基于神經網絡逆的感應電機解耦線性化方法系統(tǒng)研究.pdf

1、在參數(shù)變化和外在擾動的工況下,對感應電機進行自適應或魯棒控制研究是一個熱點和難點,雖然許多專家學者已經提出了各種各樣的高性能控制策略,但得到理論上嚴謹、且易于工程實現(xiàn)的感應電機高性能控制系統(tǒng)仍是一個具有挑戰(zhàn)性的課題。作為一種兼顧易于工程化和高性能控制的方法,神經網絡逆系統(tǒng)方法已經在感應電機控制中得劍初步應用,但是研究工作還不夠深入、全面和系統(tǒng),所提控制結構魯棒性相對較差。對實物控制研究也比較欠缺。為此,本文采用解析逆系統(tǒng)理論,系統(tǒng)、深入

2、地研究了感應電機定子磁鏈與轉速、轉子磁鏈與轉速的解耦線性化控制,在感應電機數(shù)學模型精確已知的情況下實現(xiàn)了感應電機磁鏈與轉速的動態(tài)解耦線性化。并對解析逆控制結構(所提和已有的)之間及相應的、成熟的矢顰控制(定子磁場定向及轉子磁場定向控制)方法作了深入、全面地比較。針對矢量控制和解析逆控制都嚴巫依賴于系統(tǒng)精確模型,即對參數(shù)變化敏感及抗擾動能力差等問題,本文進一步采用神經網絡逆系統(tǒng)理論,來解決感應電機由于參數(shù)變化、狀態(tài)觀測不準及外在擾動等因素

3、造成的解耦線性化火敗問題,實現(xiàn)了磁鏈與轉速之間的解耦線性化,提出了幾種感應電機神經網絡逆控制結構。將所提及已有的神經網絡逆控制結構與矢量控制或解析逆控制作了全面、系統(tǒng)地比較,指出了它們在理論上和實現(xiàn)中的特點。最后,在自行研制的交流調速系統(tǒng)實時仿真實驗平臺上實現(xiàn)了所提和已有的感應電機神經網絡逆控制結構。本文的主要研究成果如下： 1.提出了控制定子磁鏈與轉速的電流控制型感應電機神經網絡逆控制結構 1)在兩相靜止(αβ)坐標系

4、下,以定子磁鏈兩相分量及轉速為狀態(tài)變量、定子磁鏈幅值及轉速為輸出的感應電機三階模型為控制對象,將定子電壓兩相分量負載轉矩作為擾動,采用Interactor算法分析了系統(tǒng)的可逆性,得到了解析逆表達式,找到了系統(tǒng)的隱動態(tài),在模型精確已知的情況下實現(xiàn)了感應電機定子磁鏈與轉速的解耦線性化,并與定子磁場定向控制作了深入比較。利用神經網絡逆系統(tǒng)理論,在參數(shù)變化和外在擾動存在的情況下,實現(xiàn)了感應電機定子磁鏈與轉速的解耦線性化。得到了αβ坐標系下控制定

5、子磁鏈與轉速的電流控制型感應電機神經網絡逆控制結構。此結構具有不需要旋轉坐標變換、結構簡單、魯棒性好等優(yōu)點。仿真結果驗證了控制方法理論上有高動態(tài)性能,在實時仿真平臺上對此結構的實現(xiàn)作了研究,指出了實現(xiàn)時存在的問題。 2)在定子磁場定向(DQ)坐標系下,以定子磁鏈幅值及轉速為狀態(tài)變量和輸出變量的感應電機二階模型為控制對象,將定子電壓D軸分量和負載轉矩作為擾動,采用Interactor算法分析了系統(tǒng)的可逆性,得劍了解析逆的兩種形式表

6、達式,在模型精確已知的情況下實現(xiàn)了感應電機定子磁鏈與轉速的解耦線性化。利用神經網絡逆系統(tǒng)理論,給出了DQ坐標系下控制定子磁鏈與轉速的電流控制型感應電機神經網絡逆控制結構。 2.提出了控制定子磁鏈與轉速的電樂控制型感應電機解析逆控制結構。在DQ坐標系下,以定子電流DQ兩相分量、定子磁鏈D軸分量及轉速為狀態(tài)變量的感應電機四階模型為被控對象,定義輸出為定子磁鏈幅值和轉速,采用Interactor算法分析了系統(tǒng)的可逆性,得到了解析逆表達

