一种基于模糊反步自适应控制的数字式发电机控制器设计方法

摘要

本发明涉及一种基于模糊反步自适应控制的数字式发电机控制器设计方法，应用Lyapunov稳定性理论设计模糊反步自适应控制器。设计时，首先要根据三级式发电机的二阶近似数学模型得到其状态空间表达式，再根据反步自适应控制器设计方法，针对该二阶系统设计Lyapunov函数和中间虚拟控制量并为系统中的未知参数设计自适应律。然后再根据反步自适应控制律中的未知参数，采用模糊控制原理设计模糊控制规则，从而确定合适的自适应规律；通过设置模糊控制环节，针对反步自适应方法设计出的控制律，对其中的未知参数再采用模糊控制方法进行调节，使调节性能最大限度的接近理想调整曲线。

说明书

技术领域

本发明设计属于电气设备及电气工程领域，尤其涉及一种基于模糊反步自适应控制的数字式发电机控制器设计方法。

背景技术

由于飞机变频交流电源系统的高度非线性对控制器的动稳态性能会产生不利影响，传统的PI控制参数整定主要依靠人工经验，准确度较低且调参耗费时间长。为获得优良的调节性能，本发明在PI控制的基础上加入反步自适应控制和模糊控制以改善PI调节存在的不足，从而提高调压系统的性能。

模糊反步自适应控制系统的基本原理是：反步控制法通过为每个子系统设计Lyapunov函数和中间虚拟控制量，最终完成整体控制律的推导。但反步控制较依赖控制对象数学模型中各参数的精确性，所以在时变系统中较难保证稳定性。在实际应用中，反步控制很少单独使用，需要与一些参数观测方法相结合，来适应系统运行时控制参数的变化。其中，自适应控制与反步控制的结合运用最为广泛。反步自适应控制针对反步控制器中的每一个不确定参数设计自适应律，来提高系统克服参数扰动的能力。对得到的反步自适应控制律中的未知参数再利用模糊控制实现对其参数的自调整。

经典的反步自适应方法利用调节函数和非线性阻尼项来使闭环系统稳定，而本发明通过自适应增益和标准化的估计律来稳定系统。它在处理参数估计误差时，没有采用过参数化、调节函数和非线性阻尼项，所以闭环系统的局部稳定性可以得到保证。

申请号CN201710162434.5公开了一种改进的超声波反步自适应伺服控制方法，具体包括提供一基座以及设于基座上的超声波电机，该超声波电机一侧轴与光电编码器相连接，另一侧输出轴与飞轮惯性负载相连接，所述飞轮惯性负载的输出轴经联轴器与力矩传感器相连接，所述光电编码器的信号输出端、所述力矩传感器的信号输出端分别接至一控制系统。所述控制系统建立在反步控制的基础上，在反步自适应控制器以Lyapunov函数为其调整函数，用以获得更好的控制效能。该控制系统由反步控制器和电机组成，整个控制器的系统建立在反步计算的基础上，从而能获得更好的控制效能。该装置及其控制方法不仅控制准确度高，而且结构简单、紧凑，使用效果好。

申请号CN201810959512.9公开了一种刚体航天器的反步自适应滑模大角度姿态机动控制方法，主要包括：建立了刚体航天器基于误差姿态四元数的运动学方程和动力学方程；设计了反步自适应滑模大角度姿态机动控制算法。该发明可以使航天器系统具有良好的稳定性，当航天器系统惯量发生较大变化时，航天器的姿态能很快趋于稳定；拥有较快的瞬态响应能力。

发明内容

在发电机调压系统中，随着频率升高，发电机调压系统自身的稳定性会下降，当采用传统PI控制策略时，在同一控制参数下，会出现在低频情况下调节特性良好，但在高频情况下发生震荡的不稳定现象。由此需要设计出在各频率段均具有良好动稳态性能的控制器。

由于飞机电源系统的时变性，运行条件、网络参数等经常变化，恒定增益系数的PI控制器有时并不能满足系统的实际要求，在低频时调节性能良好的PI参数在高频时并不能获得较好的调节性能，因此为了保证调压系统的稳定性，需要在不同频率段实时调节控制参数。

针对上述内容，为解决上述问题提出了一种基于模糊反步自适应控制的数字式发电机控制器设计方法，包括：

三级式变频交流发电系统采用的三级式发电机分别为永磁副励磁机、主励磁机和主发电机；使用PWM调节励磁回路的励磁电流从而实现对发电机电压的调节。

调压方式为电压外环将发电机输出电压Vo与参考电压Vref作差得到一级误差，对该误差进行调节后，与负载电流iout补偿值相加，作为励磁电流反馈环的参考值ifref，再减去此刻的励磁电流if，得到的二级误差再经过励磁反馈环调节后产生PWM信号，控制励磁回路中开关管的通断，从而控制发电机的输出电压。

采用同一PI控制参数难以保证调压系统稳定性，且难以获得最优的控制效果，因此首先引入反步控制，为每个子系统设计Lyapunov函数和中间虚拟控制量，但反步控制较依赖控制对象数学模型中各参数的精确性，所以在时变系统中较难保证稳定性；因此，又引入自适应控制方法来适应系统运行时控制参数的变化，反步自适应控制针对系统中的每一个不确定参数设计自适应律，来提高系统克服参数扰动的能力。根据反步自适应控制器中的不确定参数，更进一步引入模糊控制，最终完成整体控制律的推导。

本发明为解决以上技术问题所采取的技术方案是：

应用Lyapunov稳定性理论设计模糊反步自适应控制器。设计时，首先要根据三级式发电机的二阶近似数学模型得到其状态空间表达式，再根据反步自适应控制器设计方法，针对该二阶系统设计Lyapunov函数和中间虚拟控制量并为系统中的未知参数设计自适应律。然后再根据反步自适应控制律中的未知参数，采用模糊控制原理设计模糊控制规则，从而确定合适的自适应规律。

