基于多模型自適應控制器的感應電機變頻調速系統

摘要：針對變頻調速矢量控制系統存在的參數魯棒性差這一難點(diǎn)問(wèn)題，首次將多模型自適應控制理論應用于感應電機變頻調速系統中。提出了基于多模型自適應控制器的變頻調速系統的新型控制結構與控制策略；在轉子磁場(chǎng)定向的同步旋轉系M_T中，分別建立了轉速子系統、磁鏈子系統模型集并設計了相應的多模型控制器集，由此實(shí)現了感應電機變頻調速系統多模型自適應控制。 關(guān)鍵詞：多模型自適應控制器 參數魯棒性 變頻調速 矢量控制理論流傳動(dòng)的發(fā)展獲得了質(zhì)的飛躍，得到了與直流傳動(dòng)系統同樣優(yōu)良的靜、動(dòng)態(tài)性能。但是，矢量控制理論對電機參數的依賴(lài)性很大，而電機參數則具有一定的時(shí)變性。電機電阻存在的不確定性較大，達到標稱(chēng)值的150%；同時(shí)，電機電感的不確定性變化較快。矢量控制對參數變化的敏感性使得實(shí)際系統難以保證完全解耦，實(shí)際控制效果難以達到理論分析的結果。本文依據多模型自適應控制理論，根據被控對象存在的參數的不確定性，對被控對象電機系統建立了多個(gè)模型，并相應地設計了多個(gè)控制器，基于設定切換原則和與實(shí)際電機系統最為匹配的模型，這些控制器對被控對象電機系統實(shí)現了最佳調節。這樣就解決了常規自適應控制所無(wú)法解決的電機電阻存在的較大不確定性及電機電感的不確定性變化較快等難點(diǎn)問(wèn)題。圖11 多模型自適應控制概述 多模型自適應控制（Multiple Model Adaptive Control）于20世紀70年代研制成功，并在90年代再度成為自適應控制的一個(gè)研究熱點(diǎn)，這一研究實(shí)際上是對傳統的自適應控制方法的一種推廣。 1.1 多模型自適應控制系統的組成 多模型自適應控制器主要由模型集、控制器集、切換原則三部分組成。 1.2 模型集的建立 多模型自適應控制是用多個(gè)模型逼近系統的不確定性，并在多個(gè)模型的基礎上建立控制器進(jìn)行控制的，因此模型集的建立、元素模型的多少將直接影響控制的精度和性能。本文采用動(dòng)態(tài)優(yōu)化模型集法，利用自適應模型和固定模型共同組成模型集。圖2、31.3 多模型自適應控制器的構成 多模型自適應控制器首先根據每個(gè)元素模型構成元素模型控制器，然后根據某一性能指標的切換函數將被控系統的控制器切換至使性能指標為最小的元素模型控制器上。 2 基于多模型自適應控制器的感應電機變頻調速系統 2.1 變頻調速系統的多模型描述 在轉子磁場(chǎng)定向的同步旋轉系M_T中，根據參考文獻[7]，對感應電機變頻調速系統描述如下： 式中： 在變頻調速過(guò)程中，b12的變化區間為[b21,b21]，將b21的攝動(dòng)區間功分為12個(gè)區間，即將電機參數模型集Ω分成12個(gè)模型子集Ωi（i=1,2Λ12），并且這些模型子集滿(mǎn)足： 對固定模型建立如下指標切換函數： 式中，α為遺忘因子，滿(mǎn)足0<α<1 i=1，2Λ12 在固定模型輸出參數的同時(shí)，兩個(gè)自適應模型也同步采用最小二乘法進(jìn)行參數辨識，以得出電機系統的參數： 對自適應模型建立如下指標切換函數： 式中，L=1，2。在每個(gè)采樣周期，分別根據性能指標（5）和（7）求取最接近電機系統的模型參數和辨識參數： 如果L（τ）≤i（τ），則表明此時(shí)模型集中有一個(gè)自適應模型與真實(shí)的電機模型最為匹配，選擇該模型參數作為當前時(shí)刻的對象模型參數，即θ(k)=θ"L(k)；并且如果此時(shí)L=2，則對第一個(gè)自適應模型重新設定初值，即θ1(k)=θ"2L(k)。反之，如果i（τ）≤L（τ），則表明此時(shí)模型集中的某個(gè)固定模型與真實(shí)的對象模型最為匹配，于是θ1（κ）=θi(κ),同時(shí)對第一自適應模型重新賦初值。 2.2 多模型自適應控制器的系統實(shí)現 基于多模型自適應控制器實(shí)現的感應電機變頻調速系統如圖1所示。圖42.3 仿真研究 選用的電機參數如下：電機型號為JQ2-52-4，額定功率為10kW,額定電壓為380V，額定電流為19.8A，額定轉速為1450r/min，額定頻率為50Hz。Rs=1.33Ω,Lm=0.2865H,Lr=0.3005H,Rr=1.12Ω,Ls=0.2942H,J=0.0618kg%26;#183;m2。轉子電阻攝動(dòng)40%時(shí)，由圖2可見(jiàn)，傳統矢量控制系統的最大動(dòng)態(tài)速降為74.5r/min，相當于4.9%；由圖3可見(jiàn)，多模型控制系統的最大動(dòng)態(tài)速降為57.3 r/min，相當于3.9%；由圖4可見(jiàn)，額定負載擾動(dòng)時(shí)，多模型控制系統的最大動(dòng)態(tài)速降為42.2 r/min，相當于2.9%。仿真結果表明，多模型控制器實(shí)現的變頻調速系統比傳統矢量控制系統具有更為優(yōu)良的動(dòng)、靜態(tài)性能。 采用自適應模型和固定模型共同組成的具有動(dòng)態(tài)調整能力的動(dòng)態(tài)優(yōu)化模型集，模型集每個(gè)時(shí)刻都在發(fā)生變化，以此逼近“真實(shí)"電機系統?；诠潭Ｐ驮O計的控制器保證了響應速度，而基于自適應模型設計的控制器保證了精度。 由于多模型自適應控制器實(shí)現的感應電機變頻調速系統離線(xiàn)地將電機參數存在的不確定性進(jìn)行了分區處理，可解決常規自適應控制所無(wú)法解決的電機電阻存在的較大不確定性及電機電感的不確定性變化較快等難點(diǎn)問(wèn)題。針對電機參數存在的不確定性，由多模型自適應控制器組成的感應電機變頻調速系統在不同的頻率區段采用不同的控制器。系統具有優(yōu)良的動(dòng)靜態(tài)性能，為實(shí)現高性能變頻調速系統提供了一條新的思路。