專利名稱：基于模糊二階自抗擾控制器的三電機同步控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及三電機同步控制方案中控制器。三電機同步控制系統(tǒng)中，三臺變頻器分別驅(qū)動三臺異步電機，三臺電機共同驅(qū)動聚酯皮帶連接的模擬エ況下的負載。在兩兩電機之間的皮帶上由于電機速度差存在張カ的問題，該控制器不需要加特定的解耦環(huán)節(jié)，就能將電機的速度與張カ實現(xiàn)解耦，實現(xiàn)高性能的同步控制。本發(fā)明屬于電カ傳動控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
多電機同步控制系統(tǒng)廣泛地應(yīng)用于各エ業(yè)現(xiàn)場中，如紡織、煤礦、軋鋼等領(lǐng)域。在エ業(yè)現(xiàn)場中變頻驅(qū)動是交流感應(yīng)電機主要的驅(qū)動方法之一。但是，多電機同步系統(tǒng)是ー個高階、非線性、時變的系統(tǒng)，其精確的數(shù)學(xué)模型不易建立。而且，在多電機系統(tǒng)中，電機的轉(zhuǎn)速與連接電機軸的皮帶張カ有著嚴格的耦合，這給電機轉(zhuǎn)速及皮帶張カ的精確控制帶來了 一定的難度。對多電機同步控制系統(tǒng)的研究，對于提聞エ廠生廣效率、提聞廣品的質(zhì)量有重要意義。目前エ業(yè)現(xiàn)場較多的使用PID控制器，但是PID控制器難以實現(xiàn)速度與張カ的精確解耦，經(jīng)常顧此失彼，所以需要同步性能更高、控制性能更優(yōu)的控制器來代替PID控制器。本發(fā)明所研究的對象即為由三臺變頻器控制的三臺交電機的流感應(yīng)所組成的系統(tǒng)。江蘇大學(xué)電氣信息學(xué)院劉國海與嘉興學(xué)院機電工程學(xué)院張今朝在《基于GGAP-RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆的復(fù)雜多電機系統(tǒng)同步控制》中，提出了基于增長和修剪的RBF (CCAP-RBF)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆的多電機同步控制方法，用積分器加神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)再串接于原系統(tǒng)，組成復(fù)合偽線性系統(tǒng)。給定量與輸出反饋形成誤差，分別經(jīng)過PID控制器作為偽線性系統(tǒng)的輸入，引用了基于生長和修剪的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來逼近非線性對象，優(yōu)化偽線性系統(tǒng)。上述控制器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運算量大，不易于工程實現(xiàn)。本發(fā)明是ー種結(jié)構(gòu)簡單，易于工程實現(xiàn)的控制器構(gòu)造方法。技術(shù)內(nèi)容本發(fā)明是用于解決三電機同步運行問題的控制器構(gòu)造方法。在用皮帶連接的三電機同步運轉(zhuǎn)的系統(tǒng)中，電機的轉(zhuǎn)速與皮帶張カ間具有嚴格耦合，簡單地說，張カ的值由其前后兩電機的速度差決定。那么改變電機的轉(zhuǎn)速或者皮帶張カ的給定值必然會影響到其中另外一個控制量的變化。因此，如何實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速與皮帶張カ解耦，是本發(fā)明的主要技術(shù)問題。