（电机与电器专业论文）pmsm的模糊自调整二自由度控制器的研究.pdf

p m s m 的模糊自调整二自由度控制器的研究 r e s e a r c ho ff u z 巧s e l t u l l m g2 d o f - p dc o n 缸d l l e rf o rp m s m a b s t l a c t t h cp m s ms e n ，o s y s t e mi s 、) l ，i d e l ya p p l i e dt o1 1 i g l lp e 击i m a c e “v c nf i e l d ，s u c h 勰 n e x i b l em a m l f a 曲盯e ，c n cm a c h i r yt 0 0 l s ，e l c v a 缸a ( 巧u s t s p e c de t c t h ep m s m1 l a sm 觚y i l l d i v i d u a lf b a n 矾sb e c a u s eo fi 协s 仃u c t i l r e 锄d 叩训0 n a1 h i sp 印e rt h em 砒e n 崩c a l m o d e la n dc o n t r 0 1 l e ro f p m s ma r es t u d i e d 1 1 1 c 仃a d i t i o n a lp i dc o r l 血o l i sa b r o a dl 娣dt 01 h em o t i o nc o 曲o lf i e l df 研砥s i m p l e m e c l l a l l i s m 觚di t sn e ) ( i b l es t 加c t u r c b mb e 咐黜t l l es y s t e i n 缸a c k i n ga n d 也e 枷一d i 鼬a n c e p e r f b m l 姐c e ，i tc a nn o tf m dt h eb e n e rb a l 龇，a ni t sp a r a m e t c r s 删m 衄蝴td 印e n do n 恤e a c c u ra _ t em o d e lo f 山ec o i l 仃o l l c dp r o c e s s ：t h em o r ec i c a rm a c h a n i s ma i l a l y s i so f t h ec o 曲l l e d p r o c e s si sr e c o 鲫j z e d ，1 h em o r ea c c u r a t em a t h e m a t i c a im o d e li sd e v e l o p e d ，t h em o r e a p p r o p r i a t cp a r a m e t e r s 盯et i m c d ，a n dt l l eb e t 盯c 0 1 1 仃o lr e s l l l t sa r er e a c h e d h o w e v e r ，t l l ep m s mv a r i a b l e sh a v eb e s 们n 百yc o u p l e d ，a tt l l i s 颤l et l ”s y s t e mi s n o n - l i n e a r 血n ev a r y i i l gp r o c e s s ，i ti sd i m c u nt 0d e s c r i b et h cs y g c 鼬w i t hm a t l l e m a t i c a l m o d c l f o r 也e s ef b 咖r e so fp m s m ，i i lt h i s 也e s i s ，龇抑o d e g r e e o f 二丘c c d o m ( 2 - d o f ) p i d c o n 血d li si i 由o d u c e d ，o n eo f m ei r l 钯n 蟾e n tc o n 打0 1 f l 】z z ) ，t c c l l n i q u ei sa d d e d s e v e r a lc o n 订o l s c h e m e sa r ei t n r o d u c e d 融l dp r e s e n t c da sf 0 u o w s ： ( 1 ) t 0i m p r o v e 吐壕订a d 拖o n a lp d c o n t r o l 、) l d l i c hc 锄n o tk e 印t l l es y s t e m 仃a c 虹n g 锄d t l l ea m i - d i s t i l r 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沈阳工业大学硕士学位论文 