基于自抗扰的三电机同步系统无速度解耦控制.doc

申请学位级别论文答辩日期圣垒生鱼旦堑菱太堂呈垒生鱼旦评阅人 不保密。罴：宏哺签字日期：斗晕耭日学位论文作者签名：签字日期：哗臼占日 学位论文作者签名：驭峙寸日期：州缉乡月窘 江苏大学硕士学位论文从而准确有效地实现了对主电机速度的估计。调试和故障检测。捅淦灯魍齈瓺型叮迪至薖对变频观测器算法、一阶速度自抗扰控制器算法、二阶张力自抗扰控制器算法、系统通讯等程序。关键字：同步协调控制，速度估计，全阶状态观测器，自抗扰控制，解耦控制 基于自抗扰的三电机同步系统无速度解耦控制 江苏大学硕士学位论文 獀瑃獀，瑃琁，琍 基于自抗扰的三电机同步系统无速度解耦控制甌 抛刺鄄馄窍咝宰刺蟛罘蠢】刂坡 基于自抗扰的三电机同步系统无速度解耦控制鄄馄鞣蠢鲆婢卣驢的设计通讯设置三电机同步协调控制系统程序设计 江苏大学硕士学位论文 多台异步电机之问的同步控制。 基于自抗扰的三电机同步系统无速度解耦控制多电机同步控制的运行主要有两种方式，分别为机械方式和电方式，机械总轴的同步控制是最原始、最简单的控制方法，因其是机械传动装置，所以结构比较复杂、维修比较困难、易出现振荡现象，不适用于精度要求比较高的场合。相反电控方法则比较灵活，在很多性能要求比较高的控制系统中都能达到满意的控制效果，其主要有两种控制，分别为主令同步协调控制和主从同步协调控制。主令同步协调控制是比较常用的控制方式，适用于系统中各电机相隔的距离比较远的场合，因为此控制方式的本质是每台电机独立运转，互不影响并且所有电机都是公用一个参考信号，但是没有反馈环节，电机具体的运转情况无法得知，因此系统的同步控制性能也就很难保证。 江苏大学硕士学位论文 基于自抗扰的三电机同步系统无速度解耦控制首次提出将无速度传感器技术和矢量控制相结合，其后结合使用各种控制方法，使无速度传感器技术取得了很大的发展，各国学者都致力研究无速度传感器技术。无速度传感器控制系统并不是说完全没有使用任何传感器，实际上是该系统中仍然存在电流传感器和电压传感器，通过它们检测控制系统中的定子电压和电流信号，同时实时采集信号通过控制算法进行速度估计来代替速度传感器，此时采用的电压、电流传感器都是在电路系统内部，安装起来比较简单并且成本便宜。无速度传感器控制系统研究的重点是如何进行精准地转速估计，达到实时控制的要求，大量学者对此展开研究，提出了很多速度估计方案，分为以下几种： 江苏大学硕士学位论文此方法的转速估计是基于准确的参考模型，两个模型都和电机参数相关，也就是说转速的辨识度受电机参数准确度的影响，另外，中的波波夫超稳定性只能保证估计转速的渐进收敛性，在系统的动态运行中转速估计值和实际值不是实时一致。该算法简单和计算量小，实际上属于开环的观测方法，电机参数的变化或者积分漂移所造成的偏差无法解决，因此转速估计的性能比较差。 基于自抗扰的三电机同步系统无速度解耦控制，它是线对于检测变量的微分计算，同时通过改变协方差矩阵的情况进而改善状态变量的收敛性，此方法已应用于电机速度辨识中，这种模型是建立在系统的随机模型基量很大，难以实时实现，因此在实际系统中很难实现。