采用本發(fā)明的方法構(gòu)造出的控制器，不依賴于系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，將轉(zhuǎn)速與張カ的耦合歸于系統(tǒng)總擾動，通過擴張狀態(tài)觀測器觀察并給予補償，具有良好的動靜態(tài)控制性能，抗負載擾動能力強，有較好的魯棒性，與傳統(tǒng)PID控制器相比，較大地提高了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度、穩(wěn)態(tài)跟蹤精度、抗擾動能力等。實現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案是基于模糊ニ階自抗擾控制器的三電機同步控制系統(tǒng)，包括編程エ控機、PLC (可編程控制器)、第一、第二和第三變頻器、第一、第二和第三交流感應(yīng)電機、光電編碼器和壓カ傳感器，所述PLC與編程エ控機之間使用MPI通信方式，與單臺變頻器之間通過PR0FIBUS-DP進行現(xiàn)場通訊；所述光電編碼器對第一交流感應(yīng)電機轉(zhuǎn)速進行檢測，并將檢測到的轉(zhuǎn)速反饋信號輸入至所述PLC，所述壓カ傳感器采集相鄰兩電機皮帶間的張カ值，并將張カ值反饋至所述PLC ;所述PLC用于根據(jù)給定轉(zhuǎn)速和所述反饋轉(zhuǎn)速信號，計算獲得第一轉(zhuǎn)速控制值，輸出至第一變頻器，對第一交流感應(yīng)電機進行控制，根據(jù)給定張カ值和反饋的所述張カ值，計算獲得第二、第三轉(zhuǎn)速控制值輸出至對應(yīng)的第二、第三變頻器，對第ニ、第三交流感應(yīng)電機進行控制。所述PLC帶有SM323數(shù)字量輸入輸出模塊、SM331模擬量輸入模塊和FM350高速計數(shù)模塊。所述PLC中設(shè)有ニ階自抗擾控制器，所述ニ階自抗擾控制器包括一個ニ階自抗擾速度控制器和第一、第二兩個ニ階自抗擾張カ控制器，所述ニ階自抗擾速度控制器和ニ階自抗擾張カ控制器的結(jié)構(gòu)相同；所述ニ階自抗擾速度控制器，根據(jù)第一交流感應(yīng)電機轉(zhuǎn)速給定值、當(dāng)前時刻的轉(zhuǎn)速反饋信號以及當(dāng)前時刻的第一轉(zhuǎn)速控制值，采用自抗擾控制算法和模糊控制方法計算得到下一時刻的第一轉(zhuǎn)速控制值；所述第一ニ階自抗擾張カ控制器根據(jù)第一和第二交流感應(yīng)電機之間的皮帶張カ給定值F12'當(dāng)前時刻的張カ反饋值F12以及當(dāng)前時刻的第二轉(zhuǎn)速控制值，采用自抗擾控制算法和模糊控制方法求得下一時刻的第二轉(zhuǎn)速控制值(即第二臺電機下一時刻應(yīng)有的轉(zhuǎn)速值)；所述第二ニ階自抗擾張カ控制器根據(jù)第二 和第三交流感應(yīng)電機之間的皮帶張カ給定值F23'當(dāng)前時刻的張カ反饋值F23以及當(dāng)前時刻的第三轉(zhuǎn)速控制值，采用自抗擾控制算法和模糊控制方法求得下一時刻的第二轉(zhuǎn)速控制值(即第二臺電機下一時刻應(yīng)有的轉(zhuǎn)速值);所述下ー時刻的第一轉(zhuǎn)速控制值輸出至所述第一變頻器，所述第一變頻器輸出下ー時刻的控制信號值至第一交流感應(yīng)電機，實現(xiàn)第一交流感應(yīng)電機的速度閉環(huán)控制；所述下一時刻的第二轉(zhuǎn)速控制值轉(zhuǎn)換變?yōu)橄乱粫r刻的第二轉(zhuǎn)速值，下一時刻的第二轉(zhuǎn)速值與第一交流感應(yīng)電機轉(zhuǎn)速給定值的差值輸出至所述第二變頻器，所述第二變頻器輸出下ー時刻的控制信號值至第二交流感應(yīng)電機，實現(xiàn)第一臺與第二臺電機間的張カ閉環(huán)控制；所述下一時刻的第三轉(zhuǎn)速控制值轉(zhuǎn)換變?yōu)橄乱粫r刻的第三轉(zhuǎn)速值，下一時刻的第三轉(zhuǎn)速值和下一時刻的第二轉(zhuǎn)速值與給定的第一交流感應(yīng)電機轉(zhuǎn)速值的差值，輸出至所述第三變頻器，所述第三變頻器輸出下ー時刻的控制信號值至第三交流感應(yīng)電機，實現(xiàn)第二臺與第三臺電機間的張力閉環(huán)控制。