酗rw o r d s ： p e 珊a n e n tm a 印e ts y n c h r o n o u sm o t o r p i dc o n t r o i ， f u z z yc o n t r o l ， i n t d l i g 蛐tc o n t r o l ，t w o - d e g r e e - o f - f r e e d o m i i i 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：黝亥 日期：兰竺211 ：三， 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：奄拟讯导师签名：日期：沙7 孑，2 二 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 随着微电子、计算机、电力电子、电机制造技术以及新型材料的飞速发展，交流调速理 论以及新型、实用控制理论研究的不断深入，交流伺服系统特别是永磁交流伺服系统在 机电一体化、数控机床、工业机器人、柔性制造系统、汽车电子、办公自动化等高科技 领域中占据了日益重要的地位，也成为研究与应用的重要领域【1 捌。 1 1 永磁同步电动机的发展与现状 在7 0 年代以前，变频电源尚未出现，中小功率的调速系统中很少采用同步电动机。 这主要是因为与异步电动机不同，同步电动机不能在电网电压下自行起动，静止的转子 磁极在旋转磁场的作用下，平均转矩为零。而当时受电力电子器件发展水平的限制，无 法制作变频电源，因而同步电动机调速系统的工业应用是极其困难的。 科学技术的发展改变了同步电动机调速系统的情况，从而推动了永磁同步电动机的 发展与应用p 】。 1 1 1 高性能永磁材料的发展 永磁材料现有铝镍钻、铁氧体和稀土永磁体三大类。其中稀土永磁体又分为第一代 衫钻1 ：5 ，第二代衫钻2 ：1 7 和第三代钕铁硼。铝镍钻是三十年代研制成功的永磁材料， 虽具有剩磁感应强度高，热稳定性好等优点，但矫顽力低，抗退磁能力差，而且要用贵 重的金属钻，成本高。这些不足大大限制了它在电机中的应用。铁氧体磁体是本世纪五 十年代初开发的永磁材料，其最大的特点是价格低廉，有较高的矫顽力，不足之处是剩 磁感应强度和磁能积都较低。衫钻稀土永磁材料在六十年代中期问世，它具有铝镍钻一 样高的剩磁感应强度，矫顽力比铁氧体高，但衫稀土材料价格较高。8 0 年代初出现了钕 铁硼稀土永磁材料，它具有高的剩磁感应强度、矫顽力和磁能积，这些特点特别适合在 电机中使用。当时的不足是温度系数大，居里点低，容易氧化生锈而需涂覆处理。但经 过近年来的不断改进提高，这些缺点大多已经克服。现钕铁硼永磁材料最高的工作温度 已可达1 8 0 。，一般也可达1 5 0 0 0 ，己足以满足绝大多数电机的使用要求。 在同步电动机中用永磁体取代传统的电励磁磁极的好处是：简化了结构，消除了转 p m s m 的模糊自调整二自由度控制器的研究 子的滑环、电刷，实现了无刷结构，缩小了转子体积，同时由于省去了励磁直流电源， 也消除了励磁损耗和发热。绝大多数中小功率的同步电动机现已采用永磁式结构【4 】。 1 1 2 电力电子技术的发展 电力电子技术是弱电与被控强电之间的桥梁和功率变换的接口。自1 9 5 8 年世界上 第一个功率半导体开关晶闸管发明以来，电力电子元件已经历了第一代半控式晶闸管， 第二代有自关断能力的半导体器件( 大功率晶体管g t r 、可关断晶闸管g t o 、功率场效应 管m o s f e t ) 和第三代复合型场控器件( 绝缘栅功率晶体管i g b t 、静电感应式晶体管s i t 、 m o s 控制的晶体管强c t 等) ，直至9 0 年代出现的第四代功率集成电路i p m 。半导体开关 器件性能不断提高，容量迅速增大，成本大大降低，控制电路日趋完善，极大地推动了 各类电机的控制。7 0 年代出现了通用变频器的系列产品，可将工频电源转变为频率连续 可调的变频电源i i ，5 】，这就为包括永磁同步电动机在内的交流电机的变频调速创造了条 件。 对于目前的永磁同步电动机，高性能电力半导体开关器件组成的逆变电路是其控制 系统的必不可少的功率环节。因此严格地讲，永磁同步电动机是一个电动机控制系统， 属于自控式变频同步电动机调速系统。 1 1 3 微处理器和计算机技术的发展 微处理器和计算机技术不仅是高新电子信息产业的核心，同时也为传统产业的创新 提供了物质基础。它们的飞速发展有力地促进了电机控制技术的发展 6 。 最初的电机控制系统大都是采用分立元件的模拟电路，体积大，可靠性低，抗干扰 能力差，成本高。随着电毛技术的进步，采用微处理器和专用集成电路，实现了数字控 制，提高了可靠性和抗干扰能力，同时也使得各种复杂控制方法的实际应用成为可能。 