專利名稱：兼顧效率優(yōu)化的兩電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)及其解耦控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及兩電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的一種兼顧效率優(yōu)化的兩電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)及其解耦控制方法，適用于電力傳動(dòng)控制設(shè)備的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
兩變頻器驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)感應(yīng)電機(jī)構(gòu)成的兩電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，采用矢量控制的模式，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，其運(yùn)行性能和效率對(duì)工業(yè)生產(chǎn)有著十分重要的影響。兩電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)是一個(gè)典型的多入多出、非線性、強(qiáng)耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，系統(tǒng)的張力是由兩臺(tái)感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速之差形成的。造紙、紡織、建材等現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域，經(jīng)常采用多電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)傳送和卷取物料。為保證物料的高效收卷且不被拉斷和堆積，一般要求各臺(tái)電機(jī)同步協(xié)調(diào)運(yùn)行，同時(shí)使張力保持在某個(gè)給定值恒定不變，并且不受電機(jī)速度變化 的影響。因此，張力和速度的有效控制是系統(tǒng)同步運(yùn)行的關(guān)鍵。對(duì)于張力和速度之間的這種互相耦合，傳統(tǒng)PID控制存在技術(shù)瓶頸，國(guó)內(nèi)外研究者圍繞兩電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了一系列研究，有采用反饋線性化方法實(shí)現(xiàn)卷材傳送系統(tǒng)速度和張力的解耦控制，相鄰耦合誤差控制算法對(duì)兩電機(jī)系統(tǒng)的同步控制，自適應(yīng)前饋控制器和離散自適應(yīng)滑?？刂破饔糜趦呻姍C(jī)系統(tǒng)的靜態(tài)解耦，等。這些研究均基于系統(tǒng)模型，需深入了解具體系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)理和動(dòng)力學(xué)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)過(guò)程復(fù)雜，且多是針對(duì)特定的應(yīng)用背景，缺少適用于兩電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的通用控制策略設(shè)計(jì)方法。矢量控制模式下，感應(yīng)電機(jī)效率優(yōu)化是通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子磁鏈大小來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)電機(jī)處于動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程中，由于電機(jī)磁鏈和轉(zhuǎn)矩間相互耦合，磁鏈的變化不利于電磁轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性，進(jìn)而會(huì)對(duì)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速和張力的控制產(chǎn)生不利的影響。尤其是當(dāng)系統(tǒng)長(zhǎng)期處于輕載高速的動(dòng)態(tài)工況下，這種負(fù)面影響的表現(xiàn)將更為突出。對(duì)于動(dòng)態(tài)條件下調(diào)速系統(tǒng)的效率優(yōu)化，目前研究相對(duì)較少，一方面是由于這種特定情況下的能量損耗問(wèn)題尚未引起人們的足夠重視。此外，由于必須改變電機(jī)的磁鏈，將會(huì)引起電磁轉(zhuǎn)矩的耦合脈動(dòng)，進(jìn)而影響動(dòng)態(tài)過(guò)程的調(diào)整，控制難度加大?，F(xiàn)有的解決方法是采用切換控制的思想負(fù)載轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)速指令變化進(jìn)入動(dòng)態(tài)過(guò)程時(shí)，恢復(fù)為額定轉(zhuǎn)子磁鏈下的矢量控制；動(dòng)態(tài)過(guò)程結(jié)束進(jìn)入新的穩(wěn)態(tài)后，再進(jìn)行磁鏈調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)效率的優(yōu)化控制。這種方法存在著明顯的不足1)轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)的存在使轉(zhuǎn)子磁鏈上升到額定值需要一段時(shí)間，從而影響電機(jī)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度；2)由于定子勵(lì)磁電流指令變?yōu)轭~定值，則系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后再次進(jìn)行效率優(yōu)化的過(guò)程將變長(zhǎng)；3)沒(méi)有考慮電機(jī)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中的效率優(yōu)化。