作為本發(fā)明的進ー步改進，所述ニ階自抗擾控制器由跟蹤微分器(TrackingDifferentiator, TD)、擴張狀態(tài)觀測器((Extended Status Observer, ES0)、非線性狀態(tài)誤差反饋控制律(NLSEF)模糊控制器和擾動補償模塊組成所述跟蹤微分器輸入給定輸入信號Vtl，采用快速最優(yōu)控制綜合函數(shù)計算出給定輸入信號的跟蹤信號V1和微分信號V2 ;所述擴張狀態(tài)觀測器輸入被控對象的輸出值y、ニ階自抗擾控制器輸出的控制量u和補償因子Iv輸出被控對象的輸出值I的跟蹤信號Z1、微分信號Z2和系統(tǒng)總擾動ω (t)的觀測值Z3 ;所述給定輸入信號的跟蹤信號V1和微分信號V2和跟蹤信號Z1、微分信號分別相減，得到跟蹤信號觀測誤差e i和微分信號e2，輸入所述非線性狀態(tài)誤差反饋控制律，所述非線性狀態(tài)誤差反饋控制律通過快速最優(yōu)控制綜合函數(shù)計算出控制信號Utl ;所述模糊控制器采用模糊控制方法獲取參數(shù)補償因子Iv輸出至所述擾動補償模塊；所述擾動補償模塊輸出系統(tǒng)總擾
動補償分量"^對控制信號Utl進行補償，得到控制器輸出的控制量U。所述采用模糊控制方法獲取參數(shù)補償因子Iv具體包括下列步驟
步驟A確定模糊控制器的輸入為擴張狀態(tài)器的跟蹤信號和微分信號Z2，輸出變量為bQ ；步驟B確定輸入輸出量對應(yīng)語言變量的論域元素；步驟C在個輸入和輸出語言變量論域中定義模糊子集對應(yīng)的模糊子集為{NB, NM, NS, Z0, PS, PM, PB}，隸屬度函數(shù)選用三角形隸屬度函數(shù)；步驟D采用Mamdani型推理確定模糊規(guī)則設(shè)計出模糊矩陣表；步驟E依據(jù)模糊控制規(guī)則，總結(jié)推算出模糊控制表，將表以ニ維陣列加結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)類型存入PLC數(shù)據(jù)塊中。作為本發(fā)明的進ー步改進，所述ニ階自抗擾控制器執(zhí)行下列步驟步驟I初始化k時刻TD、ESO和控制量；步驟2計算k+Ι時刻TD輸出值給定輸入信號的跟蹤信號V1和微分信號V2 ;步驟3采樣k時刻系統(tǒng)輸出值；步驟4計算k+Ι時刻ESO輸出值被控對象的輸出值y的跟蹤信號Z1、微分信號Z2和系統(tǒng)總擾動ω (t)的觀測值Z3 ；步驟5根據(jù)步驟2的TD輸出值和步驟4的ESO輸出值，計算k+Ι時刻狀態(tài)誤差；步驟6根據(jù)步驟5計算出的k+Ι時刻狀態(tài)誤差，計算NLSEF輸出值；步驟7根據(jù)步驟4的k+Ι時刻ESO輸出值，查模糊控制表計算補償因子，進而計算擾動補償；步驟8根據(jù)步驟6的輸出值和步驟7的擾動補償，計算控制器k+Ι時刻控制量；步驟9k時刻變量更新k=k+l。作為本發(fā)明的進ー步改進，所述ニ階自抗擾控制器完整的離散控制算法如式I所示
權(quán)利要求
1.基于模糊ニ階自抗擾控制器的三電機同步控制系統(tǒng)，其特征是，該系統(tǒng)包括編程エ控機、PLC、第一、第二和第三變頻器、第一、第二和第三交流感應(yīng)電機、光電編碼器和壓カ傳感器，所述PLC與編程エ控機之間使用MPI通信方式，與單臺變頻器之間通過PROFIBUS-DP進行現(xiàn)場通訊；所述光電編碼器對第一交流感應(yīng)電機轉(zhuǎn)速進行檢測，并將檢測到的轉(zhuǎn)速反饋信號輸入至所述PLC，所述壓カ傳感器采集相鄰兩電機皮帶間的張カ值，并將張カ值反饋至所述PLC ;所述PLC用于根據(jù)給定轉(zhuǎn)速和所述反饋轉(zhuǎn)速信號，計算獲得第一轉(zhuǎn)速控制值，輸出至第一變頻器，對第一交流感應(yīng)電機進行控制，根據(jù)給定張カ值和反饋的所述張カ值，計算獲得第二、第三轉(zhuǎn)速控制值輸出至對應(yīng)的第二、第三變頻器，對第二、第三交流感應(yīng)電機進行控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于模糊ニ階自抗擾控制器的三電機同步控制系統(tǒng)，其特征是，所述PLC帶有SM323數(shù)字量輸入輸出模塊、SM331模擬量輸入模塊和FM350高速計數(shù)模塊。