d s p ( 数字信号处理器) 和f p g a ( 现场可编程门阵列) 在电机控制系统中的应用就是 这种发展的成果，也反映了今后发展的趋势。 单片机采用诺依曼结构，程序和数据在同一空间存取，同一时刻只能单独访问指令 或数据，多数指令要2 3 个周期来完成。而d s p 器件具有较高的集成度，运算速度快， 存储器容量大。它采用哈佛结构，具有独立的程序和数据空间，程序总线和数据总线分 沈阳工业大学硕士学位论文 离，同时可以对程序和数据进行操作，其内置高速硬件乘法器，取指、译码、操作采取 多级流水线。 由于电机控制系统在家电、机械制造、汽车制造等领域的重要地位，近年来，包括 t i 、m o t o r o l a 、a d 等大公司在内的许多d s p 厂商都相继推出了电机控制专用d s p 芯片， 如t m s f 2 4 0 x 系列、d s p 5 6 f 8 0 x 系列等瞪棚。这类芯片都以d s p 处理器为核心，使用其高 效的指令集，同时在片内集成了包括a d ，删等在内的电机控制接口电路，不仅简 化了系统硬件电路，同时也提高了可靠性和性价比。 f p g a 可以方便地实现多次修改，而且集成度非常大，一片f p g a 含有几万、几十万 个等效门，所以单片f p g a 就可以实现非常复杂的逻辑，替代多块集成电路和分立元件 组成的电路，从而简化系统设计，提高系统的可靠性。 计算机技术的发展，使得运动控制系统的网络化、信息化和绿色化成为了可能。借助于 信息髓络技术，电机控制系统也将不再只是一个孤立的系统，将和其它相关系统一起被 规划和设计，实现整体系统控制的优化。 方波电动机与有刷直流电动机工作原理类似。不同处在于它用电子开关电路和转子 位置传感器取代了有刷直流电动机的换向器和电刷，实现了直流电动机的无刷化，同时 保持了直流电动机的良好控制特性，故该类方波电动机人们习惯称为无刷直流电动机 ( b l d c m b m s l l l e s sd cm o t o r ) 。正弦波电动机的定子绕组得到的是对称三相交流电，但 三相交流电的频率、相位和幅值由转予位置信号所决定，通常所说的永磁同步电动机 ( p m s m p e 肌a n e mm a 凹c ts y l l c h r o n o l l sm 咖r ) 即是指这种电动机。它的转子位置检测通 常使用旋转变压器或光电编码器，可更精确地获得瞬间转子位置信息。因其控制性能、 控制精度和转矩的平稳性以及造价都较无刷直流电动机系统为好，故主要用于柔性制造 系统、机器人、办公自动化、数控机床、电梯调速等高性能驱动领域。 1 1 ，4 永磁同步电动机的应用 永磁同步电动机主要用于千瓦级的伺服传动系统中，伺服系统常用于快速、准确、 精密的位置控制场合。永磁同步电动机体积小，重量轻，效率高，转子无发热问题，控 制系统较异步电动机简单，而且p m s m 交流伺服系统具有更优越的低速伺服性能。因 孙假m 的模糊自调整二自由度控制器的研究 此，由永磁同步电动机组成的伺服系统已受到国内外的普遍重视，广泛用于柔性制造系 统、机器人、办公自动化、数控机床等领域。 ( 1 ) 用于机床：在伺服传动系统中，对伺服传动装置提出的要求越来越高，如要求 伺服系统定位误差小；跟随误差小；响应速度快，一般在几十m s 级；且系统响应无超 调：当负载突变时伺服系统恢复时间要短且无振荡；伺服系统的电机调速范围宽 ( 1 ：l 0 0 0 0 以上) ；低速时转矩要能达到额定转矩甚至超过额定转矩；等等。这些要求显 然用异步电机传动系统是无法实现的，只有使用永磁同步电机才可以滚足要求。 与采用矢量控制的异步伺服相比，永磁同步电动机转子温度低，轴向连接位置精度高， 要求的冷却条件不高，对机床环境的温度影响小，容易达到极小的低限速度。即使在低限 速度下，也可作恒转矩运行，特别适合强力切削加工。同时其转矩密度高，转动惯量小， 动态响应特性好，特别适合高生产率运行。较容易达到很高的调速比，允许同一机床主轴 具有多种加工能力，既可以加工像铝一样的低硬度材料，也可以加工很硬很脆的合金，为 机床进行最优切削创造了条件。 ( 2 ) 用于电梯：用于“绿色”电梯和无机房电梯的直接驱动，电梯用直接驱动永磁 同步曳引机，已成功用于新一代的电梯曳引中，并形成了完整系列产品。该新一代曳引 机，采用磁场定向控制的p m s m ，直接驱动电梯，无传统的减速箱，显著减小了体积和 重量；具有优良的起、制动性能和动态性能；消除了齿轮传动噪声和振动；电机低速直 接驱动降低了电机的噪声和振动。 用于电动车辆、港用起重机等具有弱磁控制的p m s m 系统，这些装备工况很复杂， 对p m s m 系统的要求亦高。 。 伴随着现代工业的快速发展，标志着一个国家工业实力的相应设备如精密机床、工 业机器人等对其“驱动源”电伺服驱动系统提出了越来越高的要求。而基于正弦波 反电势的永磁同步电动机( p m s m ) 因其卓越的性能已日渐成为电伺服系统执行电动机 的“主流”【3 】。 