（控制理论与控制工程专业论文）滑模变结构理论及其在交流伺服系统中的应用研究.pdf

浙江大学博士学位论文 摘要 白8 0 年代以来，永磁交流伺服技术得到了迅速发展，利用交流伺服电动机 构成的系统也越来越呈现多样化和复杂化，对伺服控制提出了更高的要求：即希 望伺服系统具有一定的自适应能力和较强的抗干扰能力。滑模变结构控制器由于 具有响应快、鲁棒性好、设计实现方便等优点，已被逐步应用于电力传动控制领 域。该理论在工程应用中最大的障碍是高频开关控制带来的抖动现象。本文在对 永磁同步电动机( p m s m ) 的数学模型和控制理论进行全面、深入研究的基础上， 应用滑模变结构控制理论，克服系统的参数变化和外界扰动的不良影响，以实现 具有一定自适应能力的高性能交流伺服系统。 本论文的研究内容包括： 1 、首先建立一套交流伺服系统试验研究装置。选用产品化的交流伺服电动 机及其驱动器作为控制对象，以上位计算机作为伺服控制器，并研制了一个位控 接口模板将二者联系起来，从而构成灵活的伺服控制系统，各种控制算法均可通 过微机中的软件编程来实现。 2 、对交流伺服系统及滑模变结构理论的发展现状进行了较为详细的评述， 分析了在交流伺服系统中应用滑模变结构策略的优缺点。 3 、在对永磁同步电动机( p m s m ) 的数学模型进行分析的基础上，利用矢 量控制原理，设计了一种新型等效滑模电流控制器，以改善p m s m 的相电流波 形，减少转矩脉动，仿真结果验证了该方法的有效性。 4 、为解决传统变结构控制的抖动问题，本文采用动态滑模变结构方法，利 用输出的积分特性消除抖动，同时加入误差积分项改善系统的稳态误差。通过对 交流伺服系统速度控制器的仿真试验，结果表明该方法能有效削弱抖振。 5 、将模糊控制与滑模变结构控制相结合，提出一种基于“距离”的模糊滑 模变结构控制策略，并利用自学习算法改善系统性能，在试验装置基础上对该方 法进行了试验研究，仿真与试验结果表明该方法能消除抖振，具有较好的鲁棒性， 且控制简单易实现，具有一定的实用性。 关键词：永磁交流伺服系统，滑模变结构，电流控制器，模糊控制 肇墨作糟、导师闻慧 垒文公书 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t p e r m a n e n tm a g n e ta cs e r v ot e c h n i q u eh a sg r o w n r a p i d l ys i n c e1 9 8 0 s b e c a u s e t h ea p p l i c a t i o n so fa cs e r v o m o t o r sb e c o m em o r ea n dm o r ec o m p l e x ，m a n y h i g h e r r e q u e s t s a r eo f f e r e d t h es e r v os y s t e m sa r eh o p e dt oh a v et h ea b i l i t yo f a d a p t a t i o na n d b e a e r p e r f o r m a n c ea g a i n s td i s t u r b a n c e v a r i a b l es t r u c t u r es l i d i n gm o d ec o n t r o l l e rh a s b e e na p p l i e dg r a d u a l l yi nt h ee l e c t r i cd r i v e sb e c a u s eo fi t sa d v a n t a g eo fr o b u s ta n d e a s yr e a l i z a t i o n t h em o s ti m p o r t a n td r a w b a c ki ne n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o ni st h e c h a t t e r i n gc a u s e db yh i g hf r e q u e n c ys w i t c h i n gc o n t r 0 1 b a s e do n t h ec o m p r e h e n s i v e l y d e e pr e s e a r c ho nt h ep m s m sm a t h e m a t i c sm o d e la n dc o n t r o lt h e o r y , i no r d e rt o o v e r c o m et h e b l i g h t c a u s e db yp a r a m e t e rv a r i a n ta n do u t s i d e d i s t u r b a n c e ，t h e “v a r i a b l es t r u c t u r es l i d i n gm o d e t h e o r yi sa d o p t e dt or e a l i z eh i g hp e r f o r m a n