3.所述PLC中設(shè)有ニ階自抗擾控制器，所述ニ階自抗擾控制器包括一個ニ階自抗擾速度控制器和第一第二兩個ニ階自抗擾張カ控制器，所述ニ階自抗擾速度控制器和ニ階自抗擾張カ控制器的結(jié)構(gòu)相同；所述ニ階自抗擾速度控制器，根據(jù)第一交流感應(yīng)電機轉(zhuǎn)速給定值、當(dāng)前時刻的轉(zhuǎn)速反饋信號以及當(dāng)前時刻的第一轉(zhuǎn)速控制值，采用自抗擾控制算法和模糊控制方法計算得到下一時刻的第一轉(zhuǎn)速控制值；所述第一ニ階自抗擾張カ控制器根據(jù)第一和第二交流感應(yīng)電機之間的皮帶張カ給定值F12'當(dāng)前時刻的張カ反饋值F12以及當(dāng)前時刻的第二轉(zhuǎn)速控制值，采用自抗擾控制算法和模糊控制方法求得下一時刻的第二轉(zhuǎn)速控制值；所述第二ニ階自抗擾張カ控制器根據(jù)第二和第三交流感應(yīng)電機之間的皮帶張カ給定值F23'當(dāng)前時刻的張カ反饋值F23以及當(dāng)前時刻的第三轉(zhuǎn)速控制值，采用自抗擾控制算法和模糊控制方法求得下一時刻的第二轉(zhuǎn)速控制值； 所述下ー時刻的第一轉(zhuǎn)速控制值輸出至所述第一變頻器，所述第一變頻器輸出下ー時刻的控制信號值至第一交流感應(yīng)電機，實現(xiàn)第一交流感應(yīng)電機的速度閉環(huán)控制；所述下ー時刻的第二轉(zhuǎn)速控制值轉(zhuǎn)換變?yōu)橄乱粫r刻的第二轉(zhuǎn)速值，下一時刻的第二轉(zhuǎn)速值與第一交流感應(yīng)電機轉(zhuǎn)速給定值的差值輸出至所述第二變頻器，所述第二變頻器輸出下ー時刻的控制信號值至第二交流感應(yīng)電機，實現(xiàn)第一臺與第二臺電機間的張カ閉環(huán)控制；所述下ー時刻的第三轉(zhuǎn)速控制值轉(zhuǎn)換變?yōu)橄乱粫r刻的第三轉(zhuǎn)速值，下一時刻的第三轉(zhuǎn)速值和下ー時刻的第二轉(zhuǎn)速值與給定的第一交流感應(yīng)電機轉(zhuǎn)速值的差值，輸出至所述第三變頻器，所述第三變頻器輸出下ー時刻的控制信號值至第三交流感應(yīng)電機，實現(xiàn)第二臺與第三臺電機間的張カ閉環(huán)控制。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于模糊ニ階自抗擾控制器的三電機同步控制系統(tǒng)，其特征是，所述ニ階自抗擾控制器由跟蹤微分器、擴張狀態(tài)觀測器、非線性狀態(tài)誤差反饋控制律模糊控制器和擾動補償模塊組成所述跟蹤微分器輸入給定輸入信號％，采用快速最優(yōu)控制綜合函數(shù)計算出給定輸入信號的跟蹤信號V1和微分信號V2 ;所述擴張狀態(tài)觀測器輸入被控對象的輸出值y、ニ階自抗擾控制器輸出的控制量u和補償因子Iv輸出被控對象的輸出值y的跟蹤信號Z1、微分信號Z2和系統(tǒng)總擾動ω (t)的觀測值Z3 ;所述給定輸入信號的跟蹤信號V1和微分信號V2和跟蹤信號Z1、微分信號分別相減，得到跟蹤信號觀測誤差e !和微分信號e 2，輸入所述非線性狀態(tài)誤差反饋控制律，所述非線性狀態(tài)誤差反饋控制律通過快速最優(yōu)控制綜合函數(shù)計算出控制信號Utl ;所述模糊控制器采用模糊控制方法獲取參數(shù)補償因子Iv輸出至所述擾動補償模塊；所述擾動補償模塊輸出系統(tǒng)總擾動補償分量#對控制信號Utl進行補償，得到控制器輸出的控制量U。