综上所述，随着永磁同步电动机控制技术日趋完善，以往同步电动机的概念和应用 范围已被现今的的永磁同步电动机大大扩展。可以说，永磁同步电动机己在从小到大， 一4 沈阳工业大学硕士学位论文 从一般控制驱动到高精度的伺服驱动，从人们日常生活到各种高精尖的科技领域作为主 要的驱动电机出现，这种趋势会愈加清晰。 本文所研究的对象是反电势为正弦波形的永磁同步电动机( p m s m ) ，如不加以特殊 说明，以后所说的永磁同步电动机( p m s m ) 均是指这种电动机。 1 2p m s m 伺服系统控制理论的发展 p m s m 伺服系统发展的一个重要基础就是交流调速理论和新型控制理论的不断发 展。 1 2 1 交流调速理论 伺服控制技术是决定交流伺服系统性能好坏的关键技术之一，是国外交流伺服技术 封锁的主要部分。随着国内交流伺服用电机等硬件技术逐步成熟，以软形式存在于控制f 芯片中的伺服控制技术成为制约我国高性能交流伺服技术及产品发展的瓶颈1 1 】【1 2 1 。研究 具有自主知识产权的高性能交流伺服控制技术，尤其是最具应用前景的永磁同步电动机 伺服控制技术，是非常必要的。 由于交流电动机是祸合、时变、非线性系统，以往很难得到良好的调速性能。1 9 7 1 年，由德国西门子公司的f b 1 a s c h k e 提出的矢量控制理论第一次使交流电机控制理论 获得了质的飞跃。它从理论上证明了异步电动机传动系统的动态特性可以得到极大的改 善，解决了以往只依赖电机稳态模型带来的问题。矢量控制采用了矢量变换的方法，通 过把交流电机的磁通与转矩的控制解耦，使交流电机的控制类似手直流电动机，从两也 大大地提高了控制性能，成为交流传动的基本方法【13 ，1 4 1 。 由于矢量控制需要电机的精确模型，对参数具有依赖性，所以参数的变化会导致性 能变差。针对这一问题，1 9 8 5 年德国鲁尔大学的d e p e n b r o c k 教授提出了直接转矩控制 的理论，其主要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产生p w m 信号，直接对逆变器 的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。它省掉了复杂的矢量变换与电机 数学模型的简化处理，没有通常的p _ i m 信号发生器，控制思想新颖，结构简单，控制手 段直接，信号处理的物理概念明确，转矩响应迅速，是一种高性能的交流调速方法。尽 p m s m 的模糊自调整二自由度控制器的研究 管直接转矩控制具有上述的优点，但其低速性能不尽人意，这主要是由于其b a n g b a n g 控制引起的。近年来，为提高直接转矩控制的动静态性能，研究人员正在对此进行深入 的研究。 1 2 2 交流伺服系统的新型控制理论 由于前述两种基本的交流电机调速理论都有各自的不足，因此许多的新型控制理论 也被应用到了这一领域中旧。 ( 1 ) 模糊控制 自从1 9 6 5 年美国加利福尼亚大学的z a d e n 教授创建模糊集理论和1 9 7 4 年英国的 e h m 锄d a n e 成功地将模糊控制应用于锅炉和蒸汽机控制以来，模糊控制得以广泛发展 并在工业实践中得以成功应用“”，其根源在于模糊逻辑本身提供了由专家构造语言信息 并将其转化为控制策略的一种系统的推理方法，因而能够解决许多复杂而无法建立精确 的数学模型系统的控制问题，是处理控制系统中不精确和不确定性的种有效方法。从 广义上讲模糊控制是基于模糊推理，模仿人的思维方式，对难以建立精确数学模型的 对象实施的一种控制方法。它是模糊数学同控制理论相结合的产物和智能控制的重要组 成部分。模糊控制的突出特点在于： 控制系统的设计不要求知道被控对象的精确数学模型，只需要提供现场操作人 员的经验知识及操作数据。 控制系统鲁棒性强，适应于解决常规控制难以解决的非线性、时变及滞后系统。 以语言变量代替常规的数学变量，易于构造形成专家的“知识 控制推理采用不精确推理，模仿人的思维过程。 由于交流电动机是一种非线性、强耦合、多变量的控制对象，所以模糊控制在解决交流 电动机的控制方面有着非常大的优势，取得了许多重要的结果，是一种在运动控制中比 较成熟的智能控制。另一方面，模糊控制在与其他控制理论的结合方面也有许多很好的 应用。 ( 2 ) 神经网络控制 神经网络计算是将计算函数嵌入物理网络之中，对计算过程的每一个基本操作都存在与 之对应的连接，在处理信息内容时，修改其自身的结构及其运行规则。神经网络在处理 沈阳工业大学硕士学位论文 自学习、自组织、自联想及容错方面都有很强的能力，能够快速并行计算，对参数变化 的影响较小，容错能力强，处理非线性系统模型有独特的优点。应用于交流调速系统中， 可以克服电机系统中非线性因素的影响，提高调速系统的性能1 3 】，这是传统的控制方法 所无法比拟的。 ( 3 ) 滑模变结构控制 变结构控制的基本理论和设计方法是在六七十年代奠定和发展起来的f 19 】1 2 0 1 ，它是一 种高速切换反馈控制，其基础是继电控制，基本思想是：给定状态空间的若干切换曲面， 对每个切换面施以不同的控制规律。当运动在切换面不同侧时，系统的相轨迹拓扑就不 同。如果这样的控制能使得切换面或其部分都是可能韵相轨迹的终止点，就称该控制为 变结构控制。变结构控制与一些普通控制方法的根本区别在于控制律和闭环系统的结构 在滑模面上具有不连续性，即一种使系统结构随时变化的开关特性。通过适当的设计能 把不同结构下的相轨迹拓扑的优点结合起来，实现预期设计的控制性能。由于滑模面一 般都是固定的，而且滑模运动的特性是预先设计的，因此系统对于参数变化和外部扰动 不敏感，是一种鲁棒性很强的控制方法。 由于滑模变结构控制的不连续性，系统“结构上有随时变化的开关特性，使得系 统具有良好鲁棒性的同时，会发生“抖振”现象。为了减弱抖振，包括模糊控制在内的 许多方法得到了应用，取得了良好的效果。 由于逆变器的开关控制特性和功率器件的发展，近年来滑模变结构在交流电动机控 制中的应用得到了愈来愈多的深入研究。 ( 4 ) 自适应控制 。 自适应控制是一类重要的控制方法，可以分为模型参考自适应和自校正自适应等类型， 在交流电动机参数估计和提高系统动态特性等方面有着广泛的应用【2 1 捌。 ( 5 ) 二自由度控制 在运动控制中，传统的p i d 控制很难做到既能最佳地跟踪设定值，又能有效的抑制 各种干扰【7 ，卸。二自由度控制系统由输入信号的前馈通道和按误差控制的反馈通道组成。 这与通常讲的前馈一反馈控制系统极为相似，但又有区别。工程应用中把定值系统的扰 动补偿控制和伺服系统中的定值补偿控制统称为前馈控制，其实它们之间的不同点多于 p h 幅m 的模糊自调整二自由度控制器的研究 相同点，应把它们分开处理。 前馈一反馈系统在伺服系统中主要解决对给定信号的跟踪问题，跟踪特性决于模型 的正确性和扰动的情况；而二自由度控制系统中的前馈补偿主要完成对给定信号的跟 踪。由于模型误差扰动产生的偏差，在反馈补偿中，将扰动检测出来，经过特定的控制 规律加到反馈系统中，使得这些参数不再发生变化。这样在一个控制系统中，从给定到 输出与从扰动到输出是相互独立的，两个通道的传递函数能独立地进行综合和校正，故 称为二自由度控制方式。 ( 6 ) 复合控制策略 事实上，每一种控制策略都有其优点，也都存在一些问题。因此，各种控制策略互 相渗透和复合，克服单一策略的不足，提高控制性能，更好地满足各种应用需要，成为 当前研究的重点和今后的一个趋势。 综上所述，交流调速理论和新型控制理论的发展为交流电机控制性能的提高提供了 条件和丰富的手段。 1 3 交流永磁同步电动机的控制及存在问题 1 3 1 典型永磁同步电动机矢量控制系统 就a c 伺服系统的控制策略来讲，目前仍然以固定的控制结构为主，其结构的基本 形式是从磁极位置和速度检测元件取得定子电流相位控制信号和速度反馈信号。通过电 流传感器取得定子电流反馈信号。组成双闭环( 速度环和电流环) p i ( d ) 控制方式。 永磁同步电动机( p m s m ) 的控制方法源于他励直流电动机( b d c m ) 的控制。在 他励直流电动机中，励磁磁场和电枢磁通势间的空间角度由电刷和机械换相器所固定。 通常情况下，两者是正交的。因此，电枢电流和电磁转矩间存在线性关系。通过调节电 枢电流就可以直接控制转矩，在较宽的速度范围内获得良好的速度调节效果。 而在永磁同步电动机中，励磁磁场和电枢磁通势间的空间角度不是固定的，它随负 载而变化，这将引起磁场间复杂的作用关系，因此不能简单地通过调节电枢电流来直接 控制转矩。 沈阳工业大学硕士学位论文 目前，永磁同步电动机普遍采用电流矢量控制的方法，即控制电流相量的相位和 其幅值。它是通过分别控制d 、q 轴两个分量，经过坐标变换而实现的【1 ，6 7 ，2 4 j 蚋。这一方 法实际上是模拟直流电动机的控制形式。矢量控制不仅可以获得良好的稳态性能，还可 以获得良好的动态性能。典型永磁同步电动机矢量控制系统如图1 1 所示： 该系统采用速度和电流双闭环控制，外环为速度环，控制q 轴电流的相位；内环为 电流环，控制q 轴电流的幅值。控制器均采用p d 控制方式。 图1 1 典型永磁同步电动机矢量控制系统 f 培1 1 聊i c a lp m s m v e a t o rc o i l 仃o ls y s t e m 1 3 2 基于模型控制系统存在问题 近年来，基于过程模型的先进控制方法在控制理论界和工程界都引起了广泛的关 注。而很多实际控制问题对过程的输入变量、状态变量和输出变量都存在着不同的约束。 因此，先进控制方法在工程上的成功应用，很大程度上取决于处理约束的能力。 在传动系统控制中，绝大多数的控制方法都有依赖于描述受控对象特性的数学模 型。