自抗扰控制技术是在深入认识经典调节理论与现代控制理论各自优缺点，大量运用计算机数字仿真实验来探索和改进而发展出来的，它的研究思想源于一篇论文，这篇论文主要是讨论如何统一处理线性系统的结构和反馈系统的计算问题，韩京清研究员在该论文中提出一个结论：一个控制系统的积分串联结构，既是在线性反馈状态下线性系统的标准结构，也是在非线性反馈状况下非线性系统 江苏大学硕士学位论文没有明显的界限；控制的目的并不是控制全局而是控制好一个过程；还指出寻找和利用具有典型特性的非线性环节解决鲁棒性和适应性问题。控制，从而提高系统鲁棒性。踪；通过利用扩张状态观测器实时估计扰动并给与补偿，内部的误差反馈不再只 基于自抗扰的三电机同步系统无速度解耦控制在国内，自抗扰控制技术在电液力伺服系统、位标器、电机控制、保实现其馈源高精度的轨迹跟踪，国防科技大学的张伟等人运用自抗扰控制技扰控制技术成功地为航空航天局解决了航天太阳能发电装置中的稳压问题；年将其用在航空航天局的飞机喷气发动机控制中，减少了大量的参数设计；年航空航天局运用扩张状态观测器实现高速飞轮的故障检测。在日本，年将自抗扰控制技术成功地用于猄纳米级的高精度位移控制；上智大学的申铁龙博士将此技术用于机械人控制的研究，并取得良好的控制效果。 江苏大学硕士学位论文 基于自抗扰的三电机同步系统无速度解耦控制第二章自抗扰控制技术的理论知识自抗扰控制理论来源制方案，而不是单纯的依靠被控对象输入与输出的关系，也就是说不是依靠被控式如式。致龇衷鲆妫虎簟控制器输出给控制对象的量。由上述理论知识和式得控制器的结构框图如图所示。癩卫 使得初始时刻的控制力太大造成控制系统出现超调。蟛罘蠢奈中藕牛荷瓒祐一般是不可微的，甚至可能是不连续 基于白抗扰的三电机同步系统无速度解耦控制自抗扰控制器的组成，、非线性状态误差反馈 江苏大学硕士学位论文跟踪微分器当输入信号变化比较慢并且时间常数丁比较小时，则有关系式式中，延迟信号一丁咝曰方乃实现，丁越小，越接近， 基于自抗扰的三电机同步系统无速度解耦控制 它的阶跃响应是无超调量的一次性达到设定，运用了快速最优控制综合函数的二阶积分串联型控制系统为曼 基于自抗扰的三电机同步系统无速度解耦控制郑琱口 江苏大学硕士学位论文对于上述被扩张的线性系统建立如下的状态观测器若瑇：泻惺奔浔淞縡和未知扰动， 基于自抗扰的三电机同步系统无速度解耦控制将各误差量采用非线性组合方式，从而得到控制量： 江苏大学硕士学位论文 基于自抗扰的三电机同步系统无速度解耦控制图自抗扰控制器信息流的框架实现了的自抗扰能力。析，对于其缺点提出了改进的方案，从而引入了自抗扰控制器；之后对于自抗扰 江苏大学硕士学位论文第三章三电机同步协调控制系统的设计针对三电机同步协调控制系统，本课题采用主从协调控制方式，第一台是主动电机，给其一定的转速值，其余两台为从电机，跟随主电机进行同步运行。三台电机通过皮带连接在一起，所以连接两个电机间的皮带存在着张力，主动电机的转速与皮带的张力决定了从动电机的运行情况，从而可知，电机的转速和皮带张力之间是相互影响的，为实现三电机同步运行，要对主电机速度和张力之间的耦合进行解耦控制。文中利用全阶磁链状态观测器和自抗扰控制技术，实现主电机转速估计和解耦控制。图三电机同步协调控制系统的物理模型动力学方程。 基于自抗扰的三电机同步系统无速度解耦控制，土上编 一去哦，音上嘞上正三。、上：一庞号电机间、庞号电机间的距离：！