交流异步电机自适应鲁棒位置跟踪控制及实验研究

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交流异步电机具有结构简单、成本低廉、可靠性高等优点,被广泛地应用于工农业、制造业等社会生产生活的各个领域。然而交流异步电机具有多变量、非线性、强耦合等特征,且易受各种不确定因素的影响,给交流异步电机的分析和控制带来了一定的挑战。为了提高交流异步电机位置系统的动、静态性能和鲁棒稳定性,并在一定程度上简化系统的控制结构,本文主要进行了以下几个方面的研究工作:首先,基于坐标变换理论和矢量控制思想,建立了交流异步电机在按转子磁链定向的同步旋转正交坐标系下的数学模型。其次,针对存在速度环非匹配扰动及电流环匹配扰动的交流异步电机位置系统,提出了一种基于非线性干扰观测器(nonlinear disturbance observer,NDO)的反步滑模控制方法。通过构造NDO对系统的不确定项进行动态观测,并将观测值引入到后续设计的反步滑模控制器中进行补偿;采用指令滤波器对反步法推导过程中的虚拟控制量及其导数进行估计,避免了常规反步法中的“微分爆炸”问题。再次,针对存在速度环非匹配扰动及定子电阻摄动的交流异步电机位置系统,提出了一种基于浸入与不变(immersion and invariance,I&I)理论的自适应控制方法。通过构造非线性扩张状态观测器(nonlinear extended state observer,NLESO)对系统的非匹配扰动进行动态观测;基于I&I理论对定子电阻设计自适应估计器,实现了参数估计值渐近收敛到真实值;基于I&I理论完成交流异步电机位置和磁链跟踪控制器的设计,实现了对系统转子位置和磁链给定值的精确跟踪。最后,针对存在速度/磁链环非匹配扰动和电流环匹配扰动的交流异步电机位置系统,提出了一种基于滑模观测器(sliding mode observer,SMO)的预设性能控制方法。通过设计一种新的基于改进指数趋近律的SMO对转子磁链进行观测估计;将模糊自适应方法与约束处理策略相结合,分别完成交流异步电机位置和磁链预设性能控制器设计;采用改进的粒子群优化(improved particle swarm optimization,IPSO)算法对控制器参数进行优化设计,进一步提高了系统的收敛速度和稳态精度;通过仿真及d SPACE实验对比研究验证了所提方法的有效性和可行性。
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