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的本發(fā)明提供一種兼顧效率優(yōu)化的兩電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)及其解耦控制方法，在實(shí)現(xiàn)解耦控制的基礎(chǔ)上兼顧效率優(yōu)化，有效改善系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能和運(yùn)行效率。技術(shù)方案一種兼顧效率優(yōu)化的兩電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，包括由第一臺(tái)電機(jī)、第一臺(tái)變頻器、第二臺(tái)電機(jī)和第二臺(tái)變頻器組成的兩電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，由表征逆系統(tǒng)非線性映射關(guān)系的最小二乘支持向量機(jī)(LSSVM)和表征逆系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的積分器組成的LSSVM逆系統(tǒng)；所述LSSVM逆系統(tǒng)和兩電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)串聯(lián)得到包含磁鏈、速度及張力子系統(tǒng)的偽線性復(fù)合系統(tǒng)；將PID控制器作為實(shí)現(xiàn)偽線性復(fù)合系統(tǒng)閉環(huán)控制的附加控制器，LSSVM逆系統(tǒng)和閉環(huán)控制器共同組成LSSVM逆控制器。—種兼顧效率優(yōu)化的兩電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)解耦控制方法，包括建立考慮電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈的兩電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行可逆性分析；設(shè)計(jì)由表征逆系統(tǒng)非線性映射關(guān)系的最小二乘支持向量機(jī)(LSSVM)和表征逆系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的積分器組成的LSSVM逆系統(tǒng)，將LSSVM逆系統(tǒng)作為前饋控制器與兩電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)串聯(lián)，得到包含磁鏈、速度及張力子系統(tǒng)的偽線性復(fù)合系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)兩電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的近似線性化和解耦；設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單實(shí)用的PID控制器作為附加控制器，實(shí)現(xiàn)偽線性復(fù)合系統(tǒng)閉環(huán)控制；在此基礎(chǔ)上，采用基于電機(jī)損耗模型的轉(zhuǎn)子磁鏈優(yōu)化給定，完成兼顧效率優(yōu)化的兩電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的解稱控制。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的兼顧效率優(yōu)化的兩電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)及其解耦控制方法，具有如下優(yōu)點(diǎn)I、串聯(lián)LSSVM逆前饋控制器后得到的偽線性復(fù)合系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了兩電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的解耦和線性化，使通過(guò)附加簡(jiǎn)單的閉環(huán)控制器來(lái)獲取高性能的控制效果成為可能。2、在解耦控制的基礎(chǔ)上，基于電機(jī)損耗模型的轉(zhuǎn)子磁鏈優(yōu)化給定方法，既能保證系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，又能提聞電機(jī)動(dòng)、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行效率。3、本發(fā)明提出的控制策略，并未增加系統(tǒng)的硬件成本，毋需改變?cè)械目刂平Y(jié)構(gòu)，兼顧了兩電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)性能和效率的控制需求。若能結(jié)合電機(jī)參數(shù)在線自適應(yīng)辨識(shí)技術(shù)，消除參數(shù)變化對(duì)效率優(yōu)化結(jié)果的影響，控制策略的應(yīng)用前景將更為廣闊。


圖I為本發(fā)明實(shí)施例中考慮感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈的兩電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的框圖，圖中有1、兩電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)2、第一臺(tái)電機(jī)的定子電流iSD1i 3、第一臺(tái)電機(jī)的同步速ωι4、第二臺(tái)電機(jī)的定子電流ism2 5、第二臺(tái)電機(jī)的同步速ω2 6、第一臺(tái)電機(jī)的磁鏈Ψμ 7、第一臺(tái)電機(jī)的速度8、第二臺(tái)電機(jī)的磁鏈9、系統(tǒng)張力F ；圖2為本發(fā)明實(shí)施例中最小二乘支持向量機(jī)(LSSVM)逆與兩電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)串聯(lián)構(gòu)成的偽線性復(fù)合系統(tǒng)的示意圖及其等效圖，圖中有積分器10、LSSVM I、兩電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)11、LSSVM逆系統(tǒng)12、偽線性復(fù)合系統(tǒng)；圖3為本發(fā)明實(shí)施例中兼顧效率優(yōu)化的LSSVM逆控制方法對(duì)兩電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行控制的原理框圖，圖中有23、磁鏈優(yōu)化模型24、磁鏈優(yōu)化模型17、線性閉環(huán)控制器22、LSSVM逆控制器I、兩電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定的范圍。