这些控制方法的性能优劣与否，主要取决于所采用的数学模型能否精确地描述受控 对象的特性【2 6 1 。但是，在实际过程控制中，要想获得精确的数学模型是十分困难的，即 使通过各种手段获得了关于对象的精确模型也往往因过于复杂，必须简化处理后才能付 诸实用。因此，在许多情况下，所获得的对象的数学模型具有不确定因素，而这往往又 p m s m 的模糊自调整二自由度控制器的研究 是致使基于模型的控制系统性能恶化的诱因。 1 3 3p m s m 中二自由度p i d 控制器 i f 究的必要性 在包括运动控制的整个工业过程控制的发展史上，p i d 控制是历史最悠久、生命力 最强的控制方式。在美、日等发达国家，采用高级控制的回路数只占很小的比例，而9 0 以上的控制回路种基本采用了p m 控制器【2 7 】【2 8 】。而一些先进的控制策略，目前还很少 能在实际中获得长期稳定的应用嘲。可见p d 控制器在运动控制领域中占有很重要的地 位。因此，p i d 控制的先进化、高级化、智能化是运动控制高级化的重要组成部分。在 实际应用中，p i d 控制为广大技术人员所熟悉和接受，在人们对高新技术持谨慎态度的 同时，对传统p i d 控制以及在此基础上的改进型p i d 控制是信任的，因此，围绕传统 p d 所作的改进与研究是必要的。 运动控制领域中广泛采用的常规p d 控制器，只能设置一组控制参数，是一种一自 由度控制器，不具有使系统的目标值跟踪特性和干扰抑制特性同时达到最优的能力，只 能在这两种特性之间进行折衷考虑，难以满足高性能控制系统的要求。为克服常规p m 控制器的不足，二自由度p d 控制器的设计思想被提出( 2 9 】，并且在实际控制系统中得到 了应用。与常规p i d 控制器一样，二自由度p d 控制器参数的整定也依赖于被控对象的 数学模型。 二自由度控制系统由输入信号的前馈通道和按误差控制的反馈通道组成。这与通常 讲的前馈一反馈控制系统极为相似，但又有区别。工程应用中反定值系统的扰动补偿控 制和饲服系统中的定值补偿控制同称为前馈控制，其实它们之间的不同点多于相同点， 应把它们分开处理。 前馈一反馈系统在伺服系统中主要解决对给定信号的跟踪问题，跟踪特性决于模型 的正确性和扰动的情况；而二自由度控制系统中的前馈补偿主要完成对给定信号的跟 踪。由于模型误差扰动产生的偏差，在反馈补偿中，将扰动检测出来，经特定的控制规 律加到反馈系统中，使得这些参数的变化还未显示出来，控制作用就已发生，在理想情 况下使这些参数不再发生变化。 沈阳工业大学硕士学位论文 1 4 本文的主要工作 本课题以交流永磁同步电动机构成的伺服系统为研究对象，考虑到传统p i d 算法 一方面具有悠久的历史，使用方便，技术成熟，应该继承。一方面它难以兼顾误差跟踪 性能与干扰抑制性能，应该加以改进。本文研究了适用于p m s m 二自由度控制系统， 以及当模型失配时提出了模糊自调整二自由度p i d 控制算法。论文包括以下4 个部分： 第一章绪论首先介绍了交流永磁同步电动机及其控制的发展与现状，p m s m 中二自 由度p d 控制器研究的必要性。 第二章首先介绍了p i d 控制器参数整定的一般方法，鉴于上述整定参数方法的复杂 性，本文提出了一种基于模型系统p i d 参数整定的一般方法m a u a b 仿真实现法，在已 知系统模型的前提下，通过仿真可以直观地一次性确定p i d 的最佳参数值。总结了传统 的( 一自由度) p i d 控制方式的优缺点，并提出了二自由度p i d 控制的几种基本形式，进 行了相应的仿真分析以证明二自由度p d 控制的有效性。 第三章基于交流永磁同步电动机的结构和工作原理，推导出p m s m 线性化控制的 数学模型，研究小功率交流永磁同步伺服电动机的一般的系统结构、基于模型的控制策 略，将二自由度控制理论成功地应用于交流永磁同步电动机的系统控制中，设计了专用 于p m s m 的二自由度p i d 控制系统，设计了控制器的k ，、t ；、t 。和二自由度化系数a 、 p 、1 ，寻找出控制器参数设计的一般方法。通过仿真对系统的性能进行了全面的分析， 证明了二自由控制方式在p m s m 中的成功运用。 第四章针对模型失配时，给出改进的系统控制方法。p m s m 是属于强耦合、时变、 非线性的系统，其数学模型依赖于电动机工作参数，如果偏离额定工作状况，模型难免 出现失配，而基于精确模型的控制系统就会出现控制偏差，影响控制品质。鉴于这种情 况，本文给出了解决办法：把模糊技术与高级的二自由度p d 控制相结合，设计了一种 基于模糊推理的二自由度p m 自调整控制器，实现了在不同状态下，利用模糊推理对 p d 参数进行在线的自动整定。最后，将该控制器运用于实际的控制系统中，仿真实验 表明，当模型失配时，系统能够自动调整控制器参数，使系统表现出很强的鲁棒性。 