高潔, 王華宇, 徐萌
(中國民航大學(xué) 電子信息與自動(dòng)化學(xué)院,天津 300300)
開關(guān)磁阻電機(jī)(switched reluctance motor, SRM)具有結(jié)構(gòu)簡單,能適應(yīng)惡劣環(huán)境,容錯(cuò)率強(qiáng)等顯著優(yōu)勢。但是由于SRM自身的強(qiáng)非線性,很難建立精確的數(shù)學(xué)模型,當(dāng)電機(jī)的內(nèi)部參數(shù)變化時(shí),傳統(tǒng)的PID算法難以滿足系統(tǒng)對高性能指標(biāo)的要求。隨著控制理論的發(fā)展,迭代學(xué)習(xí)控制、內(nèi)??刂?、滑??刂频戎T多算法相繼應(yīng)用于SRM調(diào)速系統(tǒng),其中滑模控制具有較強(qiáng)的魯棒性、對模型精確度要求不高,能夠很好地適應(yīng)SRM轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng),然而常規(guī)滑??刂浦邢到y(tǒng)的快速性和抖振程度是相互矛盾的,并且只能得到系統(tǒng)狀態(tài)的漸近收斂特性。
針對滑模控制的抖振問題,許多學(xué)者給出了解決方案,例如將模糊控制[1-2]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法[3-4]、邊界層[5-6]與滑模控制結(jié)合。文獻(xiàn)[7]針對一類非線性欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的二階滑??刂品椒?,該方法可以保證控制輸入及其導(dǎo)數(shù)的平滑性,進(jìn)而成功避免了抖振問題,將該方法應(yīng)用于橋式起重機(jī)系統(tǒng),得到了很好的控制效果。文獻(xiàn)[8]首次提出了分?jǐn)?shù)階魯棒控制的概念并將其應(yīng)用在汽車工業(yè)中,可以看成分?jǐn)?shù)階微積分里程碑式的應(yīng)用成果。文獻(xiàn)[9]采用分?jǐn)?shù)階積分滑模面和自適應(yīng)趨近律,即使系統(tǒng)存在不確定項(xiàng),也能獲得較高的收斂精確度,仿真結(jié)果表明分?jǐn)?shù)階滑模面的抖振情況確實(shí)優(yōu)于整數(shù)階滑模面,該控制方法具有較高的跟蹤精確度和魯棒性。文獻(xiàn)[10]針對高速直線運(yùn)動(dòng)球型機(jī)器人的模型設(shè)計(jì)了一種分?jǐn)?shù)階積分遞階滑??刂破鳎抡娼Y(jié)果說明該控制方法的收斂速度、穩(wěn)定性、魯棒性和抖振情況均優(yōu)于普通的滑??刂破鳌N墨I(xiàn)[11]將自適應(yīng)分?jǐn)?shù)階微積分滑模面應(yīng)用于永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng),利用李雅普諾夫定理證明了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,對比了整數(shù)階控制器與分?jǐn)?shù)階控制器的控制性能,證明了分?jǐn)?shù)階控制器具有更優(yōu)越的動(dòng)態(tài)特性和抗干擾能力。
在收斂時(shí)間方面,傳統(tǒng)的線性滑模面只能得到系統(tǒng)狀態(tài)的漸近收斂特性,終端滑??刂茖⒎蔷€性函數(shù)引入滑模面,來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的有限時(shí)間收斂。文獻(xiàn)[12]認(rèn)為傳統(tǒng)的滑模控制只關(guān)注系統(tǒng)的最終狀態(tài),并沒有對系統(tǒng)的瞬態(tài)做約束,針對該問題提出了一種有限時(shí)間有界性的滑??刂疲胂到y(tǒng)分段策略,對到達(dá)階段和滑模階段的有限時(shí)間有界性分別進(jìn)行了分析,通過對制導(dǎo)系統(tǒng)仿真,驗(yàn)證了所提方法的有效性。