c ea c s e r v os y s t e ml j 曲a d a p t a t i o n t h ec o n t e n to f t h i sr e s e a r c hf a i l si n t ot h ef o l l o w i n g ： 1 as e to f r e s e a r c h e q u i p m e n t o fa cs e r v os y s t e mw a sb u i l tu p f i r s t l y t h ep r o d u c t o fa cs e r v om o t o ra n dd r i v e sa r es e l e c t e da st h ec o n t r o l l e do b j e c t ，p ca c t e da st h e s e r v oc o n t r o l l e r , b o t ho ft h e mw a sc o n n e c t e dw i t hai n t e r f a c eb o a r df o rp o s i t i o n c o n t r 0 1 t h e e q u i p m e n tw a ss o f l e x i b l et h a t a n ys e r v oc o n t r o la l g o r i t h mc a nb e r e a l i z e db yt h ep r o g r a mi nt h ec o m p u t e r 2 i tg i v e sad e t a i l e dc o m m e n to nt h ep r e s e n td e v e l o p m e n to ft h ea cs e r v os y s t e m a n dv a r i a b l es t r u c t u r e s l i d i n gm o d e ，a n da n a l y z e st h em e r i t sa n dd r a w b a c k so ft h e a p p l i c a t i o n s o na cs e r v os y s t e mo fv a r i a b l es t r u c t u r es l i d i n gm o d e 3 b a s e do nt h ec o m p r e h e n s i v e l yd e e pr e s e a r c ho nt h ep m s m sm a t h e m a t i c s m o d e l ，an e w l ye q u i v a l e n ts l i d i n gm o d ec u r r e n tc o n t r o l l e ri sp r e s e n t e du s e db y f i e l d - o r i e n t e d c o n t r o l ，w h i c hi m p r o v e s t h es t a t o r - c u r r e n tw a v e f o r mo fp m s m ， d e c r e a s e st h et o r q u er i p p l e t h ec o n c l u s i o na b o v ei sv e r i f i e db yt h es i m u l a t i o nr e s u l t s 4 i no r d e rt os o l v et h ec h a t t e r i n gb r o u g h ta b o u t b ys t r u c t u r ev a r i a n to fc o n t r o l l e r , a d e s i g nm e t h o d o f d y n a m i cs l i d i n gm o d e i na cs e r v os y s t e mi sp r o p o s e d t h ec o n t r o l s i g n a lp r o d u c e sa n e f f e c t i v ec h a a e r i n gr e d u c t i o na f t e ri n t e g r a t i o n s ，a n dt h ea d d i t i o no f t h et r a c k i n ge r r o ri n t e g r a t i o nc a ne l i m i n a t et h es t e a d y s t a t ee r r o r t h es i m u l a t i o no f i i 浙江大学博士学位论文 v e l o c i t yc o n t r o l l e ro f a cs e r v os y s t e ms h o w s t h a tt h em e t h o dc a r le f f e c t i v e l yd e c r e a s e t h ec h a t t e r i n g 5 c o m