异步电机的高性能变频调速控制策略及系统实现研究

论文摘要

电力拖动广泛应用于工业、农业、国防和社会生活的各个领域。目前，我国有70％左右的电能被各种电机所利用，电力拖动中，交流电力拖动占80％以上。20世纪70年代以前，电力拖动调速中，直流调速占90％以上，而交流调速不到10％。原因是直流电机电枢电流与磁场电流相互独立，在磁场恒定情况下，通过控制电枢电流可以方便控制电磁转矩，因此，直流调速具有优良的起制动和调速性能。而交流调速则无法与其相比。20世纪70年代以后，矢量控制理论的建立，将异步电机等效成直流电机控制，使异步电机变频调速控制性能完全达到了与直流电机调速控制性能相媲美的程度。具有了取代直流调速的明显优势，成为电力拖动调速控制的重要发展方向。本文就是围绕异步电机高性能变频调速控制策略开展研究的。其主要研究内容及创新点如下：提出了基于自抗扰控制器的异步电机变频调速控制策略，将异步电机模型中的耦合项及参数摄动视为系统内扰，采用扩张状态观测器进行观测并加以补偿，利用其非线性结构克服了经典PID的缺陷，较好地解决了异步电机矢量控制因电机参数变化对解耦关系的影响，给出了自抗扰控制策略的鲁棒性能分析。仿真表明：系统响应速度提高，稳定性改善，抗扰性增强。自抗扰控制器具有较强的适应性和鲁棒性。提出了一种基于多模型自适应控制的异步电机变频调速控制策略，针对异步电机存在恒转矩和恒功率两个工作区以及激磁饱和及趋肤效应带来的参数突变这一实际情况，利用多个辩识模型来实现对异步电机所有特性的覆盖。对每一个子模型设计相应的控制器。在实际过程中，将这有限个子控制器映射成异步电机不同工况下的自适应控制器，使异步电机变频调速控制在整个工作范围内具有令人满意的控制性能。提出了神经网络自适应Dahlin控制解决方案，较好地解决了多模型切换时滞引起的稳定性变差问题。仿真表明：多模型自适应控制较好地解决了异步电机在整个工作范围内和不同工况下的高性能控制问题。提出了变论域变步长LMS算法，给出了基于自适应逆控制的异步电机变频调速控制策略，对给定信号采用对象的逆作串联控制器，使系统输入输出之间近似为单位映射，系统输出对输入具有较好的跟随性。对扰动信号采用扰动消除技术，该控制将对象参数摄动和外部扰动统一视为扰动。扰动既驱动对象，又驱动模型，对象和模型之差就是总扰动，用该扰动去驱动模型的逆，并在对象输入中被减去，最终使系统消除了噪声和扰动。由于对给定信号和扰动信号分开控制，二者控制性能无需兼顾和折衷，这是异步电机变频调速自适应逆控制的重要优势。本文给出的基于变论域变步长LMS算法的步长μ(K)将随误差e(k)论域的变化而变化，使该算法初始收敛速度、对时变系统的跟踪能力及收敛精度三个性能指标达到最优，用于异步电机变频调速系统及其逆系统模型辨识，具有较高的辨识精度和较快的实时性。仿真表明：异步电机自适应逆控制具有较明显的优越性和有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 概述
• 1.1 引言
• 1.2 异步电机变频调速控制策略国内外的研究现状
• 1.2.1 异步电机矢量控制
• 1.2.2 异步电机直流转矩控制
• 1.2.3 异步电机非线性反馈线性化控制
• 1.2.4 异步电机滑模变结构控制
• 1.2.5 异步电机自抗扰控制
• 1.2.6 异步电机自适应控制
• 1.2.7 异步电机多模型自适应控制
• 1.2.8 异步电机智能控制
• 1.2.9 异步电机逆控制
• 1.2.10 异步电机自适应逆控制
• 1.3 本文主要研究内容及安排
• 1.4 小结
• 第二章 基于自抗扰控制器的异步电机变频调速控制策略
• 2.1 引言
• 2.2 自抗扰控制器机理
• 2.2.1 非线性跟踪微分器（TD）
• 2.2.2 扩张状态观测器 ESO
• 2.2.3 非线性组合
• 2.3 异步电机数学模型
• 2.3.1 三相静止轴系下异步电机数学模型
