯量辨识子模型及负载转矩观测子模型建立的；所述转动惯量辨识子模型依据朗道辨识算法建立的，并通过辨识出的转动惯量及计算关系式b0＝Kt/J对系统控制增益b0进行调整，其中，所述Kt表示转矩系数，所述J表示转动惯量；所述负载转矩观测子模型依据扩张状态观测器建立的，并将观测出的负载转矩进行前馈补偿；其中：
所述负载转矩观测子模型依据扩张状态观测器建立的，包括：
依据扩张状态观测器
Figure FDA0002648900580000031
建立所述负载转矩观测子模型，其中，
Figure FDA0002648900580000032
为负载转矩的观测值，B为粘性摩擦系数，fal(e)为非线性函数，k1和k2为负载转矩观测器的控制增益，
Figure FDA0002648900580000033
δ为滤波因子；
所述一阶线性自抗扰控制子模型包括一阶线性跟踪微分控制器、二阶线性扩张状态观测器和一阶线性状态误差反馈控制率；
所述一阶线性跟踪微分控制器为
Figure FDA0002648900580000041
其中，z11为过渡后的给定信号，ν为所述一阶线性跟踪微分控制器的增益，ωm为给定信号；
所述二阶线性扩张状态观测器为
Figure FDA0002648900580000042
其中，z21为所述永磁同步电机调速系统输出变量的观测值，z22为所述永磁同步电机调速系统综合扰动的观测值，β21和β22为所述二阶线性扩张状态观测器的控制增益，
Figure FDA0002648900580000043
为所述转子角速度；
所述一阶线性状态误差反馈控制率为
Figure FDA0002648900580000044
其中，β11为控制系数，u0为误差反馈控制率输出，u为所述一阶线性自抗扰控制子模型的输出信号；
所述转动惯量辨识子模型依据朗道辨识算法建立的，包括：
依据参考模型、可调模型和辨识算法建立所述转动惯量辨识子模型；
所述参考模型为ωm(g)＝2ωm(g-1)-ωm(g-2)+b(g-1)U(g-1)，所述可调模型为
Figure FDA0002648900580000045
所述辨识算法为
Figure FDA0002648900580000046
其中，采样时间为Ts，b(g)＝Ts/J，U(g)＝Te(g-1)-Te(g-2)，Te为电磁转矩，β为自适应控制增益；其中，g为当前时刻，g-1为前一时刻，g-2为g-1的前一时刻。
4.根据权利要求3所述的永磁同步电机调速系统的自抗扰控制系统，其特征在于，所述控制模块包括：
限幅处理单元，用于所述控制输出信号进行限幅处理；
控制子单元，用于依据处理后的控制输出信号对所述永磁同步电机调速系统进行转速控制。
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