菹凳襅可砭；鼻：、五，一诺缁号电机之间的皮带张力、诺缁号电机之间的皮带张力。三电机同步控制策略 江苏大学硕士学位论文力控制器氖涑鲋档牟钪道吹鹘号电机转速。能自动调节各参数值来适应这种改变，所以，对于精确数学模型建立比较困难、 基于自抗扰的三电机同步系统无速度解耦控制图基于的三电机控制策略用自抗扰控制器代替，其余并未有改动，这也正是自抗扰控制技术的优势所在。 江苏大学硕士学位论文 基于自抗扰的三电机同步系统无速度解耦控制卜【，。纠九害卜，；如蠰琁罚簃脚，；彳：。海唬；彳：欢荆国，谡海口，：，： 江苏大学硕士学位论文丁，柯龋磖。统存在状态观测器并且其极点问题可以任意配置。一痕蝗啊际值。异步电动机全阶状态观测器的结构图如图所示。图异步电机全阶观测器的框图 基于自抗扰的三电机同步系统无速度解耦控制由图知，异步电机系统输出的定子电流凸鄄馄魇涑龅牡缌鱥。之差式中，莆蟛畹牧邢蛄浚琍祸忠晃蟛钭刺卣螅么一彳。由式闯觯卣驛募阄恢镁龆宋蟛頟的收敛速度，只要选在一坐标系下，由式可得其矢量形式的数学模型方程：甹妒 江苏大学硕士学位论文畇籶；，巍歹印；声。把式整理得出根据式褪可推出相应的特征方程分别为一甶凇红一一籷一设计全阶状态观测器时，由于异步电机控制系统自身就是稳定的，因而要求口，缟一籬，一籥冢魄一一籵【籧一 基于自抗扰的三电机同步系统无速度解耦控制从上述的过程中知，为保证控制系统的收敛速度，娜岛苤匾#鬹的速度辨识自适应律瞄廿篗。式中，旯一正常数，当偏差A愫凸兰谱K僦怠蓿胧导首K，相等时， 江苏大学硕士学位论文即彳似誳羰的后两项之和为零，则华肯定是负定的，即满足了稳定性条件，确保了观测器的稳定性。 基于自抗扰的三电机同步系统无速度解耦控制都可以视为总扰动，在扩张状态观测器中被观测到并进行扰动补偿。由、和扰动补偿四个环节组成，从而推出一阶速度自抗扰控制器的结构图如图所示。图一阶速度的结构图由图可得一阶速度环的算法为：扰动补偿过程：甜：华 江苏大学硕士学位论文由以上的措施从而得到优化的一阶模型，在其优化的结构模型中取消了跟踪微分器，同时利用线性反馈代替了蚇中的部分非线性反馈，减少了模型中非线性反馈的运算，使得模型的计算量减少了一半以上，这样，增加了系统的实时性和快速性，使系统达到很好的控制性能。优化的一阶速度环的结构图如图所示。 基于自抗扰的三电机同步系统无速度解耦控制与图相对应的优化后速度自抗扰控制器的完整算法： 江苏大学硕士学位论文大，则樟驳乃俣仍娇欤侨羧堤螅斐晒鄄馄鞯恼竦磍司题，减弱猩杓频牟裳芷趆定为蚱、其对被控对象控制效果基本毫无影响。对于参数：蚥。的整定，采取从小到大 基于自抗扰的三电机同步系统无速度解耦控制乃换海澹瑀琱峨扰动补偿过程：”：坠三三盟 基于自抗扰的三电机同步系统无速度解耦控制 江苏大学硕士学位论文第四章三电机同步协调控制系统的实现 工控机：本实验所选用的机的型号是 基于自抗扰的三电机同步系统无速度解耦控制变频器，其型粲谀？槭街行蚉，各个模块和停止；一个型号是疉 基于自抗扰的三电机同步系统无速度解耦控制图执行部件 江苏大学硕士学位论文图霍尔电流传感器采样原理图图霍尔电压传感器采样原理图 基于自抗扰的三电机同步系统无速度解耦控制表张力传感器标定表标准值图系统的通讯网络结构图是多点通讯的简称，用于小范围、速度要求不高的现场级通信以及用于连接上位机和涞亩叹嗬胪拧的通信速率的涌诤蚉鶦腞的串口通过嗔佣迪諴与上位机间的通信。 