p m s m 的模糊自调整二自由度控制器的研究 2 二自由度p id 控制系统 电机调速系统中广泛采用的常规p d 控制器只能设置一组控制参数，是一种一自由 度控制器，不具有使系统的目标值跟踪特性和干扰抑制特性同时达到最优的能力，只能 在这两种特性之间进行折中考虑，难以满足高性能控制系统的要求。为克服常规p d 控 制器不足，二自由度p d 控制器的设计思想被提出【2 9 】，并且在实际控制系统中得到了应 用。“二自由度p d 控制”是针对传统一自由度p d 控制而言的，因此，首先应了解传 统一自由度控制的实质，然后再去认识二自由度p d 的控制。 2 1 常规一自由度p i d 控制方式 2 1 1pj d 控制的基本形式 p d 控制方式因其结构简单、容易实现、控制效果好，因而在运动控制领域中获得 广泛应用。p i d 控制方式是一种线性控制方式，它根据给定值r ( 1 ) 与实际输出值c ( t ) 构成 控制偏差： g ( t ) 2 哟一哟( 2 1 ) 将与偏差成比例输出的比例作用和与偏差的积分成比例输出的积分作用，以及与偏 差的微分成比例输出的微分作用，通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故 称p d 控制器】。其控制规律的时间域表达式如( 2 2 ) 所示： 砸) = 缉卜+ 砉+ 兀制讹) ( 2 2 ) 其中一控制量 p ( t ) 一偏差 岛一比例系数 正一积分时间常数 乃一微分时间常数 “低) 一控制量初始值 或写成传递函数： 沈阳工业大学硕士学位论文 = 器= d + 去坪 眨s ， 其中：w i s ) 为p d 控制器的传递函数。应用( 2 2 ) 式的p d 控制系统框图示于图2 1 。 图2 1 传统p 控制系统结构图 f i g 2 1t r 雠i 廿o n a lp i dc o n t f o ls y s t c mc h a r t 比例( p ) 控制作用：误差一旦产生，控制器立即就有控制作用，使被控量朝着 减小误差的方向变化。控制作用的强弱取决于比例增益硒，岛过大会导致动态性能变 坏，甚至不稳定。 积分( i ) 控制作用：能对误差进行记忆并积分，有利于消除静差，但由于积分 作用具有滞后特性，太强会使控制的动态性能变差。 微分( d ) 控制作用：它能对误差进行微分，敏感出误差的变化趋势，抑制偏差 的进一步变大。增加微分控制作用可加快系统响应，超调量可减小，增加系统稳定性， 但它对干扰也同样敏感，使系统抑制干扰能力降低。 2 1 2p i d 控制器参数的整定方法 p m 控制器参数的整定，是指在控制器形式已经确定( p i ，p i d 等调节规律) 的情 况下，需要根据控制对象过程的动态特性，把p d 控制器的控制参数设定成恰当的值， 以达到某种控制目标。 1 品质指标的选择 p d 控制器参数的整定与控制系统的最佳品质指标的选择是密切相关的，不同的品 质指标导致不同的整定参数的方法【3 0 】。而对于不同的应用，不同的系统所依据的品质指 标也各有不同。可以是简单而且近似的品质指标，如1 ，4 衰减比指标。也可以是更精确 ( 但是计算更加困难) 的品质指标。如： p m s m 的模糊自调整二自由度控制器的研究 平方误差积分指标( i s e ) ；绝对误差积分指标( i a e ) ；时间乘绝对误差积 分指标( i t a e ) 等。 2 整定方法的产生 根据上述这些不同的品质指标，人们研究出了不同的参数整定方法。例如，以1 4 衰减比为最佳控制过程品质指标的齐格勒( z i e 西e r ) 一尼科尔斯( n i c h o l s ) 法( z - n 法) 3 1 3 2 】，科恩( c o h e n ) 一库恩( c o o n ) 法( c - c 法) 以及由史密斯等提出的3 c 整定方法等。 谘佩兹( l o p e z ) 、罗维拉( r o v 妇) 等人确立了使i s e ，i a e ，i t a e 三种 误差积分指标为最小的思路，从干扰变化和设定值跟踪两个方面确定了控制参数整定的 方法【3 3 】。 2 1 3p i d 参数整定的仿真实现 p d 控制器的设计的关键在于确定3 个参数磁、k i 和磁。在实际应用中常采用试 奏的方法来整定参数，为设计带来了诸多不便。这里给出一种利用m a t l a b 仿真工具， 用仿真分析的方法来选定参数，并且通过实例分析说明是一种有效的参数选择方法。 m a t l a b 语言作为计算机辅助工具，有两大特点，一是强大的矩阵运算能力，二是完 美的图形可视化功能，使之成为控制首选的计算工具。m a t l a b 从1 9 8 0 年开始开发到今 天，经过不断地改进和完善，使得对所研究的系统的分析和设计更加方便。这里我们采 用m a t l a b 对控制系统的开环时域特性进行仿真，通过时域特性分析，找出系统的问题。 通过加入合适的调节器，改善系统的动态性能和稳态性能。