文獻(xiàn)[13]針對不確定非線性系統(tǒng)的有限時(shí)間控制問題,提出了一種自適應(yīng)滑模擾動(dòng)觀測器與連續(xù)非奇異終端滑??刂坡式Y(jié)合的控制方案,并且證明了觀測器誤差和系統(tǒng)狀態(tài)都是有限時(shí)間收斂的,仿真實(shí)驗(yàn)說明該方法提高了系統(tǒng)的綜合控制性能。文獻(xiàn)[14]探討了終端滑??刂圃赟RM調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用,該控制器可以使系統(tǒng)保持線性滑模面的收斂速度和在有限時(shí)間內(nèi)收斂到平衡點(diǎn),通過與PID控制器對比說明其具有更快的收斂速度。
針對目前SRM滑模控制中的抖振問題和漸近收斂問題,基于上述文獻(xiàn)的思想,本文提出一種改進(jìn)分?jǐn)?shù)階終端滑模面,保證系統(tǒng)的狀態(tài)到達(dá)滑模面后,始終具有較快的收斂速度并可以有效改善系統(tǒng)的抖振。然后說明該分?jǐn)?shù)階滑模面是Mittag-Leffler穩(wěn)定的,基于李雅普諾夫穩(wěn)定性理論分析整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和有限時(shí)間收斂特性。將該改進(jìn)分?jǐn)?shù)階終端滑??刂破鲬?yīng)用于SRM轉(zhuǎn)速控制中,通過與常規(guī)滑模控制器進(jìn)行對比,證明該方法的有效性。
定義1:函數(shù)f(t)的Riemann-Liouville型分?jǐn)?shù)階積分的定義為[15]
(1)
式中:i>0是分?jǐn)?shù)階積分階次;Γ(i)是Gamma函數(shù)。
給定函數(shù)的RL分?jǐn)?shù)階微分定義為
(2)
定理1:若存在連續(xù)正定V(x):Rn→R滿足[16]
(3)
(4)
式中參數(shù)η>0,0 (5) 引理1:冪函數(shù)f(t)=tμ,且μ>-1,則[15] (6) 引理2:設(shè)Xeq=0是系統(tǒng)的平衡點(diǎn),D?Rn是包括原點(diǎn)有界的閉域。如果函數(shù)V(t,X(t))∶[0,∞)→R關(guān)于t是連續(xù)可微的,X滿足局部Lipschitz條件,并且[17] a1‖X(t)‖a≤V(t,X(t))≤a2‖X(t)‖ab, (7) (8) 式中t>0,X∈Ω,ξ∈(0,1),a1、a2、a3、a和b是給定的任意常數(shù)。那么Xeq=0是Mittag-Leffler穩(wěn)定的,如果假設(shè)條件在Rn上全局成立,則Xeq=0是全局Mittag-Leffler穩(wěn)定的。 由SRM的轉(zhuǎn)子機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程 (10) 進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為狀態(tài)空間表達(dá)形式 (12) 根據(jù)文獻(xiàn)[19],得到如下的終端滑模面 (12) 式中0<α<1。此時(shí)系統(tǒng)的收斂情況如圖1所示,可以看出當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)遠(yuǎn)離平衡點(diǎn)時(shí),收斂速度很慢。 圖1 0<α<1時(shí)的相平面圖Fig.1 Phase plan of 0<α<1 提出如下改進(jìn)終端滑模面 (13) 式中β>1>α>0,由圖2可知該滑模面保證了x1在整個(gè)相平面都有較快的收斂速度。 圖2 β>1>α>0時(shí)的相平面圖Fig.2 Phase plan of β>1>α>0 文獻(xiàn)[20]說明了分?jǐn)?shù)階滑模面減弱系統(tǒng)抖振的基本原理,本文將分?jǐn)?shù)階微分項(xiàng)引入改進(jìn)終端滑模面,最后選取改進(jìn)分?jǐn)?shù)階終端滑模面為 s=c1|x1|αsign(x1)+c2|x1|βsign(x1)+Dγx1。 (14) 式中c1>0,c2>0,β>1>α>0,1>γ>0。 對式(14)求一階導(dǎo)數(shù)可得 (15) 則可由式(15)得到等效控制率為 (16) 取切換控制率為 usw=-D1-γ[ksign(s)]。 (17) 分?jǐn)?shù)階微積分形式的符號函數(shù)的性質(zhì)與符號函數(shù)的性質(zhì)類似[21],分?jǐn)?shù)階微分型符號函數(shù)和普通符號函數(shù)的對比如圖3所示,其中分?jǐn)?shù)階微分的階次為0.1,輸入為正負(fù)周期變化的函數(shù),輸出為該函數(shù)的符號函數(shù)。 由圖3可以看出,分?jǐn)?shù)階微分型符號函數(shù)可以降低系統(tǒng)狀態(tài)變量在開關(guān)面附近的切換幅值,使得系統(tǒng)的狀態(tài)更加貼近滑模面,削弱系統(tǒng)抖振。 圖3 兩種符號函數(shù)的對比Fig.3 Comparison of two sign function 改進(jìn)分?jǐn)?shù)階終端滑??刂坡蕿?/p> u=ueq+usw。 (18) 由于在滑模面中引入了非線性項(xiàng)和分?jǐn)?shù)階微分項(xiàng),常規(guī)李雅普諾夫函數(shù)無法分析本文提出的滑模面穩(wěn)定性。下面將系統(tǒng)在狀態(tài)空間中分為|x1|<1和|x1|≥1兩部分討論,然后先根據(jù)引理2證明所提出的改進(jìn)分?jǐn)?shù)階終端滑模面的穩(wěn)定性,再證明其有限時(shí)間收斂特性。 取a1=a2=1,ab=2,p為偶數(shù),q為奇數(shù)且p、q互質(zhì),再取常數(shù)λ與p、q滿足以下關(guān)系 (19) 當(dāng)|x1|<1時(shí),首先討論引理2的第1個(gè)條件,取函數(shù) (20) 取a、b和λ滿足以下條件 (21) 從而有 a1|x1|a≤V(x1)≤a2|x1|ab。 (22) 即可證明式(7)成立。 再討論引理2的第2個(gè)條件,當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)到達(dá)滑模面時(shí),有s=0,則由式(14)可得 Dγx1=-c1|x1|αsign(x1)-c2|x1|βsign(x1)。 (23) 對式(20)求γ階導(dǎo)數(shù),由引理1可得 (24) 由式(21)中的參數(shù)取值和Γ函數(shù)的性質(zhì)可得 (25) 將式(23)代入式(24)可得 (26) DγV(x1)≤0。 (27) 再由式(26)得 DγV(x1)=A(-c1|x1|α+2λ-c2|x1|β+2λ)≤ -2minA(c1,c2)|x1|α+2λ。 (28) 只需α+2λ≤2且a3為滿足a3≤2min(c1,c2)的任意正常數(shù)即可滿足式(8);當(dāng)|x1|≥1時(shí),再取a、b、λ和β滿足以下條件 (29) 利用上述方法,可證明在|x1|≥1時(shí)滿足引理2,即改進(jìn)終端滑模面是Mittag-Leffler穩(wěn)定的。 假設(shè)系統(tǒng)的可達(dá)性成立,系統(tǒng)的狀態(tài)在切換控制率的作用下可以收斂在|s|≤Δ中。 取c3=2max(x1,x2), ||x1|δsign(x1)|=max(||x1|αsign(x1)|, ||x1|βsign(x1)|) 當(dāng)D1-γ|x1|sign(x1)≠0時(shí),式(15)可寫為 (30) 只有下式成立,式(14)才能保持分?jǐn)?shù)階終端滑模面的形式,即 (31) 由式(31)可得 c3-D1-γs[D1-γ|x1|δsign(x1)]-1>0。 (32) 由引理3和式(32),令p=∞可以得到 (33) 由引理3,令p=∞可以得到 (34) 引入一個(gè)時(shí)變參數(shù)σ≥1,式(33)可寫成 (35) 由式(33)和式(35)可得 (36) 從而得到 (37) 將式(37)代入式(14)得到 c2D1-γ|x1|βsign(x1)|≤ |D1-γs|+|c1D1-γ|x1|αsign(x1)|+ |c2D1-γ|x1|βsign(x1)|≤ K1Δ+|c3|x1|δsign(x1)|≤(K1+1)Δ。 (38) 當(dāng)D1-γ[|x1|sign(x1)]=0,有 (39) 根據(jù)以上分析可以得到,若系統(tǒng)的狀態(tài)s可在有限時(shí)間內(nèi)收斂到|s|≤Δ,就能說明x1可在有限時(shí)間內(nèi)收斂到式(37)。 為了確保系統(tǒng)的狀態(tài)能夠達(dá)到并維持在滑模面,設(shè)李雅普諾夫函數(shù)為 (40) 將式(40)求一階導(dǎo)數(shù),可得 (41) 將式(15)與式(18)代入式(41)可得 (42) 由李雅普諾夫穩(wěn)定性理論可知所設(shè)計(jì)的控制率可使系統(tǒng)從狀態(tài)空間中的任意初始位置抵達(dá)滑模面。 (43) 在Ansys中建立SRM的模型,其具體參數(shù)值如表1所示?;贛axwell 2D對SRM的電磁特性進(jìn)行求解,得到T-i-θ和ψ-i-θ數(shù)據(jù),然后在Simulink中利用查表模塊和SRM各變量間的關(guān)系,建立SRM的非線性數(shù)學(xué)模型[22]。本文以四相8/6開關(guān)磁阻電機(jī)為研究對象,以減小調(diào)節(jié)時(shí)間和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為目標(biāo),采用改進(jìn)分?jǐn)?shù)階終端滑??刂坪娃D(zhuǎn)矩分配控制建立轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。 表1 電機(jī)參數(shù) SRM控制系統(tǒng)的總體框圖如圖4所示,外環(huán)是轉(zhuǎn)速控制環(huán),內(nèi)環(huán)是轉(zhuǎn)矩控制環(huán)??刂葡到y(tǒng)的轉(zhuǎn)速信號通過分?jǐn)?shù)階終端滑模控制器產(chǎn)生轉(zhuǎn)速外環(huán)的輸出信號,該輸出信號再作為轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的預(yù)期轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)矩分配策略以合成輸出轉(zhuǎn)矩等于預(yù)期轉(zhuǎn)矩為目標(biāo),分配每相轉(zhuǎn)子在不同位置的期望轉(zhuǎn)矩,使合成瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩跟蹤上轉(zhuǎn)速外環(huán)輸出的期望轉(zhuǎn)矩。由式(10)可以看出,系統(tǒng)的控制變量是電磁轉(zhuǎn)矩Te。轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)為余弦轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)[23],即 圖4 系統(tǒng)框圖Fig.4 Structure of system Tref(k)=Tref×fk(θ)。 (44) 式中:θon為導(dǎo)通角;θoff為關(guān)斷角;θov為重疊角;τr為周期;Tref(k)為第k相參考轉(zhuǎn)矩;Tref為總參考轉(zhuǎn)矩。 為了驗(yàn)證所提分?jǐn)?shù)階終端控制器的有效性,本文將比較常規(guī)滑模的控制效果與改進(jìn)分?jǐn)?shù)階終端滑模的控制效果,從加速和加載兩個(gè)方面對系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真,并分析穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的電流與轉(zhuǎn)矩。取常規(guī)滑模面為 s=cnx1+x2。 (45) 趨近率為 (46) 其中常規(guī)滑??刂破鞯膮?shù)為cn=18、kn=800,改進(jìn)分?jǐn)?shù)階終端滑??刂破鞯膮?shù)為c1=8、c2=15、α=0.4、β=1.5、γ=0.8、k=1 200。 