感應(yīng)電動機自抗擾控制系統(tǒng)仿真研究

中北大學信息商務(wù)學院2014屆畢業(yè)論文感應(yīng)電動機自抗擾控制系統(tǒng)仿真研究摘要異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)以其思路新穎、控制方案簡單及性能優(yōu)越等特點受到人們的普遍重視。但是由于異步電機是一個高階、非線性、強耦合的多變量復雜系統(tǒng)，并且受模型參數(shù)攝動以及外界干擾的影響，使控制器的設(shè)計成為一個復雜的問題。本文提出了將自抗擾控制技術(shù)應(yīng)用于異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，以實現(xiàn)異步電機的高性能的控制。首先，介紹了異步電機和逆變器的數(shù)學模型，然后分析了異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理，在Simulink環(huán)境下構(gòu)建了圓形磁鏈的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。仿真結(jié)果表明，直接轉(zhuǎn)矩控制的低速性能較差，一組PI參數(shù)不能對電機運行的各個工況的都實現(xiàn)良好的控制性能。在對傳統(tǒng)PID優(yōu)缺點進行分析的基礎(chǔ)上，介紹了跟蹤微分器、擴張狀態(tài)觀測器、非線性狀態(tài)誤差反饋和自抗擾控制器的基本原理，給出了自抗擾控制器的結(jié)構(gòu)圖，構(gòu)建了自抗擾控制器的仿真模型。重點研究了自抗擾控制算法應(yīng)用于異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制，給出了系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖，分析了異步電機轉(zhuǎn)速自抗擾控制器的設(shè)計方案，使用一階ADRC設(shè)計了異步電機轉(zhuǎn)速自抗擾控制器，并采用S一函數(shù)實現(xiàn)了ADRC控制算法。建立了基于自抗擾控制器的直接轉(zhuǎn)矩控制仿真結(jié)構(gòu)圖。關(guān)鍵詞：直接轉(zhuǎn)矩控制，自抗擾控制，仿真AbstractResearchofDirectTorqueControlSystemofinductionMotorAbstractDirecttorquecontrol(DTC)systemofinductionmotorshasgotwideattentionwithadvantagessuchasnewthoughts，simplecontrolschemeandexcellentperformance．However,becauseofinductionmotorisahigh-order,nonlinearandstrongcouplingofcomplexsystemsofmanyvariables，andbytheparametersperturbation,aswellastheimpactofoutsideinterference,makingthedesignofcontrollerintoacomplexissue．Toachievehighdynamicperformanceofdrivesystem,anonlinearactivedisturbancerejectioncontroller(ADRC)usedindirecttorquecontrolsystemofinductionmotorsisintroducedinthispaper．Firstly,thebasicmathmodelofallasynchronousmachineandofaPWMinverterisintroduced,thentheprincipleofdirecttorquecontrolsystemofinductionmotorsisanalyzed，theroundtrackoffluxofdirecttorquecontrolsystemisdevelopedinMATLAB／Simulinksoftware．Simulationresultsshowthat,agroupofPIparameterscanbemadeonlyforacertainrangeofspeedofimplementationofbetterregulation,forthespeedcontrolotherrangeofpoorperformance．