苗立偉

摘? ?要：基于強(qiáng)化感應(yīng)電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速質(zhì)量及響應(yīng)速度的考量，文章設(shè)計出建立在神經(jīng)滑模變自抗擾控制的感應(yīng)電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)。應(yīng)用ADRC控制，在基礎(chǔ)上提升了調(diào)速系統(tǒng)控制品質(zhì)與控制精準(zhǔn)性能。綜合神經(jīng)逆控制思想，創(chuàng)建起神經(jīng)滑模變自抗擾控制器，減少系統(tǒng)的抖振現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)對感應(yīng)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、磁鏈等參數(shù)的最優(yōu)化控制。

關(guān)鍵詞：神經(jīng)滑模變自抗擾控制;感應(yīng)電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng);系統(tǒng)設(shè)計

感應(yīng)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、運(yùn)行精準(zhǔn)度較高等特征，在變頻調(diào)速系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用。但性能較高的感應(yīng)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展，在一定程度上限制于電機(jī)時變非線性特征?，F(xiàn)階段具有代表性的感應(yīng)電機(jī)變頻調(diào)速控制理論主要為轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比（Voltage/Frequency，V/F）控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制（Filed Oriented Control，F(xiàn)OC）與直接轉(zhuǎn)矩控制（Direct Torque Control，DTC）。本研究建立在已有研究成果基礎(chǔ)之上，提出基于神經(jīng)滑模自抗擾控制的感應(yīng)電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)。

1? ? 感應(yīng)電機(jī)現(xiàn)代控制技術(shù)簡述

1.1? 標(biāo)量控制

交流電機(jī)的標(biāo)量控制屬于基于非線性方程在穩(wěn)態(tài)平衡點(diǎn)上的線性化。從這一點(diǎn)來看，憑借電機(jī)的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，單純調(diào)節(jié)變量的大小，為此，控制效果均符合穩(wěn)態(tài)要求[1]。此種控制方法的優(yōu)勢為能夠應(yīng)用經(jīng)典的線性控制理論進(jìn)行控制器的設(shè)計。此種設(shè)計有助于調(diào)整非線性系統(tǒng)動態(tài)性能，轉(zhuǎn)變程度如何主要受到距離系統(tǒng)期望平衡點(diǎn)遠(yuǎn)近的影響[2]。但是，基于交流電機(jī)多變量系統(tǒng)，應(yīng)用標(biāo)量控制還存在一定的不足，具體表現(xiàn)為系統(tǒng)輸入與輸出之間的解耦難度較大。

1.2? 適量控制

為避免經(jīng)典標(biāo)量控制所存在的不足之處，有關(guān)學(xué)者提出矢量控制理論。此種手段能夠經(jīng)由轉(zhuǎn)矩漸進(jìn)解耦與對磁鏈的控制，促使交流電機(jī)性能與直流電機(jī)一樣，在設(shè)計控制器環(huán)節(jié)中還應(yīng)用到電機(jī)非線性數(shù)學(xué)模型。矢量控制手段的應(yīng)用建立在解耦與交換坐標(biāo)基礎(chǔ)之上[3]。矢量控制理論經(jīng)由對電機(jī)磁鏈的控制，將定子電流細(xì)分為轉(zhuǎn)矩與磁鏈，經(jīng)由非線性反饋電壓控制規(guī)律直接或是間接完成控制。但存在的一點(diǎn)問題是，基于轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶烤珳?zhǔn)度較難實(shí)現(xiàn)，且坐標(biāo)交換的復(fù)雜程度較高，很難獲取到良好的控制效果。除此之外，定子電流的解耦需要建立在明確的磁鏈空間位置之上，為此，在矢量控制系統(tǒng)中需要配備測量轉(zhuǎn)子位置或是速度的傳感器，導(dǎo)致整個系統(tǒng)裝置過于復(fù)雜且笨重。

1.3? 直接轉(zhuǎn)矩控制

直接轉(zhuǎn)矩控制屬于全新的控制手段。與矢量控制不同的是，應(yīng)用逆變器輸出的空間電壓矢量直接控制定子磁鏈?zhǔn)噶颗c電磁轉(zhuǎn)矩。在實(shí)踐中不需要轉(zhuǎn)速信息，可在坐標(biāo)下經(jīng)由交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制轉(zhuǎn)矩與磁鏈，極大地簡化了中間流程。直接轉(zhuǎn)矩空時也是電壓類型控制，具體為經(jīng)由空間電壓矢量對目標(biāo)定子的磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行調(diào)控，基于節(jié)省電流環(huán)，將空間電壓矢量直接設(shè)置在電子電感中，不涉及過渡過程，為此速度得到了顯著提升。但存在的一點(diǎn)問題是，缺少電流的直接控制會造成電流脈動的增加，進(jìn)而影響到啟動電流。

2? ? 感應(yīng)電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模

感應(yīng)電機(jī)屬于非線性時變控制對象，在實(shí)踐期間，電機(jī)電阻、電感、氣隙磁通過時可受到環(huán)境影響。基于分析便捷性的考量，常規(guī)會忽視諧波影響，提出立項(xiàng)的假設(shè)。依據(jù)已有研究結(jié)論以及數(shù)學(xué)邏輯推導(dǎo)，獲得感應(yīng)電機(jī)矢量控制下的數(shù)學(xué)模型公式如下：

