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交流电机伺服电动缸系统控制算法国内外研究现状

发布日期:2020-04-27

      纵观交流电机控制领域,在实际工程中,矢量控制和直接转矩控制是目前国内外最常用的控制策略。控制策略的选择直接影响着交流伺服电动缸系统的性能,因此, 需要根据伺服电动缸系统实际应用中要求的性能指标,进行不同控制策略的选择和设计。 其中,直接转矩控制策略虽然顾名思义能够直接对转矩进行控制,并且具有响应 速度快,控制结构简单,鲁棒性好等特点,但其电流利用率较低,而且具有原理 性的缺陷,进一步导致电机转矩脉动大,无法满足高性能伺服电动缸系统工程应用场合的要求。而矢量控制以坐标变换为基础将复杂的电机方程进行简化,使得电机 具有低速性能好、电流脉动小、电流利用率高和调速范围宽等特点,从而使其始终是电机伺服电动缸系统领域的首选。目前很多相关的电机伺服电动缸系统控制算法研究都是 在矢量控制方法的基础上,结合现代控制理论来进行的。

       在矢量控制的解耦下,交流伺服电机被等效为直流电机进行控制,使整个电机系统分为电流环、速度环和位置环三环结构,每个环都由一个控制器进行控制, 这种控制器最早采用 PID 控制器。众所周知,虽然 PID 控制凭它简单实用的工作 原理,已经逐渐成为了实际工程项目最常用的控制方法;可是,不能否认它在原 理上存在着一些不可避免的问题,比如,为消除静差而加积分项所引起的系统滞 后,响应速度与超调的矛盾等等。使得其在性能指标要求较高或实际工况复杂的 情况下难以满足要求。因此,近年来国内外学者致力于对这种经典的基于 PID 控制器的矢量控制算法进行改进和优化,通过采用逐渐发展起来的现代控制算法添加到原来的系统中或者去替代原来的 PID 控制器,构成性能更好的交流电机伺服 系统控制算法,这些控制策略中在实际工程中应用较多的有以下几种:

       第一种是滑模变结构控制算法,其控制量根据当前的状态有目的地不断变化, 迫使系统按照设计好的“滑动模态”的轨迹运动。因为这种控制方 式使得系统状态轨迹只与“滑动模态”的设计相关而具有不依赖模型信息、鲁棒 性强、易于工程实现等优点,所以在电机伺服控制领域中大受欢迎。但是,当 系统状态轨迹到达滑模面后,由于系统惯性、开关切换动作所造成的控制不连续 性的影响,造成状态轨迹在滑模面左右穿梭,使得系统出现“抖振”现象。这将 降低系统性能,甚至还可能导致系统不稳定。因此,滑模变结构控制的抖振问题 成为了限制其在工程应用中推广的最大障碍。同时,抖振的抑制也成为了目前 该控制策略的主要研究方向。

      第二种是自适应控制算法,这种控制技术依靠不断采集控制过程的信息,确 定被控对象的当前实际状态,根据优化性能的准则,产生自适应控制律;它能够 在系统工作中实时地调整控制器结构或参数,使系统始终工作在最优或次最优的 运行状态下。其中,模型参考自适应控制算法的应用最为广泛, 通过实际被控对象以及额外建立的与之模型相同的参考模型的两个输 出之差产生自适应律来调节控制器参数。虽然这种控制方法在系统参数不确定或摄动时,仍能有不错的表现。但是,它需要建立参考模型,结构复杂,实现难度大,并且对不确定因素较复杂的系统而言,效果不够理想。比如因为辨识和参数调整需要一定的计算和调节的时间,而当参数变化较快时,系统就难以实现快速 跟随。

       第三种是自抗扰控制算法,作为一种主动抗扰控制技术,它以简单的积分串 联型为标准型,把系统动态中不同于标准型的部分看作系统总扰动,通过跟踪微分器(TD)安排给定信号的过渡过程并得到同步微分信号,设计扩张状态观测器 (ESO)对总扰动进行实时观测估计,并且把观测出来的总扰动引入控制器,通过 与反馈控制律(NLSEF)输出的控制量进行结合形成消除扰动影响的最终控制量, 从而把在复杂不确定因素影响下的被控对象还原为标准的积分串联型,实现抗扰的目的。

      自抗扰控制技术不仅能抑制系统各种不确定因素的影响,而且设计方法简单, 几乎不需要系统的精确模型;它具有抗扰动能力强、动态响应快、运行可靠性高、 计算量小鲁棒性强等优点。这使得其在航空航天、发输变电以及伺服控制等各种 工程应用场合都得到发展和应用。不过,自抗扰控制也存在一些限制其更广泛应 用的缺陷,其中最主要的问题就是其参数较多,且部分参数没有实际物理意义, 同时各参数间还有互相的影响,使得参数整定难度大耗时长。因此目前在自抗扰 控制研究领域中的主要研究方向为对自抗扰控制器参数的简化和优化或者是对参 数整定方法的研究。

      除了上述这些已经在实际工程中应用较多的控制策略之外,近年来还有各种 先进的伺服电动缸系统智能控制算法理论得到不断发展,如神经网络、模糊控制、 粒子群优化等,但智能算法的计算量普遍较高,对控制器硬件的要求更高,而 且很多理论尚未成熟,目前在实际工程中应用难度较大。

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