如圖1-3所示，兼顧效率優(yōu)化的兩電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，包括由第一臺(tái)電機(jī)、第一臺(tái)變頻器、第二臺(tái)電機(jī)和第二臺(tái)變頻器組成的兩電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)1，由表征逆系統(tǒng)非線性映射關(guān)系的LSSVM10和表征逆系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的積分器組成的LSSVM逆系統(tǒng)11 ;LSSVM逆系統(tǒng)11和兩電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)I串聯(lián)得到包含磁鏈、速度及張力子系統(tǒng)的偽線性復(fù)合系統(tǒng)12 ；將PID控制器作為實(shí)現(xiàn)偽線性復(fù)合系統(tǒng)12閉環(huán)控制的附加控制器，LSSVM逆系統(tǒng)11和線性閉環(huán)控制器17共同組成LSSVM逆控制器22。兼顧效率優(yōu)化的兩電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)解耦控制方法，具體實(shí)施分以下6步I、將一臺(tái)感應(yīng)電機(jī)和一臺(tái)變頻器看作一個(gè)整體，建立考慮感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈的兩電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)1，以第一臺(tái)電機(jī)的定子電流isnil2、第一臺(tái)電機(jī)的同步速ωΑ第二臺(tái)電機(jī)的定子電流ism24及第二臺(tái)電機(jī)的同步速ω#為輸入，第一臺(tái)電機(jī)的磁鏈Vrt6、第一臺(tái)電機(jī)的速度ωΗ7、第二臺(tái)電機(jī)的磁鏈Ψ#及兩臺(tái)電機(jī)之間的系統(tǒng)張力F9為輸出，如圖I所
/Jn ο
2、對(duì)感應(yīng)電機(jī)的機(jī)械/電氣模型及系統(tǒng)張力方程進(jìn)行分析，可知兩電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為五階微分方程。四個(gè)輸出分別為第一臺(tái)電機(jī)的磁鏈 、第一臺(tái)電機(jī)的速度《^7、第二臺(tái)電機(jī)的磁鏈及兩臺(tái)電機(jī)之間的系統(tǒng)張力F9,根據(jù)Interactor算法計(jì)算，其相對(duì)階數(shù)分別為一階、一階、一階及二階，整個(gè)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的逆系統(tǒng)存在，并可確定其逆系統(tǒng)的輸入變量為的一階導(dǎo)數(shù)P、ωΓ 7的一階導(dǎo)數(shù)<丨、ψγ28的一階導(dǎo)數(shù)W及F9的二階導(dǎo)數(shù)戶;輸出變量為兩電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)I的輸入第一臺(tái)電機(jī)的定子電流isml2、第一臺(tái)電機(jī)的同步速第二臺(tái)電機(jī)的定子電流ism24及第二臺(tái)電機(jī)的同步速ω25。3、將兩臺(tái)變頻器設(shè)置為矢量控制運(yùn)行模式，用符合實(shí)際運(yùn)行范圍的隨機(jī)方波作為兩電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)I的輸入isml2、coJUJ和ω25，使兩電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)I正常運(yùn)行。對(duì)輸入輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，并對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑濾波，利用5點(diǎn)求導(dǎo)法求取輸出的相應(yīng)導(dǎo)數(shù)，并等間隔取樣。以 ，式/'丨作為輸入、{isml，ω1； ism2，ω2}作為
輸出，離線訓(xùn)練最小二乘支持向量機(jī)(LSSVM) 10。其中LSSVM 10選擇的核函數(shù)為高斯函數(shù)K(x，Xi) = exp (-I I X-Xi I 12/2 σ2)，并通過(guò)交叉驗(yàn)證法獲取合適的正歸化參數(shù)和核寬度。4、將離線訓(xùn)練好的LSSVM 10加五個(gè)積分器的形式構(gòu)成LSSVM逆系統(tǒng)11 (見(jiàn)圖2左圖中的虛線框內(nèi)所示)，LSSVM逆系統(tǒng)11與兩電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)I串接構(gòu)成偽線性復(fù)合系統(tǒng)12,形成第一臺(tái)電機(jī)磁鏈的一階子系統(tǒng)13、第一臺(tái)電機(jī)速度的一階子系統(tǒng)14、第二臺(tái)電機(jī)磁鏈的一階子系統(tǒng)15，及系統(tǒng)張力的二階子系統(tǒng)16，如圖2所示，將復(fù)雜非線性耦合系統(tǒng)的控制轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的四個(gè)線性子系統(tǒng)的控制。5、依據(jù)線性系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，對(duì)得到的四個(gè)子系統(tǒng)分別進(jìn)行閉環(huán)控制器17設(shè)計(jì)。本發(fā)明采用最為簡(jiǎn)單成熟、工程應(yīng)用最多的PID調(diào)節(jié)器，分別得到第一臺(tái)電機(jī)磁鏈控制器18、第一臺(tái)電機(jī)速度控制器19、第二臺(tái)電機(jī)磁鏈控制器20、系統(tǒng)張力控制21。將LSSVM逆系統(tǒng)11和閉環(huán)控制器17共同組成LSSVM逆控制器22 (見(jiàn)圖3中的虛線框內(nèi)所示)。6、計(jì)算感應(yīng)電機(jī)的損耗，并定義電機(jī)效率，可得到不同轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩下的轉(zhuǎn)子磁鏈優(yōu)化設(shè)定值