在加速情況下,SRM轉(zhuǎn)矩為8 N·m,轉(zhuǎn)速從1 000 r/min突增到1 500 r/min,兩種控制器的仿真波形如圖5所示。其中黑色為常規(guī)的滑??刂破鳎疑珵楦倪M(jìn)分?jǐn)?shù)階終端滑??刂破?。 兩種控制器在加速時(shí)的具體數(shù)據(jù)如表2。 表2 加速情況下不同控制方式性能對比 圖5(a)、表2可以說明改進(jìn)分?jǐn)?shù)階終端滑??刂葡到y(tǒng)可以更快地跟蹤上給定的轉(zhuǎn)速,并且系統(tǒng)穩(wěn)定后轉(zhuǎn)速的波動(dòng)更小,改進(jìn)的分?jǐn)?shù)階終端滑模面提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。圖5(b)為轉(zhuǎn)矩的變化情況,在穩(wěn)態(tài)情況下,轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)減小了30%左右;當(dāng)系統(tǒng)的給定轉(zhuǎn)速發(fā)生改變時(shí),轉(zhuǎn)矩也會(huì)相應(yīng)的變化,因?yàn)樵O(shè)置轉(zhuǎn)速升高,由系統(tǒng)框圖可知給定的轉(zhuǎn)矩也會(huì)增加,轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后,轉(zhuǎn)矩重新回到原始值,故轉(zhuǎn)矩會(huì)出現(xiàn)先升高后降低的趨勢。當(dāng)時(shí)間間隔足夠小時(shí),SRM轉(zhuǎn)矩的變化量與轉(zhuǎn)速的變化量可以看作成正比。改進(jìn)分?jǐn)?shù)階滑模控制器優(yōu)秀的動(dòng)態(tài)特性可以迅速使系統(tǒng)達(dá)到給定的轉(zhuǎn)速,從而減小調(diào)速過程中轉(zhuǎn)矩抖動(dòng)的時(shí)長和幅值。圖5(c)是系統(tǒng)運(yùn)行過程中滑模面的響應(yīng)曲線,無論是升速還是穩(wěn)態(tài)階段,改進(jìn)分?jǐn)?shù)階滑模面的抖動(dòng)幅值都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于常規(guī)滑模面,說明分?jǐn)?shù)階的切換趨近率改善了系統(tǒng)在到達(dá)階段的抖振情況,分?jǐn)?shù)階的滑模面改善了系統(tǒng)在滑動(dòng)階段的抖振。 圖5 加速情況下的波形對比Fig.5 Waveform comparison under acceleration 在加載情況下,SRM轉(zhuǎn)速為1 500 r/min,轉(zhuǎn)矩從開始設(shè)定8 N·m,突增到10 N·m,兩種控制器的仿真波形如圖6所示。 圖6 加載情況下的波形對比Fig.6 Waveform comparison under loading 兩種控制器在加載時(shí)的具體數(shù)據(jù)如表3。 從圖6(a)可以看出在轉(zhuǎn)矩突增后,兩種控制器均有一定的轉(zhuǎn)速降落,由于滑??刂频聂敯粜詮?qiáng),對負(fù)載擾動(dòng)不敏感,因此轉(zhuǎn)速波動(dòng)十分有限。通過表3可以發(fā)現(xiàn)分?jǐn)?shù)階終端滑??刂破骷虞d時(shí)引起的轉(zhuǎn)速脈動(dòng)更小,可以抑制轉(zhuǎn)速波動(dòng)的影響。從圖6(b)和表3可以說明改進(jìn)分?jǐn)?shù)階終端滑模控制與常規(guī)滑??刂葡啾龋D(zhuǎn)矩有較大的瞬時(shí)波動(dòng),這是由于改進(jìn)滑模面動(dòng)態(tài)特性更好,使系統(tǒng)迅速做出反應(yīng),導(dǎo)致系統(tǒng)有較大的調(diào)節(jié)幅度。在短時(shí)間的波動(dòng)后,改進(jìn)分?jǐn)?shù)階終端滑??刂蒲杆倩氐匠跏嫁D(zhuǎn)速,普通滑??