b i n e dt h ef u z z yc o n t r o la n dt h es l i d i n gm o d ec o n t r o l ，a na p p r o a c h o f d i s t a n c e b a s e df s m ci sp r e s e n t e d ，a n dp r o v i d e sl e a r n i n ga l g o r i t h m s t o i m p r o v e s y s t e mp e r f o r m a n c e t h e r e s u l t so fs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t ss h o w t h a tt h em e t h o d a b o v ec a ne l i m i n a t et h ec h a t t e r i n g ，r o b u s t t ot h e p a r a m e t e r sc h a n g e a n dl o a d d i s t u r b a n c e ，a n dr e a l i z ee a s i l y k e y w o r d s ：p m a cs e r v os y s t e m v a r i a b l e s t r u c t u r es l i d i n gm o d e ，。u 玎。“t c o n t r o l l e r ，f u z z yc o f l t r 0 1 i i i - 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 交流伺服系统的发展现状及其主要趋势 7 0 年代末以来，随着电力电子学、微电子学、传感技术、永磁技术和控制理 论的惊人发展，交流伺服系统的研究和应用取得了举世瞩目的发展，已具备了宽 调速范围、高稳速精度、快速动态响应及四象限运行等良好的技术性能，其动静 态特性已完全可与直流伺服系统相媲美，多年来的“交流伺服取代直流伺服”这 一愿望正逐渐变为现实。可以预见，交流伺服系统的研究将继续成为电气传动领 域的一个研究热点，并将带动相关产业的迅猛发展“1 1 。 交流伺服系统按其采用的驱动电动机的类型来分，主要有两大类：永磁同步 ( s m 型) 电动机交流伺服系统和感应式异步( i m 型) 电动机交流伺服系统。 永磁交流伺服电动机具有高转矩重量比、低转动惯量、易散热、效率高、 可靠性高、易于维护保养、与直流伺服电动机相比在相同功率下具有较小的重量 和体积等优点。永磁同步电动机交流伺服系统在技术上已趋于完全成熟，具备了 十分优良的低速性能，并可实现弱磁高速控制，拓宽了系统的调速范围，适应了 高性能伺服驱动的要求。并且随着永磁材料性能的大幅度提高和价格的降低，其 在工业生产i h 动化领域中的应用将越来越广泛，目前已成为交流伺服系统的主 流。 感应式异步电动机交流伺服系统由于感应式异步电动机结构坚固，制造容 易，价格低廉，因而具有很好的发展前景，代表了将来伺服技术的方向。但由于 该系统采用矢量变换控制，相对永磁同步电动机伺服系统来说控制比较复杂，而 且电机低速运行时还存在着效率低，发热严重等有待克服的技术问题，目前并未 得到普遍应用【5 】。 综合交流伺服系统的发展与现状，可以十分清楚地看出其发展趋势。主要 有以下几个方面7 】： 一交流化 伺服技术将继续迅速地由d c 伺服系统转向a c 伺服系统。从目前国际市场 - 1 - 浙江大学博士学位论文 的情况看，几乎所有的新产品都是a c 伺服系统。在工业发达幽家，a c 伺服电 机的市场占有率已经超过8 0 。在国内生产a c 伺服电机的厂家也越来越多， 正在逐步地超过生产d c 伺服电机的厂家。町以预见，在不远的将来，除了在某 些微型电机领域之外，a c 伺服电机将完全取代d c 伺服电机。 二数字化 采用新型高速微处理器和专用数字信号处理机( d s p ) 的伺服控制单元将全 而代替以模拟电子器件为主的伺服控制单元，从而实现完全数字化的伺服系统。 在9 0 年代末，已经出现了电流环、速度环、位置环全部采用数字控制的新产品。 全数字化的实现，将原有的硬件伺服控制变成了软件伺服控制，从而使在伺服系 统中应用现代控制理论的先进算法( 如：最优控制、人工智能、模糊控制、神经 元网络等) 成为可能。比如在1 9 9 7 年北京国际机床博览会上展出的最新产品中， 采用模糊逻辑作加减速控制的a c 伺服系统，已获得较之普通伺服系统平滑得 多的加减速曲线。 三采用新型电力电子半导体器件 目前，伺服控制系统的输出器件越来越多地采用开关频率很高的新型功率半 导体器件，主要有大功率晶体管( g t r ) 、功率场效应管( p m o s f e t ) 和绝缘门 极晶体管( i g p t ) 等。这些先进器件的应用显著地降低了伺服单元输出回路的 功耗，提高了系统的响应速度，降低了运行噪声。尤其值得一提的是，最新型的 伺服控制系统已经开始使用一种把控制电路功能和大功率电子开关器件集成在 一齐的新型模块，称为智能控制功率模块( i n t e l l i g e n t p o w e r m o d u l e s ，简称i p m ) 。 