为了使PI控制也具有模糊反步自适应控制的优越性，将电压环采用模糊反步自适应控制，而励磁电流环和负载电流环仍采用PI控制，将两种控制策略有机结合，设计出调压系统的控制器，可以迅速地跟随电压参考值输出，可以无超调的输出电压且调节时间较快，在外界负载条件发生变化时可以快速恢复至稳态值，同时电压浪涌值较小。不论发电机转速如何变化，输出电压仍能快速稳定在参考值，不论在何种频率下，均具有良好的控制效果。

由于三级式发电机高阶与低阶传递函数的幅频特性曲线呈现出较高的匹配性，采用二阶传递函数来近似描述三级式发电机：

式中a

其中，具有不确定参数的线性项f(x

e(t)＝y

同时，结合状态空间方程，定义系统跟踪误差变量z

式中ξ是为了消除稳态误差为引入的误差积分变量，同时取

针对式(2)所示的具有未知参数的非线性系统采用反步自适应控制方法设计控制律，引入参数ρ＝1-b，参数θ

其中k

则引入参数ρ和θ的自适应律分别为：

其中K为简化公式所取的中间变量，无实际意义。sgn(b)＝sgn(ρ)＝|ρ|

在反步自适应控制器中，若忽略微分环节，仅采用PI控制，可以得到c

本发明的有益效果是：1)具有自动调整控制器参数、能够适应被控过程参数变化等一系列优点；2)具有常规PI控制器的结构简单、鲁棒性好、可靠性高等优点；3)设置了模糊控制环节，针对反步自适应方法设计出的控制律，对其中的未知参数再采用模糊控制方法进行调节，可以使调节性能最大限度的接近理想调整曲线。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图进行示例性说明，这些示例性说明和附图并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件示为类似的元件，附图不构成比例限制，并且其中：

图1基于模糊反步自适应控制的调压系统仿真模型；

图2400-800Hz输出电压有效值波形；

图3400-800Hz突加突卸负载时输出电压有效值波形；

图4传统PI控制和模糊反步自适应控制输出电压有效值波形；

图5传统PI控制和模糊反步自适应控制在突加突卸负载时输出电压有效值波形。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行描述和说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请提供的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本申请应用于其他类似情景。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本申请公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本申请揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本申请公开的内容不充分。

在本申请中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域普通技术人员显式地和隐式地理解的是，本申请所描述的实施例在不冲突的情况下，可以与其它实施例相结合。

除非另作定义，本申请所涉及的技术术语或者科学术语应当为本申请所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请所涉及的“一”、“一个”、“一种”、“该”等类似词语并不表示数量限制，可表示单数或复数。本申请所涉及的术语“包括”、“包含”、“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；例如包含了一系列步骤或模块(单元)的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可以还包括没有列出的步骤或单元，或可以还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

现结合实施例、附图对本发明进一步描述：

实施例1：

以三级式无刷交流发电机作为被控对象，其传递函数为

式中a

针对式(9)所示系统，根据传递函数与状态空间方程之间的关系得出本系统的状态空间方程如式(10)。

其中，具有不确定参数的线性项f(x

对于二阶子系统设计Lyapunov函数分别为：

最后得到控制律为：

在上文所推导的反步自适应控制器中，若忽略微分环节，仅采用PI控制，则可以得到c

通过搭建模糊反步自适应控制的仿真模型可以获得400-800Hz的模糊反步自适应控制器仿真波形，如图2所示。在纯阻性负载下进行突加突卸负载仿真，得到400-800Hz的输出电压有效值波形如图3所示。同时，将增量式PI仿真结果与模糊反步自适应仿真结果进行对比分析，得到仿真波形对比图如图4和图5所示，从中可以看出，模糊反步自适应控制系统的调节时间短，系统无超调，具有较好的控制效果。

在不同工作条件下，增量式PI控制和基于模糊反步自适应控制的仿真结果如表1所示。在PI控制器的调节作用下，随着频率的增加，由于系统开环传递函数的增益变大，发电机输出电压超调和电压调制也随之增加，并且在同一频率时，低载条件下的发电机输出电压超调和电压调制都会更大。因此，400Hz、额定负载时整定得到的PI参数明显不适用于其它工作条件。加入模糊控制和反步自适应控制后，输出电压没有超调量且电压调制也明显减小，表明模糊反步自适应控制可以抑制扰动对系统的影响，使调压系统在不同的工作条件下均能获得较好的稳态性能。

由于发电机调压系统在工作的时候，频率和负载会随时变化，除了要保证调压系统在各个工作条件下的稳态性能，也要保证在工作条件发生变化时发电机输出电压能够快速恢复稳态，具有良好的动态性能。对不同频率下的调压系统进行突加、突卸负载的仿真。在0.5s时突卸负载，1s时突加负载，得到发电机带载情况下仿真数据如下表2所示。

综上，本发明将具有未知参数的线性对象的控制看作一个非线性问题，针对具有不确定性的线性系统，基于Lyapunov函数的线性控制律提出了一种自适应反步控制设计方法，最后再结合模糊控制，完成了整体控制律的推导。总之，模糊反步自适应控制器吸收了模糊控制和反步自适应控制的双重优点，而且本发明通过自适应增益和标准化的估计律来稳定系统，在处理参数估计误差时，没有采用过参数化、调节函数和非线性阻尼项，所以闭环系统的局部稳定性可以得到保证。

表1增量式PI控制和模糊反步自适应控制仿真结果

表2增量式PI控制和模糊反步自适应控制突加突卸负载仿真结果

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。