基于模糊和滑模变结构控制的异步电机调速系统研究

摘要

鼠笼式异步电动机具有低成本、高可靠性、大容量方便维修等优点而在工业生产与生活中得到广泛应用。然而，异步电动机是电磁耦合实现能量交互的复杂控制对象。为了满足异步电机在复杂工作环境下的高性能控制要求，需要解决电机大范围调速运行的参数优化、负载突变、模型参数摄动及异步电机自身非线性因素的影响。本文以鼠笼式异步电机为研究对象，以提高其在复杂工作环境下的可靠性和调速性能为目标，开展了基于模糊控制和滑模变结构控制的异步电机控制策略、无速度传感器技术及转子磁链观测器的相关技术研究与实验验证。
　　首先，建立“背靠背”结构异步电机调速系统，通过MATLAB/Simulink仿真和实验验证基于“背靠背”结构的转子磁链定向矢量控制系统的正确性与有效性，有效解决调速过程直流侧电压波动问题。
　　其次，针对异步电机在大范围调速要求的高稳态精度和快速的动态响应速度，采用模糊控制对PI控制器参数进行调整，使得PI控制器参数的整定值在全局接近于最优值，达到提高异步电机调速性能的目的。同时，模糊控制器采用离线查询表的方法实现，减小计算量。
　　再次，针对异步电机内部参数变化和外部扰动问题，提出以扰动作为拓展状态变量的滑模扰动观测器，并分析其稳定性、抖振抑制效果和参数选择原则。在此基础上设计了滑模转速控制器，对扰动进行前馈补偿，从而提高了异步电机系统的抗扰动性能。同时，对滑模控制存在的抖振问题，提出通过按一定模糊规则将滑模控制与PI控制相结合的混合控制方法，避免了单一滑模控制在稳态时的抖振问题，同时较PI控制有更快的动态响应速度、减少超调。
　　最后，在传统滑模观测器的基础上，提出模糊滑模观测器用于异步电机转速和转子磁链估计的方法。推导出转速自适应律、证明磁链观测器的稳定性。采用模糊控制和转速误差调节设计了滑模增益的选取原则，避免了使用低通滤波器带来的延时。之后分析了基于饱和函数滑模观测器在边界层内采用线性控制代替开关控制的稳定性与抖振抑制效果之间的矛盾，由对比结果可知，采用模糊控制器调整滑模增益能有效柔化控制器输出，在保持滑模观测器强鲁棒性能的基础上抑制了滑模抖振，使得转速估计更为准确、响应更快。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 异步电机控制系统研究现状

1．2．1 异步电机调速系统控制策略

1．2．2 异步电机控制系统扰动抑制方法

1．2．3 异步电机无速度传感器技术

1．2．4 异步电机磁链观测技术

1．3 本文主要研究内容

第二章 鼠笼式异步电机调速系统构建及实现

2．1 引言

2．2 异步电机控制系统结构

2．2．1 变流器数学模型

2．2．2 异步电机数学模型

2．2．3 异步电机的状态方程

2．3 基于转子磁链定向的异步电机矢量控制系统

2．3．1 矢量控制基本恩摁

2．3．2 矢量控制系统结构

2．3．3 电压定向控制

2．3．4 转子磁链计算

2．4 仿真结果与分析

2．5 实验结果与分析

2．5．1 实验平台

2．5．2 实验结果与分析

2．6 本章小结

第三章 模糊PI转速调节器设计

3．1 引言

3．2 模糊控制基本原理

3．3 模糊控制器组成

3．4 模糊PI控制器设计

3．5 仿真与实验结果分析

3．6 本章小结

第四章 带扰动抑制复合滑模转速调节器

4．1 引言

4．2 异步电机扰动估计

4．2．1 滑模扰动观测器设计

4．2．2 稳定性分析及参数选择

4．2．3 滑模扰动观测器抖振分析

4．3 滑模转速控制器设计

4．4 滑模转速控制器抖振处理方法

4．4．1 混合滑模PI控制器结构

4．4．2 混合滑模PI控制器设计

4．5 仿真与实验结果分析

4．6 本章小结

第五章 异步电机模糊滑模观测器设计

5．1 引言

5．2 异步电机模糊滑模观测器的建立

5．2．1 转子磁链观测器

5．2．2 转速辨识

5．3 转子磁链观测器稳定性

5．4 模糊滑模增益设计

5．5 仿真与实验结果分析

5．6 本章小结

结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间学术研究成果