这种器件将输入隔离、能耗制动、过温、过压、过流保护及故障诊断等功能全部 集成于一个不大的模块之中。其输入逻辑电平与1 v r l 信号完全兼容，与微处理 器的输出可以直接接口。它的应用显著地简化了伺服单元的设计，并实现了伺服 系统的小型化和微型化。 四高度集成化 代表9 0 年代最新水平的伺服系统产品改变了将伺服系统划分为速度伺服单 浙江大学博士学位论文 元与位置伺服单元两个模块的做法，代之以单一的、高度集成化、多功能的控制 币元。同一个控制单元，只要通过软件设置系统参数，就可以改变其性能，既可 以使用电机本身配置的传感器构成半闭环调节系统，又可以通过接口与外部的位 置或速度或力矩传感器构成高精度的全闭坏调节系统。高度的集成化还显著地缩 小了整个控制系统的体积，使得伺服系统的安装与调试工作都得到了简化。 五智能化 智能化是当前一切工业控制设备的流行趋势，伺服驱动系统作为一种高级 的工业控制装置当然也不例外。最新数字化的伺服控制单元通常都设计为智能型 产品，它们的智能化特点表现在以下几个方面。首先他们都具有参数记忆功能， 系统的所有运行参数都可以通过人机对话的方式由软件来设置，保存在伺服单元 内部。通过通信接口，这些参数甚至可以在运行途中由上位计算机加以修改，应 用起来十分方便。其次它们都具有故障自诊断与分析功能，无论什么时候，只要 系统出现故障，就会将故障的类型以及可能引起故障的原因通过用户界面清楚地 显示出来，这就简化了维修与调试的复杂性。除以上特点之外，有的伺服系统还 具有参数自整定的功能。众所周知，闭环调节系统的参数整定是保证系统性能指 标的重要环节，也是需要耗费较多时间与精力的工作。带有自整定功能的伺服单 元可以通过几次试运行，自动将系统的参数整定出来，并自动实现其最优化。对 于使用伺服单元的用户来说，这是新型伺服系统最具吸引力的特点之一。 六模块化和网络化 在国外，以工业局域网技术为基础的工厂自动化( f a c t o r y a u t o m a t i o n 简称 f a ) 工程技术在最近十年来得到了长足的发展，并显示出良好的发展势头。为 适应这一发展趋势，最新的伺服系统都配置了标准的串行通信接口( 如r s - - 2 3 2 c 或r s - - 4 2 2 接口等) 和专用的局域网接口。这些接口的设置，显著地增强了伺 服单元与其它控制设备间的互联能力，从而与c n c 系统问的连接也由此变得十 分简单，只需要一根电缆或光缆，就可以将数台，甚至数十台伺服单元与上位计 算机连接成为整个数控系统，。也可以通过串行接口，与可编程控制器( p l c ) 的数控模块相连。 浙江大学博士学位论文 1 2 交流伺服系统控制策略综述 控制策略在交流伺服中发挥着至关重要的作用，优良的控制策略不但可以 弥补硬件设计方面的不足，而且能进一步的提高系统的性能。控制策略主要包括 交流电机控制技术和系统的主要调节控制策略。高性能交流伺服系统对控制策略 的要求可概括为：不但要使系统具有快的动态响应和高的动、静态精度，而且系 统要对参数的变化和扰动具有不敏感性。本文的重点也正是研究高性能智能交流 伺服系统的控制策略问题。 从交流伺服系统的具体结构形式来看，典型的结构是被设计成为含位置环、 速度环、电流环的三环结构( 如图1 1 所示) 。位置环对整个系统的动静态性能 具有不占而喻的重要影响。电流环、速度环虽为内环，但它们的设计质量对整个 系统的性能也至关重要。电流内环至少有下面几个作用【6 】：改造内环控制对象， 提高系统的快速性；及时抑止电流环内的干扰；限制最大电流，保证系统的安全 运行。速度环的作用则是增强系统抗负载扰动的能力。因此，要设计出高性能的 交流伺服系统，需要针对各环的具体情况采取相应的合理控制策略。 图1 1 三环结构的交流伺服系统 随着微电子技术、微处理器技术、控制技术的发展，伺服控制技术已经迅 速地从模拟发展到数字。数字控制使得以前许多在模拟控制中难以实现的先进但 算法复杂的策略得以应用到当今的高性能伺服系统。目前，在交流伺服系统中应 用的各种控制技术和策略可大致分为以下3 类： 1 ) 针对交流电机数学模型的控制策略【1 0 , 1 3 , 1 6 , 1 8 , 1 9 。如：转速开环恒压频比 控制、转差频率控制、矢量控制、解耦控制、直接转矩控制等； 2 ) 基于现代控制理论的控制策略。如：最优控制、自适应控制、变结构控 浙江大学博士学位论文 制等； 3 ) 基于智能控制思想的控制策略。如：专家控制、模糊控制、自学习控制、 神经网络控制、遗传算法等。 高性能交流伺服系统的发展离不开先进控制策略的成功应用。纵观交流伺 服系统控制策略的发展，先后有大量的方式方法，其中有代表性的有：转速开环 恒压频比控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制、非线性控制、自适应 控制、滑模变结构控制与智能控制等。此外，无速度传感器的控制技术也成为近 年研究热点。 1 2 1 针对交流电机数学模型的控制策略 一恒压频比控制与转差频率控制 要使电机的转速得到快速响应，必须有效地控制转矩。开环恒压频比控制 只控制了电机的气隙磁通，而不能调节转矩，性能不高：转差频率控制能够在一 定程度上控制电机转矩，但它依据的只是稳态模型，并不能真正控制动态过程中 的转矩，从而得不到很理想的动态控制性能7 。 