ThedefectsoftraditionalPIDcontrolmethodsarediscussed，trackingdifferential（TD），extendedstateobserver(ESO)，nonlinearstateerrorfeedback(NLSEF)andthebasicprincipleofactivedisturbancerejectioncontrollerareintroduced，thestandardstructureofactivedisturbancerejectioncontrollerisgiven,thesimulationmodelofactivedisturbancerejectioncontrollerisdeveloped。Thedirecttorquecontrolsystemofinductionmotorsbasedonactivedisturbancerejectioncontrollerisfocusstudied，andthestructureofthissystemisgiven,thedesignproposalofthespeedofactivedisturbancerejectioncontrollerofinductionmotorisanalyzed，one-orderactivedisturbancerejectioncontrollerisusedtothedirecttorquecontrolsystemofinductionmotors，ands-functionareeditedtoachieveactivedisturbancerejectioncontrolleralgorithm．Somemethodsofcontroller’sparametersettingaregeneralized，andthesimulationmodelofdirecttorquecontrolsystemofinductionmotorsbasedonactivedisturbancerejectioncontrolleriscreated．Keywords:DirectTorqueControl，ActiveDisturbanceRejectionController，Simulation第第Ⅰ頁共Ⅰ頁目錄TOC\o"1-3"\h\u78601緒論 頁共39頁1緒論1.1直接轉(zhuǎn)矩控制的研究現(xiàn)狀M.Depenbrock提出的直接轉(zhuǎn)矩控制方法，并于1987年把它推廣到弱磁調(diào)速范圍。這種控制方式是使定子磁鏈依照六邊形軌跡運動，由于正六邊形的六條邊分別與六個非零電壓空間矢量對應(yīng)，因此可以通過三個施密特觸發(fā)器來簡單切換逆變器的六個工作狀態(tài)，直接通過六個非零電壓空間矢量實現(xiàn)磁鏈軌跡控制。與其它方式相比，這種控制方式結(jié)構(gòu)簡單，在輸出同樣的頻率時元件開關(guān)次數(shù)最少，開關(guān)損耗也小，因而在要求元件開關(guān)頻率不能太高的大功率場合得到廣泛應(yīng)用。這種技術(shù)已成功地應(yīng)用于兆瓦級交流電氣傳動機車上，如德國的大功率GTO電力機車，Siemens新研制的樣車EUROSPRINTER等。由于在這種方法中定子磁鏈是按照六邊形軌跡運動的，故電壓、電流波形畸變比較嚴重，低速時轉(zhuǎn)矩脈動較大，會在一定程度上限制直接轉(zhuǎn)矩控制的性能發(fā)揮。直接轉(zhuǎn)矩控制的另一種形式是由日本學者I.Takahashi提出的，雖然在理論推導和實現(xiàn)方法上有所不同，但是基本思想是一致的，即摒棄了矢量控制中電流解耦的控制思想，去掉了PWM脈寬調(diào)制器和電流反饋環(huán)節(jié)，通過檢測母線電壓和定子電流，直接計算出電機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并利用兩個滯環(huán)比較器，直接實現(xiàn)對定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的解耦控制。這種方法通過實時計算電機轉(zhuǎn)矩和磁鏈的誤差，結(jié)合電機定子磁鏈的空間位置來選擇相應(yīng)的開關(guān)矢量。由于磁鏈運動軌跡近似為圓形，電壓、電流中的諧波含量在一定程度上減少了，但控制系統(tǒng)顯得復雜一些，這種控制方式能充分發(fā)揮新型電力電子器件(如IGBT)的開關(guān)頻率優(yōu)勢，因而在中小功率場合獲得廣泛應(yīng)用[1-2]。直接轉(zhuǎn)矩控制相對于其它控制具有以下特點：（1）直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標系下分析交流電動機的數(shù)學模型，控制電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。因此它省掉了矢量旋轉(zhuǎn)變化等復雜的變換與計算，信號處理工作特別簡單，易于實現(xiàn)實時控制。（2）直接轉(zhuǎn)矩控制磁場定向所用的是定子磁鏈，而矢量控制磁場定向所用的是轉(zhuǎn)子磁鏈，定子磁鏈的觀測模型要比轉(zhuǎn)子磁鏈的觀測模型簡單得多，而且受電機參數(shù)變化的影響較小。（3）直接轉(zhuǎn)矩控制采用空間矢量的概念來分析三相交流電動機的數(shù)學模型和控制其各物理量，使問題變得特別簡單明了。