基于多模型自適應(yīng)控制器的感應(yīng)電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)

摘要：針對(duì)變頻調(diào)速矢量控制系統(tǒng)存在的參數(shù)魯棒性差這一難點(diǎn)問(wèn)題，首次將多模型自適應(yīng)控制理論應(yīng)用于感應(yīng)電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中。提出了基于多模型自適應(yīng)控制器的變頻調(diào)速系統(tǒng)的新型控制結(jié)構(gòu)與控制策略；在轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的同步旋轉(zhuǎn)系M_T中，分別建立了轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)、磁鏈子系統(tǒng)模型集并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的多模型控制器集，由此實(shí)現(xiàn)了感應(yīng)電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)多模型自適應(yīng)控制。 關(guān)鍵詞：多模型自適應(yīng)控制器 參數(shù)魯棒性 變頻調(diào)速 矢量控制理論流傳動(dòng)的發(fā)展獲得了質(zhì)的飛躍，得到了與直流傳動(dòng)系統(tǒng)同樣優(yōu)良的靜、動(dòng)態(tài)性能。但是，矢量控制理論對(duì)電機(jī)參數(shù)的依賴性很大，而電機(jī)參數(shù)則具有一定的時(shí)變性。電機(jī)電阻存在的不確定性較大，達(dá)到標(biāo)稱值的150%；同時(shí)，電機(jī)電感的不確定性變化較快。矢量控制對(duì)參數(shù)變化的敏感性使得實(shí)際系統(tǒng)難以保證完全解耦，實(shí)際控制效果難以達(dá)到理論分析的結(jié)果。本文依據(jù)多模型自適應(yīng)控制理論，根據(jù)被控對(duì)象存在的參數(shù)的不確定性，對(duì)被控對(duì)象電機(jī)系統(tǒng)建立了多個(gè)模型，并相應(yīng)地設(shè)計(jì)了多個(gè)控制器，基于設(shè)定切換原則和與實(shí)際電機(jī)系統(tǒng)最為匹配的模型，這些控制器對(duì)被控對(duì)象電機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了最佳調(diào)節(jié)。這樣就解決了常規(guī)自適應(yīng)控制所無(wú)法解決的電機(jī)電阻存在的較大不確定性及電機(jī)電感的不確定性變化較快等難點(diǎn)問(wèn)題。圖11 多模型自適應(yīng)控制概述 多模型自適應(yīng)控制（Multiple Model Adaptive Control）于20世紀(jì)70年代研制成功，并在90年代再度成為自適應(yīng)控制的一個(gè)研究熱點(diǎn)，這一研究實(shí)際上是對(duì)傳統(tǒng)的自適應(yīng)控制方法的一種推廣。 1.1 多模型自適應(yīng)控制系統(tǒng)的組成 多模型自適應(yīng)控制器主要由模型集、控制器集、切換原則三部分組成。 1.2 模型集的建立 多模型自適應(yīng)控制是用多個(gè)模型逼近系統(tǒng)的不確定性，并在多個(gè)模型的基礎(chǔ)上建立控制器進(jìn)行控制的，因此模型集的建立、元素模型的多少將直接影響控制的精度和性能。本文采用動(dòng)態(tài)優(yōu)化模型集法，利用自適應(yīng)模型和固定模型共同組成模型集。圖2、31.3 多模型自適應(yīng)控制器的構(gòu)成 多模型自適應(yīng)控制器首先根據(jù)每個(gè)元素模型構(gòu)成元素模型控制器，然后根據(jù)某一性能指標(biāo)的切換函數(shù)將被控系統(tǒng)的控制器切換至使性能指標(biāo)為最小的元素模型控制器上。 