江苏大学硕士学位论文接口进行参数设置，才能顺利完成通讯。其设置的步骤是开始菜单一控制面板一设置成芈试蜓淠现瓿上嘤问纳柚茫琍蚉数据的上载和在线调试功能。眦伽埘 琺哪踟 基于自抗扰的三电机同步系统无速度解耦控制的传输介质可以为双绞屏蔽电缆、光缆或者混合配制的方式，中的口经过接 江苏大学硕士学位论文站之间不会相互影响工作。控制网络中用到的电缆的通讯速率与其通讯表的通讯速率与距离的对应关系位号：所示。 基于自抗扰的三电机同步系统无速度解耦控制 江苏大学硕士学位论文确认故障位反时针爬行与无爬行顺时针爬行与无爬行未未未有无故障本地 基于自抗扰的三电机同步系统无速度解耦控制电机额定值：用来设置参数控制的方式，聿捎帽镜夭问刂疲代表采用远程参数控制，本课题采用的是远程参数控制即；：用来设置状态控制的方式，淼氖峭耆镜乜刂疲代表的是完全远程控制，本课题的实验中采取的是完全远程控制，即；：用于波特率大小的选择，本课题实验中采用的波特率是变频器其他的相关参数都采用系统的默认值。 江苏大学硕士学位论文各个模块进行排列，组态一个与实际硬件相同的控制系统，使得软件与硬件一一对应。每一个安装的硬件模块都有一个对应的货号，在，用来采集霍尔电压传感器和霍尔电流传感器的电压、电挠布柯贾姓业絉中机 基于自抗扰的三电机同步系统无速度解耦控制和疉銲轴轳勘口豫蜉 羁玂？橹械腅设为床裳芷谖猯，而其余的参数都采用系统的默认值。 江苏大学硕士学位论文捎貌饬康缪沟姆绞剑医个通 基于自抗扰的三电机同步系统无速度解耦控制 的设备进行初始化操作。 基于自抗扰的三电机同步系统无速度解耦控制统的默认值簿褪撬得扛执行一次中断，的程序流程图如薪谐绦虻谋喑蹋淞鞒掏既缤所示。序，是用来实现张力鼻：和张力，的控制算法，同时虳分别是其对应 江苏大学硕士学位论文全阶状态观测器算法、初始癒，扑憧刂破鱇时刻控制量笨瘫淞扛拢琄厂、 基于自抗扰的三电机同步系统无速度解耦控制夕上返回虵的程序流程图实现了控制器所输出的速度值转变成相应的频率值，进而送给变频器控制电机运 江苏大学硕士学位论文第五章三电机同步协调控制系统的实验时域分析，其阶跃响应如图所示。时，对速度辩识误差进行测试，得到电机速度误差数据曲线如图所示。 基于自抗扰的三电机同步系统无速度解耦控制鲫如一型喇图速度阶跃响应曲线图速度辨识误差曲线 江苏大学硕士学位论文图控制 基于自抗扰的三电机同步系统无速度解耦控制本课题的三电机同步协调控制系统中控制量不仅有主电机的速度还有两两电机间的皮带张力，而皮带张力和主电机转速之间强耦合的关系，为实现控制系统的同步协调运行必须进行解耦控制，解耦控制性能的好坏会直接影响系统的同步控制性能。本文引用自抗扰控制技术实现解耦，把所有的外部干扰以及内部系统变量的扰动都归为总扰动，利用扩张状态观测器对其估计并进行补偿，提高了系统的解耦性能。下面从速度突变两张力恒定和速度恒定两张力突变两个方面进行解耦实验。的响应曲线如图所示。 江苏大学硕士学位论文董图的加加 基于自抗扰的三电机同步系统无速度解耦控制图速度突增张力恒定的阶跃响应曲线表速度突增张力恒定的张力响应性能指标张力性能指标 江苏大学硕士学位论文图 基于自抗扰的三电机同步系统无速度解耦控制快