二矢量控制 1 9 7 1 年，由德国s i m e n s 公司的fb l a s e h k e 提出的矢量控制理论将交流传动 的发展向前推进了一大步，使交流电机控制理论获得第一次质的飞跃。其基本原 理为：以转子磁链这旋转空问矢量为参考坐标，将定子电流分解为相互正交的 两个分量，一个与磁链同方向，代表定子电流励磁分量，另一个磁链方向正交， 代表定子电流转矩分量，然后分别对其进行独立控制，获得象直流电机一样良好 的动态特性。 尽管矢量控制方法从理论上可以使异步电机传动系统的动态特性得到显著 改善，但也带来一些问题，即太理论化，实现时要进行复杂的坐标变换，并需准 确观测转子磁链，而且对电机的参数依赖性很大，难以保证完全解耦，使其控制 效果打了折扣。从电机本身看，其参数具有一定时变性，特别是转子时间常数， 它随温度和激磁电感的饱和而变化，矢量控制系统对参数变化的敏感性使得实际 浙江大学博士学位论文 控制效果难以达到理论分析的结果。即使电机参数与转子磁链被精确知道，也只 有稳态的情况下才能实现解耦，弱磁时耦合仍然存在。另外，矢量控制理论首先 是认为电机中只有基波正序磁势，这和实际差别不小，所以一味追求精确解耦并 不一定能得到满意的结果。而且，采用普通p i 调节器的矢量控制系统，其性能 受参数变化及各种不确定性影响严重，即使在参数匹配良好的条件下能取得好的 性能，旦系统参数发生变化或受到不确定性因素的影响，则导致性能变差。 三解耦控制 由于交流电机是非线性、多变量、强耦合系统，进行坐标变换后虽然使模 型得到了简化，但并不能改变其强耦合的性质。电机转矩与磁通之间存在着很强 的耦合关系，于是人们从多变量控制理论出发，提出了解耦控制。 可把解耦控制的方法分成两种：第一种方法是将数学模型在工作点附近作 偏微分线性化，利用线性多变量系统理论设计前馈补偿器，使系统的系数矩阵对 角化或对角优势化，从而得到解耦的线性控系统：第二种方法是采用非线性系统 反馈线性化理论设计出非线性解耦控制系统。 其具体方法之一标量解耦控制法，其基本思想是：通过在异步机的转矩信 号输入端与磁链输入端加一标量解耦环节，使得转矩输入信号通过这个标量解耦 环节，再经由磁链控制通道对转子磁链的影响正好合电机内部的耦合作用相抵消 从而达到解耦的目的。 解耦控制式继矢量控制这一研究成果之后，人们提出的又一个较完善的控 制原理。与矢量控制系统相比，标量解耦法的优点是使电机转子参数对系统性能 的影响减少到了最低限度，从而提高了静态动念特性，实现了恒励磁，速度无静 差，转矩快速跟踪，对参数的变化不敏感，鲁棒性好等【2 7 4 0 1 。不过，目前解耦控 制的应用目前尚在理论探索阶段。 四直接转矩控制 1 9 8 5 年，d e p e n b r o c k 教授提出异步电机直接转矩控制方法。该方法的特点 是：用空间矢量的分析方法直接在定子坐标系下计算与控制交流电机的转矩，采 用定子磁场定向，借助于离散的两点式调节p w m 信号，直接对逆变器的丌关状 浙江大学博士学位论文 态进行最佳控制以获得转矩的高动态性能。直接转矩控制省掉了复杂的矢量变换 与对电动机模型的简化处理，没有通常p w m 信号发生器，其磁场定向所用的是 定子磁链，只要知道定予电阻就可以把它观测出来。因此，直接转矩控制大大减 少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响的问题，很大程度上克服了矢量 控制的缺点。而日，由于采用直接转矩控制，逆变器的切换频率低，电机磁场接 近圆形，谐波、损耗、噪声及温升都较小，所以其性能全面优于一般的矢量控制， 是一种具有高动静态性能的交流调速方案【2 8 l 。 直接转矩控制的研究虽已取得了很大进展，但是它在理论和实践上还不够 成熟，如低速性能、带负载能力等。而且由于它对实时性要求高，计算量大，若 没有新一代高速的微处理器，要实现直接转矩控制是不可想象的。 以上介绍的几种控制策略主要是针对交流电机数学模型的，若将它们应用 于交流伺服系统的内环，对改善伺服电机调速的动态特性会起到良好的作用。但 是，纯粹基于电机数学模型的控制策略，存在一个很大的弱点，就是不可避免得 要受到电机参数变化的影响，而且对交流电机数学模型的认识还需进一步提高。 因此，人们开始将诸如自适应控制、滑模变结构控制、模糊控制等基于现代控制 理论及智能控制思想的控制方法应用于高性能调速系统的研究，以使系统获得更 好的鲁棒性。 1 2 2 基于现代控制理论的控制策略 将现代控制理论的最新成果引入伺服系统的控制之中，一直是伺服系统研 究者们进行的工作之一，随着微处理器功能的不断提高，价格的下降，为实现这 一工作提供了强有力的技术保障。目前现代控制理论的各种新成果已被广泛引入 交流伺服系统的研制之中，包括基于线性调节器理论的极点配置、最优控制、自 适应控制和滑模变结构控制等。 一线性调节器理论和状态观测器理论 采用线性调节器理论设计控制器，一方面利用了系统状态的全部信息进行线 性反馈，可以得到较之常规控制更加优良的性能。另一方面，控制只是系统状态 变量的线性组合，在工程上也是易于实现的。 塑婆查兰竖主兰竺鲨塞 在具体设计中，常用的方法是采用极点配置。在对系统进行极点配置时，首 先根据系统期望的动态特性确定系统的期望极点，并由此确定系统的期望特征方 程。