在計算簡化期間，針對感應(yīng)電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型應(yīng)用Clarke交換與Park交換，經(jīng)由轉(zhuǎn)變，系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)簡化，在一定程度上減少變量之間的耦合程度與狀態(tài)變量數(shù)量。

3? ? 神經(jīng)滑模變自抗擾控制器設(shè)計

3.1? 滑模變自抗擾控制器結(jié)構(gòu)

在控制技術(shù)的不斷完善下，經(jīng)典比例、積分和微分（Proportion Integral Differential，PID）無法適應(yīng)系統(tǒng)精準(zhǔn)度與速度的需求，為此，有研究人員提出自抗擾控制技術(shù)。自抗擾控制技術(shù)控制器的結(jié)構(gòu)主要為跟蹤微分器和非線性反饋率以及自抗擾控制器等。在感應(yīng)電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型中能夠發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)子磁鏈在完成坐標(biāo)轉(zhuǎn)變期間，d軸磁鏈與電流存在耦合，借助于非線性控制理論對數(shù)學(xué)模型做解耦，不可避免地會形成一定的誤差，由此影響到最終控制效果?；诖?，應(yīng)用自抗擾技術(shù)能夠?qū)Υ藛栴}加以解決。在自抗擾控制器設(shè)計期間，應(yīng)用3個一階自抗擾控制器對調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速與電流以及位置進(jìn)行調(diào)控，不同控制器的參數(shù)調(diào)制均存在差異，完成自身工作。自抗擾控制器可進(jìn)行寬帶響應(yīng)轉(zhuǎn)速環(huán)與電流環(huán)的調(diào)控，但是控制參數(shù)較多。基于減少整定參數(shù)的考量，提升調(diào)速系統(tǒng)魯棒性，應(yīng)用了滑模變結(jié)構(gòu)，構(gòu)造滑模變自抗擾控制器。

3.2? 神經(jīng)滑模變自抗擾控制器的構(gòu)造與作用

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng)的設(shè)置建立在線性化、解耦成為偽線性系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上。逆系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)可分為有解析與無解析兩種方式。感應(yīng)電機(jī)屬于多輸入多輸出、強(qiáng)耦合非線性的高階系統(tǒng)，精準(zhǔn)數(shù)學(xué)模式較難應(yīng)用破解式進(jìn)行展現(xiàn)，僅能夠應(yīng)用類似模型來替代。基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可隨意精度逼近復(fù)雜靜態(tài)非線性函數(shù)，為此，應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)被控系統(tǒng)的逆系統(tǒng)，由此創(chuàng)造出非解析實(shí)現(xiàn)形式的逆系統(tǒng)?；Ｗ冏钥箶_控制器有助于提升感應(yīng)電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)響應(yīng)速度及精準(zhǔn)度，同時也能夠在一定程度上簡化參數(shù)整定數(shù)量，進(jìn)一步提升系統(tǒng)的魯棒性。但是，此控制器還需要將被控制對象精準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型作為前提基礎(chǔ)，但實(shí)際上感應(yīng)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)自身屬于多變量時變系統(tǒng)，構(gòu)建精準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型難度較大。為此，在系統(tǒng)中應(yīng)用到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆控制，借助于BP學(xué)習(xí)法持續(xù)靠近調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型與滑模變自抗擾控制函數(shù)，應(yīng)用歸一化處理數(shù)據(jù)訓(xùn)練與校驗(yàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

4? ? 仿真與結(jié)果

在Matlab中simulink環(huán)境下創(chuàng)建感應(yīng)電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)神經(jīng)滑模變自抗擾控制器仿真模型。感應(yīng)電機(jī)與空間矢量脈寬調(diào)制（Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM）模型利用S函數(shù)建模，位置控制器與速度調(diào)節(jié)器應(yīng)用PID調(diào)控;電流調(diào)節(jié)環(huán)應(yīng)用比例調(diào)節(jié)和積分調(diào)節(jié)（Proportional Integral Controller，PIC）。如表1所示，經(jīng)由持續(xù)調(diào)控仿真模型的參數(shù)，將伸進(jìn)滑模自抗擾控制調(diào)速系統(tǒng)與加入PID算法的變頻調(diào)速系統(tǒng)做對比。仿真結(jié)果顯示，加入神經(jīng)滑模自抗擾控制算法的變頻調(diào)速系統(tǒng)相對于僅僅加入傳統(tǒng)PID控制變頻調(diào)速系統(tǒng)，在調(diào)速質(zhì)量、平溫度、響應(yīng)速度上均具有更大的優(yōu)勢。在Simulink環(huán)境做仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，基于神經(jīng)滑模自抗擾控制感應(yīng)電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的平溫度以及高速響應(yīng)速度等優(yōu)勢，整個系統(tǒng)的可靠性均有所提升。

5? ? 結(jié)語

在電機(jī)控制理論、現(xiàn)代控制理論與非線性控制理論的完善下，為感應(yīng)電機(jī)變頻調(diào)速向高性能方向發(fā)展提供理論支持。感應(yīng)電機(jī)自身屬于多變量、非線性的時變系統(tǒng)，電磁轉(zhuǎn)矩、速度等實(shí)現(xiàn)控制的難度較高，促使電機(jī)的調(diào)速性能沒有辦法提升。經(jīng)本次研究發(fā)現(xiàn)，在感應(yīng)電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中引入神經(jīng)滑模變自抗擾控制器，可促使整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性、速度、抗干擾強(qiáng)度等均得到提升。

[參考文獻(xiàn)]

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