而这3 个参数过去常常利用 经验来确定，为此本文希望利用有效的理论方法【蚓，来确定瞄、k i 和，以提高p d 控制器设计的效率。 以下面被控对象为例来说明p 参数的整定方法。 哪，= 考慕备弓 通过仿真获得系统单闭环特性如图2 2 所示。 由图2 2 可以看到：上升时问长，系统的阻尼比过大，无超调。将会导致系统能量损耗 较大，同时调节时间增长。为了改善系统的动态性能和稳态性能，应该为其设计合 沈阳工业大学硕士学位论文 适的控制器。 图2 2 未加控制器的对象w c ( s ) 的闭环响应 f i g 2 2t h ec l o s c d l o o pm s p 咄e r i i l l o i i tc o l y 的1 1 e do b j e c tw “s ) p d 控制系统参数选择方法： ( 1 k 的确定 首先可以根据根轨迹找出k 限点，然后利用阶跃响应确定k ：p 大致范围，从而获得 系统闭环稳定的增益范围。 将下列命令输入到m a t l a b 环境进行处理。应确定k p 大致范围，从而获得系统闭环 稳定的增益范围。 g 锁【1 0 01 0 0 0 0 】，【12 0 01 0 0 0 0o 】) ； p = 【3 0 ：2 0 ：1 2 0 ； f o ri - l ：l e n g m gc 纰d b a c k ( p ( i ) + g ，1 ) ； g t 印( g ) ，h o l d e n d f i g u r e ；d o c u s ( g ) ，a ) 【i s ( s p u a r e t ) ； k = d o c f m d ( g ) s e l e c ta p o i n t i nm c 野l p l 此sw 抽d o w 运行后得到图2 3 和图2 4 所示曲线。我们由图2 3 可知k p 的取值范围为3 0 5 0 。 ( 2 ) 的确定 将下列命令输入到m a n a b 环境进行处理： g = 呱【1 0 01 0 0 0 0 】， 12 0 0l o 0 0 00 】) ； ! 塑! 坚堕塑旦塑鳖三旦史塞堡鱼! 堡竺堡壅 图2 3 不同k p 值的阶跃响应 f 培，2 3t h es t e pr e s p o n s eo f d i 埔玎tk p 图2 4 对象w c ( s ) 的根轨迹 f i g 2 4 r 0 0 t l o 娜o fo b j e c t w 出) k p = 4 0 ；k i _ o 0 2 ：0 2 ：2 】； f o ri l ：l e n g t h ( 瞄) g c = t “k p 【1 ，1 胝( i ) 】，【1 ，o 】) ；g _ c 砘e d b a c k ( g + g c ，1 ) ； s t 印( g c ) ，h 0 1 do n e n d 1 6 一 沈阳工业大学硕士学位论文 a ) 【i s ( 【o ，1 2 ，o ，1 8 】) 图2 5p i 控制下不同i 值时的系统阶跃响应 f i g 2 5s 娜e ms 姊r e s p o n o f m ep ic o r l n o lw 弛d i 鼢e mi 运行结果如图2 5 所示，从图中可以得到的取值范围大于1 ，经检验k j 取2 ( 3 ) k d 的确定 选定k p = 4 0 ，= 2 后，确定k d ，将下列命令输入到m a t l a b ： g = 域【1 0 01 0 0 0 0 】，【12 0 01 0 0 0 00 】) ； k p = 4 0 ；尉= 2 ；k d - 【o 0 0 1 ：o 0 2 ：o 1 3 】； f o fi - 1 ：l e n g i h ( k d ) 嗵k p + 【鼯+ k d 周，1 】艏，【1 ，o 】) ； g = f e e d b a c k ( g + g c ，1 ) ； s 姊( g ) ，h o l do n ；e n d 运行结果如图2 6 ，由图可得磁的取值范围在o 0 8 加1 之间。综合上述选择如下参 数： 磁= 4 0 ，k i = _ 2 ，k f o 1 将下列命令输入到m a t l a b 环境执行： 睁坂【1 0 0 ，l o o o o 】，【1 2 0 0 ，1 0 0 0 0 ，o 】) ； k p ：4 0 ；刈= 2 ；k d _ 0 1 ； p m s m 的模糊自调整二自由度控制器的研究 g c = c f q 邸+ 吸p k d ，飚，l 】瓜i ，【1 ，o 】) ； ( o 制b a c k ( g + g c ，1 ) ； s t 印( g ) 图2 6p i d 控制下不同k d 值时的系统阶跃响应 f 培2 61 1 l es y s t e ms t e p 嘲p o n 辩 o f p mc o n t r o l8 ld i 恐r e n tk d 得到p d 控制的系统阶跃响应曲线如图2 7 a 所示，图2 7 b 为系