基于分数阶滑模的矿用牵引电机调速控制研究

摘要

矿用电机车是矿山地面与井下巷道重要的运输工具，运行工况复杂、环境恶劣。国内矿山牵引电机车的牵引电机基本采用直流串励电动机。但是伴随着电力电子技术、智能控制等相关学科的发展，异步牵引电动机的调速控制方法越来越变的成熟。交流异步电动机取代传统直流电机作为牵引设备是最好的选择。在矿用牵引电机控制系统中，牵引控制系统的静态及动态性能是由转速控制器的调速性能而决定。近年来，将分数阶滑模控制应用于电机控制领域逐渐受到广大学者的重视，针对矿用牵引电机车运行工况对调速控制的要求，采用FOSMC控制策略设计转速控制器以及对弱磁区域控制性能进行改进，以达到提高系统调速性能的目的。论文围绕分数阶微积分理论、滑模变结构控制、转速控制器的设计、负载观测器的设计、FOSMC转速控制器、弱磁控制器在矿用牵引电机控制系统中的应用进行研究。本文主要内容包括:
　　(1)首先，对分数阶微积分理论的定义及其基本性质进行介绍，对分数阶的单位阶跃响应特性和数字实现进行研究。其次，对滑模变结构控制原理、设计目标、动态品质及其抖振进行介绍。
　　(2)针对矿用牵引电机车的不同工况、恶劣的运行条件，设计FOPI、整数阶SMC、FOSMC转速控制器、负载扰动观测器并将观测值融入到转速控制器中，以达到提高异步牵引电机调速性能的目的。
　　(3)分析矿用异步牵引电动机矢量控制策略，在Matlab/Simulink仿真软件上搭建异步牵引电机矢量控制系统模型，将FOSMC转速控制器、负载观测器应用于控制系统中，并对仿真结果进行比较分析。
　　(4)研究弱磁控制基本理论及电压、电流限制条件，针对矿用牵引电机高速运行的调速问题，对弱磁控制器进行改进，将仿真结果与传统PI弱磁控制策略进行分析比较。
　　通过对矿用牵引电机不同运行工况的仿真实验表明:滑模负载观测器能够准确、快速的观测负载转矩;而带负载观测的分数阶滑模(FOSMC)转速控制器提高了牵引电机在负载变化时的转速控制性能和系统的可靠性，基于分数阶的电压闭环弱磁控制系统可以有效的减小定子电流的波动，扩宽了异步牵引电机的调速范围。

目录

声明

摘要

1绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 矿用电机车牵引电机控制发展

1．2．1 直流牵引电机发展

1．2．2 交流牵引电机发展

1．3 交流异步电机控制策略的发展

1．3．1 交流牵引电机常用控制技术

1．3．2 分数阶微积分的发展

1．3．3 滑模变结构控制的发展

1．4 弱磁控制系统发展现状

1．5 论文主要研究内容

2 分数阶微积分理论及牵引电机矢量控制系统

2．1 牵引电机矢量控制系统

2．1．1 坐标变换原理

2．1．2 异步牵引电机数学模型

2．1．3 基于转子磁场定向的矢量控制系统

2．2 分数阶微积分定义及性质

2．2．1 基本函数

2．2．2 分数阶微积分定义

2．2．3 分数阶微积分的基本性质

2．2．4 分数阶微积分算子的Oustaloup近似与数字实现

2．3 滑模变结构控制理论

2．3．1 滑模变结构控制的定义

2．3．2 滑动模态的存在性和可达性

2．3．3 滑模变结构控制系统的动态品质

2．3．4 滑模变结构控制系统的不变性

2．3．5 滑模变结构控制系统的抖振问题

2．4 小结

3 基于分数阶滑模的牵引电机矢量控制系统

3．1 牵引电机速度控制器设计

3．1．1 分数阶PI(FOPI)速度控制器的设计

3．1．2 整数阶积分滑模速度控制器的设计

3．1．3 分数阶积分滑模速度控制器的设计

3．2 牵引电机负载观测器设计

3．2．1 牵引电机车负载特性分析

3．2．2 降维观测器的设计

3．2．3 滑模负载观测器的设计

3．3 基于异步牵引电机分数阶积分滑模矢量控制系统仿真

3．3．1 负载观测器仿真

3．3．2 牵引电机在不同工况下的仿真分析

3．4 小结

4 异步牵引电机弱磁控制系统

4．1 异步牵引电机弱磁控制基本理论研究

4．2 异步牵引电机弱磁区运行状态分析

4．2．1 异步牵引电机弱磁区域稳态方程

4．2．2 异步牵引电机弱磁区域运行时的电压和电流限制条件

4．2．3 异步牵引电机运行区域的划分及分析

4．3 传统弱磁控制策略分析

4．3．3 基于电压闭环的弱磁控制算法

4．4 基于电压闭环弱磁控制算法的改进

4．4．1 弱磁环节分数阶控制器设计

4．5 仿真分析

4．6 小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果