交流電機控制系統的控制算法綜述

1 引言
隨著(zhù)電力電子器件及微電子器件的迅速發(fā)展，以及現代控制理論在交流調速傳動(dòng)中的具體應用，從一般要求的小范圍調速傳動(dòng)到高精度、快響應、大范圍傳動(dòng)；從單機傳動(dòng)到多機傳動(dòng)協(xié)調運轉，幾乎都可采用交流傳動(dòng)。但交流電機本質(zhì)上是一個(gè)非線(xiàn)性的被控對象，電機參數在實(shí)際應用中會(huì )發(fā)生變化，而且可能存在比較嚴重的外部干擾。經(jīng)典控制理論不能克服負載、模型參數的大范圍變化及非線(xiàn)性因素的影響，因而控制性能將會(huì )受到影響。要獲得高性能的交流電機控制系統，就必須研究先進(jìn)的控制算法以彌補經(jīng)典控制的缺陷和不足。近年來(lái)，隨著(zhù)現代控制理論的發(fā)展，先進(jìn)控制算法被廣泛應用于交流電機控制系統，例如自適應控制、滑模變結構控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )控制、模糊控制等，并取得一定成果。因此，這里將簡(jiǎn)要介紹目前交流電機控制系統中應用較多的幾種控制算法。

2 交流電機控制系統的控制算法
2．1 PI控制
PI控制器以其簡(jiǎn)單、有效、實(shí)用的特性，廣泛應用于交流電機控制系統。交流電機調速系統的速度環(huán)和電流環(huán)調節器均使用PI 控制器。但交流電機是一個(gè)強耦合的非線(xiàn)性對象，并且其應用環(huán)境較為復雜且常常存在各種干擾，電機參數也會(huì )在運行過(guò)程中發(fā)生變化。因此，PI控制器在交流電機調速中由于自身特點(diǎn)還存在不足，例如：PI控制器直接獲取目標和實(shí)際之間的誤差，這樣就會(huì )由于初始控制力太大而出現超調，從而無(wú)法解決快速性和穩定性之間的矛盾；控制過(guò)程中，PI參數一旦確定，則無(wú)法在線(xiàn)自調整以適應對象參數的變化，即同一PI參數一般難以適用不同電機轉速；PI控制器參數適用控制對象范圍小。所以交流電機采用PI控制難以取得令人滿(mǎn)意的調速性能，尤其是在對控制精度要求較高的場(chǎng)合。近年來(lái)，出現了模糊PI、自適應PI、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )PI等新型PI控制器，在一定程度上改善、提高了交流電機的調速性能。
2．2 模糊控制
模糊控制是利用模糊集合來(lái)刻畫(huà)人們日常所使用概念中的模糊性，使控制器更逼真模仿熟練操作人員和專(zhuān)家的控制經(jīng)驗與方法。模糊控制是以模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量及模糊邏輯推理為基礎的一種計算機數字控制。模糊控制的突出特點(diǎn)：無(wú)需建立被控對象的精確數學(xué)模型；系統的魯棒性強，適應于解決常規控制難以解決的非線(xiàn)性、時(shí)變及滯后問(wèn)題；以語(yǔ)言變量代替常規的數學(xué)變量；推理過(guò)程模仿人的思維過(guò)程，借鑒專(zhuān)家的知識、經(jīng)驗，處理復雜的控制問(wèn)題。

模糊控制作為一種智能控制技術(shù)，是模糊集合理論應用的一個(gè)重要方面。其主要思想是吸取人類(lèi)思維具有模糊性的特點(diǎn)，通過(guò)模糊邏輯推理來(lái)實(shí)現對眾多不確定性系統的有效控制。其設計核心是模糊控制規則和隸屬度函數的確定，其一般結構如圖1所示。

