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异步电机的高性能变频调速控制策略及系统实现研究

曲永印  
【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。


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