2 基于多模型自適應(yīng)控制器的感應(yīng)電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng) 2.1 變頻調(diào)速系統(tǒng)的多模型描述 在轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的同步旋轉(zhuǎn)系M_T中，根據(jù)參考文獻(xiàn)[7]，對(duì)感應(yīng)電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)描述如下： 式中： 在變頻調(diào)速過(guò)程中，b12的變化區(qū)間為[b21,b21]，將b21的攝動(dòng)區(qū)間功分為12個(gè)區(qū)間，即將電機(jī)參數(shù)模型集Ω分成12個(gè)模型子集Ωi（i=1,2Λ12），并且這些模型子集滿足： 對(duì)固定模型建立如下指標(biāo)切換函數(shù)： 式中，α為遺忘因子，滿足0<α<1 i=1，2Λ12 在固定模型輸出參數(shù)的同時(shí)，兩個(gè)自適應(yīng)模型也同步采用最小二乘法進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)，以得出電機(jī)系統(tǒng)的參數(shù)： 對(duì)自適應(yīng)模型建立如下指標(biāo)切換函數(shù)： 式中，L=1，2。在每個(gè)采樣周期，分別根據(jù)性能指標(biāo)（5）和（7）求取最接近電機(jī)系統(tǒng)的模型參數(shù)和辨識(shí)參數(shù)： 如果L（τ）≤i（τ），則表明此時(shí)模型集中有一個(gè)自適應(yīng)模型與真實(shí)的電機(jī)模型最為匹配，選擇該模型參數(shù)作為當(dāng)前時(shí)刻的對(duì)象模型參數(shù)，即θ(k)=θ"L(k)；并且如果此時(shí)L=2，則對(duì)第一個(gè)自適應(yīng)模型重新設(shè)定初值，即θ1(k)=θ"2L(k)。反之，如果i（τ）≤L（τ），則表明此時(shí)模型集中的某個(gè)固定模型與真實(shí)的對(duì)象模型最為匹配，于是θ1（κ）=θi(κ),同時(shí)對(duì)第一自適應(yīng)模型重新賦初值。 2.2 多模型自適應(yīng)控制器的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 基于多模型自適應(yīng)控制器實(shí)現(xiàn)的感應(yīng)電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)如圖1所示。圖42.3 仿真研究 選用的電機(jī)參數(shù)如下：電機(jī)型號(hào)為JQ2-52-4，額定功率為10kW,額定電壓為380V，額定電流為19.8A，額定轉(zhuǎn)速為1450r/min，額定頻率為50Hz。Rs=1.33Ω,Lm=0.2865H,Lr=0.3005H,Rr=1.12Ω,Ls=0.2942H,J=0.0618kg%26;#183;m2。轉(zhuǎn)子電阻攝動(dòng)40%時(shí)，由圖2可見(jiàn)，傳統(tǒng)矢量控制系統(tǒng)的最大動(dòng)態(tài)速降為74.5r/min，相當(dāng)于4.9%；由圖3可見(jiàn)，多模型控制系統(tǒng)的最大動(dòng)態(tài)速降為57.3 r/min，相當(dāng)于3.9%；由圖4可見(jiàn)，額定負(fù)載擾動(dòng)時(shí)，多模型控制系統(tǒng)的最大動(dòng)態(tài)速降為42.2 r/min，相當(dāng)于2.9%。仿真結(jié)果表明，多模型控制器實(shí)現(xiàn)的變頻調(diào)速系統(tǒng)比傳統(tǒng)矢量控制系統(tǒng)具有更為優(yōu)良的動(dòng)、靜態(tài)性能。 采用自適應(yīng)模型和固定模型共同組成的具有動(dòng)態(tài)調(diào)整能力的動(dòng)態(tài)優(yōu)化模型集，模型集每個(gè)時(shí)刻都在發(fā)生變化，以此逼近“真實(shí)"電機(jī)系統(tǒng)?；诠潭Ｐ驮O(shè)計(jì)的控制器保證了響應(yīng)速度，而基于自適應(yīng)模型設(shè)計(jì)的控制器保證了精度。 由于多模型自適應(yīng)控制器實(shí)現(xiàn)的感應(yīng)電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)離線地將電機(jī)參數(shù)存在的不確定性進(jìn)行了分區(qū)處理，可解決常規(guī)自適應(yīng)控制所無(wú)法解決的電機(jī)電阻存在的較大不確定性及電機(jī)電感的不確定性變化較快等難點(diǎn)問(wèn)題。針對(duì)電機(jī)參數(shù)存在的不確定性，由多模型自適應(yīng)控制器組成的感應(yīng)電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)在不同的頻率區(qū)段采用不同的控制器。系統(tǒng)具有優(yōu)良的動(dòng)靜態(tài)性能，為實(shí)現(xiàn)高性能變頻調(diào)速系統(tǒng)提供了一條新的思路。