• 2.3.2 两相静止轴系下异步电机数学模型
• 2.3.3 三相异步电机在两相同步旋转坐标系上的电压方程
• 2.3.4 按转子磁链定向的三相异步电机数学模型
• 2.3.5 异步电机矢量控制
• 2.4 基于自抗扰控制器的异步电机变频调速系统
• 2.4.1 电流跟踪型 SPWM异步电机变频调速系统数学模型
• 2.4.2 自抗扰控制器实现的异步电机变频调速系统
• 2.5 自抗扰控制策略性能分析
• 2.5.1 鲁棒性能分析
• 2.5.2 自抗扰控制器参数整定
• 2.5.3 自抗扰控制与PID控制比较
• 2.6 小结
• 第三章 基于多模型自适应控制的异步电机变频调速控制策略
• 3.1 引言
• 3.2 多模型自适应控制
• 3.2.1 异步电机模型特点
• 3.2.2 多模型自适应控制系统的结构
• 3.2.3 模型集的建立
• 3.2.4 多模型自适应控制器的构成
• 3.2.5 多固定模型与多自适应模型构成的多模型自适应控制
• 3.3 基于神经网络的多模型自适应Dahlin控制器
• 3.3.1 常规 Dahlin控制策略
• 3.3.2 一阶对象的Dahlin数字控制器
• 3.3.3 二阶对象的Dahlin数字控制器
• 3.3.4 基于神经网络的自适应 Dahlin数字控制器
• 3.4 控制器切换性能指标
• 3.4.1 多模型切换算法的基本思想
• 3.4.2 切换性能指标的类型
• 3.4.3 切换性能指标的性质
• 3.4.4 动态优化模型集模型的选择与切换算法
• 3.5 异步电机多模型自适应控制系统
• 3.5.1 变频调速系统的多模型
• 3.5.2 异步电机多模型自适应控制系统结构
• 3.5.3 多模型自适应控制的异步电机变频调速系统仿真
• 3.6 小结
• 第四章 异步电机自适应逆控制的鲁棒性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 自适应逆控制机理
• 4.2.1 跟随设定值
• 4.2.2 消除扰动量
• 4.2.3 自适应逆控制的特点
• 4.3 异步电机自适应逆控制策略的鲁棒性能分析
• 4.3.1 不确定系统模型的类型
• 4.3.2 自适应逆控制系统的鲁棒稳定性
• 4.3.3 自适应逆控制系统的鲁棒性能
• 4.4 小结
• 第五章 基于自适应逆控制的异步电机变频调速控制策略
• 5.1 异步电机变频调速逆系统的可实现性
• 5.1.1 逆系统的概念
• 5.1.2 异步电机变频调速逆系统的存在性
• 5.1.3 异步电机变频调速逆系统的实现方法
• 5.2 异步电机变频调速系统及其逆系统建模方法
• 5.2.1 变论域变步长LMS自适应滤波算法
• 5.2.2 电流跟踪型（SPWM）异步电机变频调速系统及逆系统建模
• 5.3 异步电机子系统自适应逆控制及仿真
• 5.3.1 转速子系统自适应逆控制系统结构
• 5.3.2 转速子系统的仿真
• 5.3.3 磁链子系统的仿真
• 5.4 异步电机自适应逆控制的变频调速系统
• 5.4.1 自适应逆控制实现的异步电机变频调速系统
• 5.4.2 系统仿真
• 5.5 小结
• 第六章 异步电机自适应逆控制的变频调速系统设计实现与性能分析
• 6.1 系统反馈量的估计/观测方法
• 6.1.1 基于定子逆模型的转子磁链观测器
• 6.1.2 虚拟转速估计器
• 6.2 基于自适应逆控制的异步电机变频调速系统设计实现
• 6.2.1 系统组成
• 6.2.2 系统控制电路
• 6.2.3 系统软件设计
• 6.2.4 系统实验结果
• 6.3 自适应逆控制的异步电机变频调速系统性能分析
• 6.3.1 系统跟随性
• 6.3.2 系统抗扰性
• 6.3.3 系统鲁棒性
• 6.4 小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 在读期间的科研成果
• 致谢