然后，由此期望特征方程和系统的有关系数确定闭环系统的反馈增益矩阵。 由于在极点配最设计时，需要系统的全状态反馈，而有一些状态变量可能不 易直接测量或测量设备过于昂贵，这是就需要用状态观测器理论来设计状态观测 器。状态观测器的任务就是通过系统的输入和输出变量，将不能直接测量出来的 状态变量计算出来。必须指出，只有当系统满足可观性条件时，才能进行状态观 测。在伺服系统中，位置和速度信号可直接测量得到，而加速度信号则需用一个 降维观测器来重构。 在进行观测器设计时，也是先选择观测器的期望极点，然后求取反馈增益阵， 其设计方法与极点配罨的设计方法类似。期望特征值决定状态观测值收敛于系统 的状态实际值得快慢。通常，期望特征值得选择是使观测器的响应时间比闭环系 统的响应时间快4 至5 倍。 不过线性调节器理论只适用于特性已知的线性定常系统，当对象存在于非线 性特性、参数时变和较复杂的干扰等情况时，也难于得到良好的控制效果。 二反馈线性化控制 从本质上肴，交流电机是一个强耦合、非线性、多变量系统。应用非线性 控制理论研究其控制策略，更能揭示问题的本质。1 9 8 7 年首次将基于微分几何 地非线性反馈线性化理沦应用于开关磁阻电机控制，取得了优良性能。同年 k r z e m i n s k iz 在慕尼黑i f a c 大会上发表了感应电机非线性控制的论文，从而使 非线性反馈线性化理论在交流传动中的应用得到了发展。 非线性反馈线性化是研究非线性控制系统的一种有效方法，它通过非线性 状态反馈和非线性变换，实现系统的动态解耦和全局线性化，将非线性、多变量、 强耦合的交流异步电动机系统分解为两个独立的线性单变量系统，其中转子磁链 子系统山两个惯性环节组成，转速子系统由一个积分环节和一个惯性环节组成， 两个子系统的调节器按线性控制理论分别设计，以使系统达到预期的性能指标。 然而，非线性系统反馈线性化理论是采用坐标变换及状态或输出反馈校j 下 非线性系统的动力学特性，如果单纯地对线性化了的系统进行鲁棒控制器设计， 浙江大学博士学位论文 并不定能得到满意的效果。另一方面，非线性系统反馈线性化的基础是已知参 数的电动机模型和系统动态的精确测量或观测。但电动机在运行过程中参数会发 生变化，而且磁链观测的准确性很难保证，些都不可避免地影响系统的鲁棒性， 甚至会使系统性能恶化，因而至今尚未形成能够取代已有控制系统的实用新型系 统【”j 。 三最优控制 作为多输入多输出控制系统的设计方法，最优控制理论非常有用。最优控制 系统是从使评价函数取得最小值得角度出发求得的控制系统。作为期结果，系统 得到的极点配置非常好。此外，在针对非最小相移系统的控制系统的设计上这也 足哥十有特色的实用方法。因为对于非最小相移系统，当零点在s 平面的右半平 面时，有些方法可能无法进行设计或对系统稳定性有很大的影响；而采用最优控 制理论时，就不用知道系统是否为最小相移系统，也不用了解零点情况便可进行 设计。 对于形如膏= 厂( x ，甜，f ) 的系统，最优控制问题可以叙述为：在给定的容许控制 集合u 中选择一种容许控制u ( t ) ，使得对应满足该系统的解x ( t ) 是满足所有端点 约束和状态约束条件的容许轨线，并使得与容许对u ( t ) ，x ( t ) 相对应的性能指标 最小。 总的来说，最优控制在解决高跟踪精度与优良动态品质之间的矛盾方面取得 了一定的成果。但最优控制往往需要较多的先验知识，如对象的模型参考以及干 扰的统计特性等，其鲁棒性较差。 四自适应控制 自适应控制与常规反馈控制一样，也是一种基于数学模型的控制方法，所 不同的是自适应控制所依据的关于模型和扰动的先验知识比较少，需要在系统运 行过程中不断提取有关模型的信息，使模型逐渐完善，所以是克服参数变化影响 的有力手段。 目前，应用于电机控制的自适应方法有模型参考自适应、参数辨识白校正 控制以及新发展的各种非线性自适应控制。在伺服系统中应用较多的是m r a c 浙江大学博士学位论文 控制方式，其最先由美国麻省理工学院( m i t ) 的w h i t a k e r 提出，其方案如图所 示。参考模型作为控制系统的一部分，它的输出设计成为期望得到的被控系统的 理想输出。这样，系统由内环和外环组成，内环为由调节器组成的过程环，外环 则根据参考模型的输出与系统实际输出的误差来改变调节器的控制参数。m r a c 的关键是确定适当地自适应调节律。它应该既能使系统稳定也能使其误差减少到 零。最早出现的m r a c 系统设计方法是局部参数最优化设计方法，但这种方法 不能保证系统的稳定性。其后的设计方法都是利用稳定性理论方法得到的，如李 亚普诺夫稳定理论设计方法和波波夫超稳定理论设计方法。 但所有这些方法都存在的问题是：( 1 ) 数学模型和运算繁琐，使控制系统 复杂化；( 2 ) 辨识和校正都需要一个过程，所以对一些参数变化较快的系统，就 会因来不及校正而难以产生很好的效果。 五滑模变结构控制 滑模变结构控制是变结构控制系统的。”一种控制策略，它与常规控制的根本 区别在于控制的不连续性，即一种使系统“结构”随时变化的开关特性。其主要 特点是，根据被调量的偏差及其导数，有目地的使系统沿设计好的“滑动模态” 轨迹运动。这种滑动模态是可以设计的，且与系统的参数及扰动无关，因而使系 统具有很强的鲁棒性。