刂频霓D(zhuǎn)矩雖然沒有發(fā)生劇烈的抖動(dòng),但是其轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)時(shí)間明顯落后。在滑模面的抖動(dòng)方面,轉(zhuǎn)矩增加后,從圖6(c)可看出改進(jìn)分?jǐn)?shù)階終端滑??刂破鞯幕C婧退俣榷秳?dòng)情況基本無變化,常規(guī)滑??刂破鞯亩秳?dòng)情況明顯變得更加嚴(yán)重。 表3 加載情況下不同控制方式性能對比 電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min、負(fù)載轉(zhuǎn)矩為15 N·m的相電流和轉(zhuǎn)矩的情況如圖7所示,其中圖7(a)為常規(guī)滑??刂破鞯姆抡媲闆r,圖7(b)為改進(jìn)分?jǐn)?shù)階終端滑??刂破鞯姆抡媲闆r。 圖7 電流和轉(zhuǎn)矩的波形對比Fig.7 Waveform comparison of current and torque 通過觀察圖7可以看出,在單相導(dǎo)通區(qū)兩種控制器的轉(zhuǎn)矩都能達(dá)到給定值,且轉(zhuǎn)矩比較平穩(wěn),但二者在換相區(qū)域相電流波形與轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)波形有明顯差異,常規(guī)滑模控制策略下相電流的上限在68.83 A,轉(zhuǎn)矩波動(dòng)范圍在13.27 N·m到18.31 N·m,轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率為33.63%;改進(jìn)分?jǐn)?shù)階終端滑??刂撇呗韵碌南嚯娏鞯纳舷拊?5.14 A,轉(zhuǎn)矩波動(dòng)范圍在13.76 N·m到17.19 N·m,轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率為22.8%。在換相過程中,常規(guī)滑??刂葡嚯娏鞯姆逯岛娃D(zhuǎn)矩脈動(dòng)均大于改進(jìn)分?jǐn)?shù)階終端滑模控制,可見,改進(jìn)分?jǐn)?shù)階終端滑??刂破髟趽Q相過程中也有著更好的控制效果。 圖8為實(shí)驗(yàn)電流波形,圖8(a)為常規(guī)滑??刂频南嚯娏鞑ㄐ危瑘D8(b)為改進(jìn)分?jǐn)?shù)階終端滑??刂频南嚯娏鞑ㄐ?。由圖中可以看出,常規(guī)滑模條件下,由于換相過程中電流出現(xiàn)較大的波動(dòng)。經(jīng)過滑模優(yōu)化后,電流在換相過程中較為穩(wěn)定。 本文針對具有強(qiáng)非線性和模型不確定性的SRM控制系統(tǒng)研究了一種改進(jìn)分?jǐn)?shù)階終端滑模控制方法: 1)設(shè)計(jì)了一種在整個(gè)狀態(tài)空間中都有著較快收斂速度的分?jǐn)?shù)階終端滑模面,給出了SRM控制系統(tǒng)的改進(jìn)分?jǐn)?shù)階終端滑??刂破鞯男问?; 2)針對本文設(shè)計(jì)的控制器,對其穩(wěn)定性、可達(dá)性以及有限時(shí)間收斂性給出了證明,從理論上說明控制器的合理性; 3)本文提出控制器使SRM系統(tǒng)有較好的動(dòng)態(tài)特性和較小的穩(wěn)態(tài)抖振,將系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間減小了68.4%,穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)降低了37.1%,在加速和加載的情況下,使SRM系統(tǒng)保持較好的運(yùn)行狀態(tài),且在換相過程中改善了轉(zhuǎn)矩和電流的波動(dòng)情況。2 改進(jìn)分?jǐn)?shù)階終端滑??刂破鞯脑O(shè)計(jì)
2.1 分?jǐn)?shù)階終端滑模控制器設(shè)計(jì)
2.2 滑模面穩(wěn)定性分析
2.3 滑模面可達(dá)性分析
3 仿真研究與實(shí)驗(yàn)分析
4 結(jié) 論