Ir2/ (K Ti +R Rr +R R,.)ψν = 4 V,、2'-Ψ-根據(jù)轉(zhuǎn)子磁鏈優(yōu)化給定分別設(shè)計(jì)兩臺(tái)感應(yīng)電機(jī)的磁鏈優(yōu)化模型23、磁鏈優(yōu)化模型24，獲取磁鏈最優(yōu)值25謬126。兼顧效率優(yōu)化的兩電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)解耦控制方法如圖 3所示。
權(quán)利要求
1.一種兼顧效率優(yōu)化的兩電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，其特征在于包括由第一臺(tái)電機(jī)、第一臺(tái)變頻器、第二臺(tái)電機(jī)和第二臺(tái)變頻器組成的兩電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，由表征逆系統(tǒng)非線性映射關(guān)系的最小二乘支持向量機(jī)和表征逆系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的積分器組成的LSSVM逆系統(tǒng)；所述LSSVM逆系統(tǒng)和兩電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)串聯(lián)得到包含磁鏈、速度及張力子系統(tǒng)的偽線性復(fù)合系統(tǒng)；將PID控制器作為實(shí)現(xiàn)偽線性復(fù)合系統(tǒng)閉環(huán)控制的附加控制器，LSSVM逆系統(tǒng)和閉環(huán)控制器共同組成LSSVM逆控制器。
2.一種兼顧效率優(yōu)化的兩電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)解耦控制方法，其特征在于，包括 建立考慮電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈的兩電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行可逆性分析；設(shè)計(jì)由表征逆系統(tǒng)非線性映射關(guān)系的最小二乘支持向量機(jī)和表征逆系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的積分器組成的LSSVM逆系統(tǒng)，將LSSVM逆系統(tǒng)作為前饋控制器與兩電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)串聯(lián)，得到包含磁鏈、速度及張力子系統(tǒng)的偽線性復(fù)合系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)兩電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的近似線性化和解耦；設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單實(shí)用的PID控制器作為附加控制器，實(shí)現(xiàn)偽線性復(fù)合系統(tǒng)閉環(huán)控制；采用基于電機(jī)損耗模型的轉(zhuǎn)子磁鏈優(yōu)化給定，完成兼顧效率優(yōu)化的兩電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的解耦控 制。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種兼顧效率優(yōu)化的兩電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)及其解耦控制方法，系統(tǒng)包括由兩電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)和LSSVM逆系統(tǒng)；LSSVM逆系統(tǒng)和兩電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)串聯(lián)得到偽線性復(fù)合系統(tǒng)；LSSVM逆系統(tǒng)和閉環(huán)控制器共同組成LSSVM逆控制器。方法建立考慮電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈的兩電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行可逆性分析；設(shè)計(jì)由最小二乘支持向量機(jī)和積分器組成的LSSVM逆系統(tǒng)，將其作為前饋控制器與原系統(tǒng)串聯(lián)，得到偽線性復(fù)合系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)兩電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的近似線性化和解耦；將PID控制器作為附加控制器，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制；采用基于電機(jī)損耗模型的轉(zhuǎn)子磁鏈優(yōu)化給定，完成兼顧效率優(yōu)化的兩電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的解耦控制。
文檔編號(hào)H02P5/50GK102969948SQ201210434798
公開(kāi)日2013年3月13日 申請(qǐng)日期2012年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月2日
發(fā)明者張懿, 魏海峰, 馮友兵, 王玉龍, 朱志宇 申請(qǐng)人:江蘇科技大學(xué)