另外，滑模变结构控制不需要任何在线辨识，当扰动出现 时系统响应和调整速度快，控制率綮定方法简单，所以很容易实现。但其也存在 致命缺点：主要是由控制量开关切换带来的抖动，可能会引起非模型的动态响应 和机械损伤。 在过去1 0 多年里，将滑模变结构控制应用于交流传动一直是国内外学者的 研究热点，并且已取得了一些有效的结果。 1 2 3 基于智能控制思想的控制策略 在交流伺服系统控制中，依据经典的以及各种近代控制理论提出的控制策 略都有一个共同的问题，即控制算法依赖于电动机模型，当模型受到参数变化和 扰动作用的影响时，系统性能将受到影响，如何抑制这种影响一直是一大课题。 上述自适应控制和滑模变结构控制是解决这个课题的有效策略，结果发现它们又 浙江大学博士学位论文 各有其不足之处。近年来，十分受控制界重视的智能控制，由于它能摆脱对控制 对象模型的依赖，能够在处理有不精确性和不确定性的问题中有可处理性、鲁棒 性，因而将智能控制引入交流伺服控制成为一个必然的趋势。 智能控制理论是自动控制学科发展里程中的一个崭新阶段，与传统的经典、 现代控制方法相比，具有一系列独到之处。首先，它突破了传统控制理论中必须 基于数学模型的框架，不依赖或不完全依赖于控制对象的数学模型，只按实际效 果进行控制。其次，继承了人脑思维的非线性，智能控制器也具有非线性特征； 同时，利用计算机控制的便利，可以根据当前状念切换控制器的结构，用变结构 的方法改善系统的性能。在复杂系统中，智能控制还具有分层信息处理和决策的 功能。因此，智能控制也被成为继经典控制和现代控制之后的第三代自动控制技 术。 利用智能控制的非线性、变结构、自寻优等各种功能来克服交流伺服系统 变参数与非线性等不利因素，可以提高系统的鲁棒性。目前智能控制在交流伺服 系统应用中较多的，包括：专家控制、模糊控制、自学习控制、神经网络控制、 遗传算法等，而且大多是在模型控制基础上增加一定的智能控制手段，以消除参 数变化和扰动的影响。 一专家系统及专家控制 专家系统是人工智能应用领域的一个重要分支，人工智能的理论和方法( 如知识表示、搜索策略) ，主要是以专家系统的形式得到实际应用。一般认为： 专家系统是一种计算机程序，它在某些特定领域中，能以人类专家的水平去解决 问题，在某些方面甚至可能超过人类专家。 专家控制器的工作过程就是将给定值、测量数据、波形特征等作为当前事实， 与控制规则相匹配，从而得到控制量。控制规则体现的是专家的专门只是和经验， 为了使控制器能随着对象特性的变化自动调整控制参数，不断改善系统性能，一 般还可以给他设置学习环节。 目前，人们已经开始将专家控制应用于快响应的电气传动系统的研究8 们。 二模糊控制 浙江大学博士学位论文 模糊控制是利用模糊集合来刻画人们日常所使用的概念中的模糊性，使控 制器能更逼真地模仿熟练操作人员和专家的控制经验与方法，它包括精确量的模 糊化、模糊推理、模糊判决三部分。模糊控制系统基本结构包括：模糊化接l 、 模糊推理机、模糊规则库、非模糊化接口几个部分。 模糊控制的最大优点是它不依赖被控对象的精确数学模型，并且能克服非 线性因素的影响，对被控对象的参数变化的参数变化不敏感，即具有较强的鲁棒 性，因此它是解决不确定性系统控制的一种有效途径。但它对信息进行简单的模 糊处理会导致被控系统精度的降低和动态品质变差。为了提高系统的精度则必然 要增加量化等级，从而导致规则的迅速增多，因此影响规则库的最佳生成，且增 加系统的复杂性和推理时间。因此一般都需要与其他控制方法相结合( 如与滑模 控制的结合) ，才能获得优良的性能2 3 1 。 三神经网络控制 神经网络则是多个神经元通过互联构成的网络，常见的神经网络交接结构 有包括无反馈前向多层网络、有反馈前向多层网络、层内有互联的多层前馈网络、 任意元可能有连接的相互结合型网络等。 神经网络的特点包括：信息存储是分布式的( 这使得网络具有很强的信息 容错性、鲁棒性和联想记忆功能) ；具有自适应性和自组织性( 来源于连接的多 样性极连接强度的可塑性) ；采用并行处理方式( 这使得处理速度变得非常优越) ； 层次性( 这是由网络的互联结构决定的) 。 近来，随着对神经网络的研究不断深入，其在控制领域的应用也取得了可 惜的进展。神经网络控制在交流伺服中的应用主要有下面几个方面：( 1 ) 代替传 统的p i d 控制；( 2 ) 由于实际的矢量控制效果对传动系统参数很敏感，将神经 网络用于电机参数的在线辨识、跟踪，并对磁通及转速控制器进行自适应调整： ( 3 ) 感应电机矢量控制需要知道转子磁通的瞬时幅度与位置，无速度传感器矢 量控制还需要知道转速。神经网络被用来精确估计转子磁通幅值、位置及转速： ( 4 ) 结合模型参考自适应控制，将神经网络控制器用于自适应速度控制器。 目前，国内外将人工神经网络( a n n ) 用于控制系统设计的方法和结构很 多，但由于硬件设备的限制，大部分研究停留在试验仿真或试验阶段2 4 - 2 6 。 浙江大学博士学位论文 四学习控制( 包括遗传学习) 学习控制是f _ | 本学者s a r i m o t o 等人于1 9 8 5 年提出的。学习控制是对系统 运行的未知信息进行学习，并把学习的信息作为一种经验运用到未来的决策和控 制之中去。 