模糊控制的不足之處：本身消除穩態(tài)誤差的性能較差，難以達到較高的控制精度。目前，模糊控制在交流控制領(lǐng)域的應用研究取得一些成果，但仍存在有待進(jìn)一步研究的問(wèn)題，如基于模糊控制的交流控制系統的穩定性分析，如何保證系統的穩定性；模糊控制規則難以確定，對不同的電機和運行環(huán)境，模糊規則需要分別設計；缺乏系統而有規律的模糊規則設計方法等。
2．3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )控制
人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )是依據人腦生物微觀(guān)結構與功能模擬人腦神經(jīng)系統而建立的模型，其主要功能是模擬人腦的思維方式丁作，具有自學(xué)習、并行處理和自適應等能力。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )優(yōu)秀的學(xué)習和非線(xiàn)性逼近能力，提出許多基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的控制方案，從而改善系統的收斂性、穩定性和魯棒性等。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )在交流調速領(lǐng)域中應用的一個(gè)主要問(wèn)題是算法比較復雜，大多以仿真形式實(shí)現，控制效果有待于在實(shí)際系統中進(jìn)一步檢驗。但與其他比較成熟的學(xué)科相比，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )理論還很不成熟，如計算較復雜，計算量大，難以滿(mǎn)足實(shí)際控制要求，訓練學(xué)習時(shí)算法收斂性問(wèn)題等。
2．4 滑模變結構控制
滑模變結構控制根據被調量的偏差及導數，有目的地使系統沿著(zhù)設計好的“滑動(dòng)模態(tài)”的軌跡運動(dòng)，與被控對象的參數和擾動(dòng)無(wú)關(guān)，因而使系統具有很強的魯棒性。一般來(lái)說(shuō)，它根據系統的狀態(tài)選擇兩個(gè)控制輸入之一，相當于系統有兩種結構，即使非線(xiàn)性對象快速到達預定的所謂“開(kāi)關(guān)面”(也稱(chēng)“滑動(dòng)面”)，并使其沿著(zhù)該開(kāi)關(guān)面滑動(dòng)，這時(shí)稱(chēng)系統處于滑動(dòng)模態(tài)(Sliding Mode)。然而并不是所有系統都可實(shí)現變結構控制，設計時(shí)必須先判斷滑動(dòng)模是否存在。理想的滑模變結構控制可以使對象在滑動(dòng)面上平滑運動(dòng)，但是實(shí)際上由于器件存在延時(shí)和滯環(huán)．所以系統進(jìn)入滑動(dòng)態(tài)后不可避免地會(huì )出現抖振(Chattering)，即在滑動(dòng)面附近高頻顫動(dòng)。這可能引起設備毀壞等事故。因此，在電機交流控制系統中如何削弱抖動(dòng)而又不失強魯棒性，是目前研究的主要問(wèn)題。
2．5 反饋線(xiàn)性化控制
反饋線(xiàn)性化就是通過(guò)非線(xiàn)性反饋或動(dòng)態(tài)補償的方法將非線(xiàn)性系統變?yōu)榫€(xiàn)性系統，然后再按線(xiàn)性系統理論設計控制器完成系統的各種控制目標。然而，非線(xiàn)性系統反饋線(xiàn)性化理論是采用坐標變換及狀態(tài)或輸出反饋矯正非線(xiàn)性系統的動(dòng)力學(xué)特性，如果單純地對線(xiàn)性化系統進(jìn)行魯棒控制器設計，并不一定能得到滿(mǎn)意效果。另一方面，非線(xiàn)性系統反饋線(xiàn)性化方法要求參數精確已知或可被精確測量和觀(guān)測。但電機在運行中參數會(huì )發(fā)生變化，這些都不可避免影響系統的魯棒性，甚至會(huì )使系統性能變壞。
2．6 自適應控制
自適應控制是在系統運行過(guò)程中不斷提取有關(guān)模型信息，該算法根據新的信息調整，它是克服參數變化影響的有力手段。自適應控制系統可看成有兩個(gè)閉環(huán)(圖2)，一個(gè)是常規由控制器與被控對象組成的反饋環(huán)；另一個(gè)是控制器的參數調節環(huán)。

自適應控制在交流電機控制中主要問(wèn)題是提高系統魯棒性，以克服參數變化和各種擾動(dòng)的影響。采用的主要方法是自適應控制如參數辨識自校正調節、模型參考自適應系統(MRAS)。其中，MRAS理論比較成熟，無(wú)需對象的精確數學(xué)模型，只要找到一個(gè)合適的參考模型即可，其關(guān)鍵問(wèn)題是設計自適應參數調整規律，在保證系統穩定性的同時(shí)使誤差信號趨于零。而模型參考自適應應用于反饋信號估計(如磁鏈、轉矩、轉速等)問(wèn)題。但是辨識和校正需要有一個(gè)過(guò)程，對于較慢的參數變化，具有校正作用；而對于較快的參數變化，就難以獲得好的動(dòng)態(tài)效果。

2．7 自抗擾控制
自抗擾控制器由跟蹤一微分器(TD)、擴張的狀態(tài)觀(guān)測器(ESO)和非線(xiàn)性狀態(tài)誤差反饋控制律 (NLSEF)3部分組成。利用自抗擾控制器設計系統時(shí)，它能利用“擴張狀態(tài)觀(guān)測器”實(shí)時(shí)估計并補償系統運動(dòng)時(shí)受到的各種外擾以及系統機理本身決定的內擾總和，使其變?yōu)榫€(xiàn)性系統的標準型一積分串聯(lián)型，從而實(shí)現動(dòng)態(tài)系統的動(dòng)態(tài)反饋線(xiàn)性化，結合特殊的非線(xiàn)性反饋結構實(shí)現良好的控制品質(zhì)。
自抗擾控制策略具有如下優(yōu)點(diǎn)：安排過(guò)渡過(guò)程解決快速和超調間的矛盾；不用積分反饋也能實(shí)現無(wú)靜差，避免積分反饋的副作用；統一處理確定系統和不確定系統的控制問(wèn)題；抑制外擾，不一定要知道外擾模型或直接測量；同一個(gè)自抗擾控制器控制時(shí)間尺度相當的一類(lèi)對象，線(xiàn)性、非線(xiàn)性對象一視同仁，不用區分；實(shí)現控制不一定要辨識對象。隨著(zhù)應用的需要，自抗擾控制器自身也得到了進(jìn)一步的完善和發(fā)展，出現了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的自抗擾控制器、模型配置自抗擾控制器等改進(jìn)型自抗擾控制器。

3 總結
由于各控制算法各有其優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際應用中應根據性能要求采用與之相適應的控制算法，以取得最佳性能。交流傳動(dòng)在控制算法方面雖已取得了很多成果，但仍不完善，存在許多問(wèn)題。關(guān)于交流傳動(dòng)控制算法的研究主要圍繞以下方面展開(kāi)：(1)研究具有較高動(dòng)態(tài)性能，能抑制參數變化、擾動(dòng)及各種不確定性干擾，且算法簡(jiǎn)單；(2)研究具有智能控制方法的新型控制算法及其分析、設計理論；(3)研究高性能的無(wú)速度傳感器控制算法。這些問(wèn)題的解決將會(huì )明顯改善交流電機控制系統的性能，促進(jìn)此類(lèi)系統更為廣泛應用。