7、式,實現(xiàn)了定子磁鏈及轉速與電壓分量之間的解耦線性化控制,并與帶電壓解耦補償?shù)亩ㄗ哟艌龆ㄏ蚩刂谱髁吮容^研究。 3.提出了控制轉子磁鏈與轉速的電流控制型感應電機神經網絡逆控制結構 1)考慮其他學者提出的αβ坐標系下電流控制型感應電機解析逆控制結構,將其與直接轉子磁場定向控制作了比較研究。提出了αβ坐標系下,控制轉子磁鏈與轉速的電流控制型感應電機神經網絡逆控制結構,并與直接轉子磁場定向控制及解析逆控制作了仿真比較,在實時仿真實

8、驗平臺上對此結構的實現(xiàn)作了研究,給出了實驗結果。 2)在同步旋轉dq坐標系下,以轉子磁鏈兩相分量及轉速為狀態(tài)變量的感應電機三階模型為被控對象,定義輸出為轉子磁鏈幅值和轉速,采用Interactor算法分析了系統(tǒng)的可逆性,得到了解析逆表達式,指出解耦線性化效果與坐標系d軸的初始何置選擇無關,找到了系統(tǒng)的隱動態(tài),實現(xiàn)了轉子磁鏈及轉速與電流分量之間的解耦線性化控制,得到了同步旋轉dq坐標下,控制轉子磁鏈與轉速的電流控制型感應電機解析逆

9、控制結構。利用神經網絡逆系統(tǒng)理論,提出了同步旋轉dq坐標系下,控制轉子磁鏈與轉速的電流控制型感應電機神經網絡逆控制結構,指出這是電流控制型感應電機神經網絡逆控制結構的一般形式,并對此結構作了仿真及實驗研究。 3)針對前人提出的MT坐標系下,電流控制型感應電機逆(解析逆和神經網絡逆)控制系統(tǒng)結構,本文對其作了進一步研究,將其進行了簡化,并與直接轉子磁場定向控制作了比較研究,指出它是轉子磁場定向控制的一種改進結構,是同步旋轉dq坐標

10、系下電流控制型感應電機逆控制結構的一種特殊形式。在實時仿真實驗平臺上對此結構的實現(xiàn)作了研究,取得了很好的控制性能。 4.對前人提出的MT坐標系下,電壓控制型感應電機神經網絡逆控制結構作了進一步研究,將解析逆控制結構與帶電壓補償解耦的直接轉子磁場定向控制進行了仿真比較,對神經網絡逆控制結構的解耦性能作了進一步實驗驗證。 5.提出或設計了幾種磁鏈(定子和轉子)觀測器。對一種定子磁鏈觀測器的積分形式進行改進,使其可以準確地觀測

11、幅值變化的定子磁鏈；將得到的兩種轉子磁鏈觀測器用于MT坐標系下電壓控制型感應電機神經網絡逆控制結構,并對其進行了仿真研究以驗證觀測器和神經網絡逆控制結構的有效性；設計了幾種負載轉矩觀測器,并將基于ESO的負載轉矩觀測器用于電流控制型感應電機神經網絡逆控制結構。 6.研制了交流調速系統(tǒng)實時仿真實驗平臺,平臺主要包括德國dSPACE公司的DS1103、日本二菱公司的ASIPM(PS12036)、電流電壓傳感器及光電編碼器等。實現(xiàn)了恒

12、壓頻比、定轉子磁場定向控制的實時仿真實驗。對幾種感應電機神經網絡逆控制結構進行了實驗研究。 綜上所述,利用解析逆系統(tǒng)理論對感應電機的各種模型進行分析,得到了各種模型的解析逆系統(tǒng)。在模型精確已知的情況下實現(xiàn)了感應電機磁鏈(定子磁鏈與轉子磁鏈)和轉速與電流分量(電流控制型)或電壓分量(電壓控制型)之間的解耦線性化。采用神經網絡逆系統(tǒng)理論,在參數(shù)變化和外在擾動存在的情況下,進一步實現(xiàn)了感應電機磁鏈(定子磁鏈與轉子磁鏈)和轉速與電流分量