学习控制对于具有可重复性运动的工业机器人、数控机床等被控对象有着广 泛的应用前景，而它们又都包含有多个满足一定动、静态性能指标的位置伺服系 统。因此，研究位置伺服系统的学习控制具有一定的典型性。不过应该指出，学 习控制本身不能克服系统的随机干扰。文献( 8 1 ) 对位置伺服系统的学习控制进行 了试验研究，并对系统滞后造成学习发散提出了3 种解决方法。 一般来说，自学习控制也常是与其他控制方法结合在一起的瞄】。例如，目 前模糊控制的一个引人注目的研究方向就是自学习模糊控制，这种控制是走向更 高层次智能控制的一种过渡。 五预测控制 预测控制将人类能通过对未来情况的把握来确定当前行动的能力引入了控 制领域。在控制领域，如何恰当地利用未来信息，并因此而提高控制系统的性能 方面，已经在理论上取得了许多引人注目的进展。 在机器人、数控机床等机电领域中，可以利用未来目标值等未来信息的情况 是很多的。在这种情况下，根据当前目标值，以及未来目标值和未来外部干扰等 信息来共同确定当前的控制方案，无疑是一件很有价值的思路。预测伺服系统就 是希望通过对目标信号及干扰信号的未来信息的利用来改善系统的控制性能。从 结构上来看，采用预测控制的伺服系统就是在采用通常控制策略的伺服系统上加 一个利用未来信息的前馈预测补偿环节所构成。因此，可望使系统在保持原有的 稳定性和鲁棒性的同时，通过对未来信息的利用使得系统的性能指标得到进一步 地改善。 虽然将智能控制用于交流传动系统的研究已取得了一些成果，但是有许多 问题尚待解决，如智能控制器主要凭经验设计，对系统性能( 如稳定性和鲁棒性) 缺少客观的理论预见性，且设计一个系统需获取大量数据，设计出的系统容易产 浙江大学博士学位论文 生振荡：另外，交流伺服系统智能控制系统非常复杂，它的实现依赖于d s p 、 f p g a 等控制用电子器件的高速化。 在交流伺服系统中，以上介绍的各种控制策略往往综合起来应用，以期使 系统达到满意的高性能指标。智能控制使用的主要是定性的、模糊的、逻辑性的 知识，而常规控制策略使用的主要是定量的确定信息，如果将它们结合起来，必 将会收到相得益彰的满意效果。同时，兼顾使用有关对象的已有白话信息( 含在 近似的数学模型之中) 和其他经验性知识，在原理上也更合理、更完美。 1 2 4 交流伺服系统的研究方向 交流伺服系统的研究可分为两个主要方面：一是关于该系统的执行元件交 流伺服电动机驱动技术的研究；二是关于整个伺服系统调节规律的研究。结合电 力电子技术、微电子技术及自动控制理论的最新成就应用于交流伺服系统的研究 开发之中，己成为当代电伺服技术的主流。 1 3 滑模变结构控制 1 3 1 滑模变结构控制理论的提出 二十世纪五十年代由前苏联学者e m e l y a n o v 提出的变结构控制( v a r i a b l e s t r u c t u r ec o n t r o l ，v s c ) 这一概念，以其独特的优点，为不确定性系统提供了一 种很有前途的控制系统综合方法。“变结构”一词意昧着控制器的结构可能会发 生变化。从广义上看，目前变结构系统主要有两类：一类是具有滑动模念的变结 构系统；另一类是不具有滑动模态的变结构系统。一般变结构系统均指前者，这 是由于具有滑动模态的变结构系统不仅对系统的不确定性因素具有较强的稳定 鲁棒性和抗干扰性，而且可以通过滑动模态的设计获得满意的动态品质，同时控 制简单，易于实现，所以基于滑动模态的变结构控制系统在国际上受到了广泛重 视。本文所研究的变结构控制系统均指具有滑动模态的变结构控制系统。 变结构控制系统的原理在于，当系统状态穿越状态空间的滑动超平面时，反 馈控制的结构就发生变化，从而使系统性能达到某个期望指标。由此可以看出， 变结构控制系统能够通过控制器本身结构的变化，使得系统性能保持一直高于一 堑婆查兰堕主兰篁鲨窒 般固定结构控制所能达到的性能，突破了经典线性控制系统的品质限制，较好地 解决了动念与静态性能指标之间的矛盾。 1 3 2 变结构控制理论的发展现状和研究方向 二十l i = 纪五十年代，前苏联e m e l y a n o v 首次提出了变结构这概念，之后 u t l d n 3 7 , 3 8 1 ，i t k i 等人进一步发展了变结构系统理论。七十年代，变结构系统以其 独特的优点和特性引起了西方学者的广泛重视，并进而被众多学者从不同的理论 角度，运动各种数学手段对其进行了深入的研究，使得变结构控制理论逐渐发展 成为一个相对独立的研究分支。 变结构控制就是当系统状态穿越状态空间不同区域时，反馈控制器的结构按 照一定的规律发生变化，使得控制系统对被控对象的内在参数变化和外在环境扰 动等因素具有一定的适应能力，保证系统性能达到期望的指标要求。该控制系统 对系统中存在的不确定性具有极强的鲁棒性，而变结构控制器实际上是一种非线 性控制器。 目前，在变结构控制系统的设计和实际工程应用中，为了在保证闭环系统在 具有满意的鲁棒性的同时，希望所得到的控制器是易于实现，并且控制信号不存 在一般变结构控制器所具有的控制信号抖动现象。为此，一些学者提出了许多近 似变结构控制算法，并从这些近似算法出发，得到了相应的鲁棒性分析结果，这 对变结构控制的大范围应用是一种很有意义的工作。为了得到合理的近似变结构 控制算法，象模糊控制、神经网络等算法亦引入到了变结构控制算法的设计中 f 3 9 4 1 | 1 ，一些新型的变结构控