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于模糊ニ階自抗擾控制器的三電機同步控制系統(tǒng)，其特征是，所述ニ階自抗擾控制器執(zhí)行下列步驟 步驟I初始化k時刻TD、ESO和控制量； 步驟2計算k+Ι時刻TD輸出值給定輸入信號的跟蹤信號V1和微分信號V2 ； 步驟3采樣k時刻系統(tǒng)輸出值； 步驟4計算k+Ι時刻ESO輸出值被控對象的輸出值y的跟蹤信號Z1、微分信號Z2和系統(tǒng)總擾動ω (t)的觀測值Z3 ； 步驟5根據(jù)步驟2的TD輸出值和步驟4的ESO輸出值，計算k+Ι時刻狀態(tài)誤差； 步驟6根據(jù)步驟5計算出的k+Ι時刻狀態(tài)誤差，計算NLSEF輸出值； 步驟7根據(jù)步驟4的k+Ι時刻ESO輸出值，查模糊控制表計算補償因子，進而計算擾動補償； 步驟8根據(jù)步驟6的輸出值和步驟7的擾動補償，計算控制器k+Ι時刻控制量； 步驟9k時刻變量更新k=k+l。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于模糊ニ階自抗擾控制器的三電機同步控制系統(tǒng)，其特征是，所述采用模糊控制方法獲取參數(shù)補償因子Iv具體包括下列步驟步驟A確定模糊控制器的輸入為擴張狀態(tài)器的跟蹤信號\和微分信號Z2，輸出變量為b0 ; 步驟B確定輸入輸出量對應(yīng)語言變量的論域元素； 步驟C在個輸入和輸出語言變量論域中定義模糊子集對應(yīng)的模糊子集為{NB, NM, NS, Z0, PS, PM, PB}，隸屬度函數(shù)選用三角形隸屬度函數(shù)； 步驟D采用Mamdani型推理確定模糊規(guī)則設(shè)計出模糊矩陣表； 步驟E依據(jù)模糊控制規(guī)則，總結(jié)推算出模糊控制表，將表以ニ維陣列加結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)類型存入PLC數(shù)據(jù)塊中。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于模糊ニ階自抗擾控制器的三電機同步控制系統(tǒng)，其特征是，所述ニ階自抗擾控制器完整的離散控制算法如下式其中，h為采樣步長1 為濾波因子為速度因子^hanU1, X2, r, h)--決速最優(yōu)控制綜合函數(shù)ばh用以表示快速最有控制綜合函數(shù)的結(jié)果；ei、e2為觀測誤差；Zl為ー輸出y的跟蹤信號；Z2 —為輸出y的微分信號；Z3為系統(tǒng)總擾動ω (t)的觀測值；β (H、β 02 > ^ 03為輸出誤差校正増益山。為補償因子；>/レ，Oノ)為冪次函數(shù)d為線性區(qū)間；α為非線性因子，一般取O. 5,0. 25，O. 125等ばも、fe2為輸出誤差校正率；c為阻尼系數(shù)而為控制量增益屯為精度因子；U(I為未加擾動補償時的控制信號；u為控制器輸出，即控制量;手為系統(tǒng)總擾動補償分量。
全文摘要
基于模糊二階自抗擾控制器的三電機同步控制系統(tǒng)，包括編程工控機、PLC、第一、第二和第三變頻器、第一、第二和第三交流感應(yīng)電機、光電編碼器和壓力傳感器，PLC與編程工控機之間使用MPI通信方式，與單臺變頻器之間進行現(xiàn)場通訊；光電編碼器對第一交流感應(yīng)電機轉(zhuǎn)速進行檢測，并將檢測到的轉(zhuǎn)速反饋信號輸入至PLC，壓力傳感器采集相鄰兩電機皮帶間的張力值，并將張力值反饋至PLC；PLC用于根據(jù)給定轉(zhuǎn)速和反饋轉(zhuǎn)速信號，計算獲得第一轉(zhuǎn)速控制值，輸出至第一變頻器，對第一交流感應(yīng)電機進行控制，根據(jù)給定張力值和反饋的所述張力值，計算獲得第二、第三轉(zhuǎn)速控制值輸出至對應(yīng)的第二、第三變頻器，對第二、第三交流感應(yīng)電機進行控制。
文檔編號H02P5/46GK102868336SQ201210337929
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月12日
發(fā)明者唐琳, 劉星橋, 朱麗婷 申請人:江蘇大學(xué)