（4）直接轉(zhuǎn)矩控制強調(diào)的是轉(zhuǎn)矩的直接控制與效果。它包含有兩層意思，直接控制轉(zhuǎn)矩和對轉(zhuǎn)矩的直接控制。直接轉(zhuǎn)矩控制從控制轉(zhuǎn)矩的角度出發(fā)，它強調(diào)的是轉(zhuǎn)矩的直接控制效果，因而它采用離散的電壓狀態(tài)和六邊形磁鏈軌跡或近似圓形磁鏈軌跡的概念。而對轉(zhuǎn)矩的直接控制是指利用直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)對轉(zhuǎn)矩實行直接控制。其控制方式是，通過轉(zhuǎn)矩兩點式調(diào)節(jié)器或轉(zhuǎn)矩三點式調(diào)節(jié)器把轉(zhuǎn)矩檢測值與轉(zhuǎn)矩給定值作滯環(huán)的比較，把轉(zhuǎn)矩波動限制在一定的容差范圍內(nèi)，容差的大小由頻率調(diào)節(jié)器控制。因此它的控制效果取決于轉(zhuǎn)矩的實際狀況。它的控制既直接又簡化。對轉(zhuǎn)矩的這種直接控制方式也稱之為“直接自控制”。這種“直接自控制”的思想不僅用于轉(zhuǎn)矩控制，也用于磁鏈量的控制和磁鏈自控制，但以轉(zhuǎn)矩為中心來進行綜合控制。綜上所述，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)采用空間矢量的分析方法，直接在定子坐標系下計算與控制交流電動機的轉(zhuǎn)矩，采用定子磁場定向，借助于離散的兩點式調(diào)節(jié)以獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能。它省掉了復雜的矢量變換與電動機數(shù)學模型的簡化處理，沒有通常的PWM信號發(fā)生器，它的控制思想新穎，控制結(jié)構(gòu)簡單，控制手段直接，信號處理的物理概念明確。該控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速，限制在一拍以內(nèi)且無超調(diào)，是一種具有高靜動態(tài)性能的交流調(diào)速方法。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)雖然具有許多優(yōu)點，但是目前仍舊面臨許多有待解決的問題。低速性能不盡人意、轉(zhuǎn)矩脈動比較嚴重和速度傳感器影響系統(tǒng)的可靠性等，這些問題阻礙了直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的進一步發(fā)展與應(yīng)用。因此如何解決這些問題已成為當前直接轉(zhuǎn)矩控制研究的熱點[3-4]。1.2自抗擾控制器的發(fā)展自抗擾控制器的發(fā)展始于一篇討論如何統(tǒng)一處理線性系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和反饋系統(tǒng)計算問題的論文中的一個重要結(jié)論：一個系統(tǒng)的積分器串聯(lián)型結(jié)構(gòu)不僅是線性系統(tǒng)在線性反饋變換下的標準結(jié)構(gòu)，也是一類非線性系統(tǒng)在非線性反饋變換下的標準結(jié)構(gòu)。七十年代以來，韓京清研究員經(jīng)過對線性系統(tǒng)理論的深入研究，發(fā)現(xiàn)一個系統(tǒng)的積分串聯(lián)型結(jié)構(gòu)不僅是線性系統(tǒng)在線性反饋變換下的標準結(jié)構(gòu)，也是一類非線性系統(tǒng)在非線性反饋變換下的標準結(jié)構(gòu)。同樣，對一類自由非線性系統(tǒng)，也可以設(shè)計其觀測器，使其在非線性觀測變換下的標準形為積分串聯(lián)型。八十年代后期，韓京清研究員進一步探討了線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)的關(guān)系。他指出人們頭腦中的線性和非線性的概念大都來自于沒有控制輸入的經(jīng)典力學系統(tǒng)。在經(jīng)典力學系統(tǒng)中，人們關(guān)心的是描述和解釋軌線分布的拓撲結(jié)構(gòu)，對沒有輸入、輸出的封閉系統(tǒng)來說，線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)具有完全不同的拓撲結(jié)構(gòu)，兩者不能任意轉(zhuǎn)化。然而控制系統(tǒng)具有經(jīng)典力學系統(tǒng)所沒有的新結(jié)構(gòu)一控制輸入和反饋，控制系統(tǒng)中的反饋作用能夠破壞原系統(tǒng)中的大部分拓撲結(jié)構(gòu)，又能建立起全新的拓撲結(jié)構(gòu)。在狀態(tài)反饋作用之下，控制系統(tǒng)中不變的性質(zhì)幾乎只剩下幾個積分器和聯(lián)結(jié)它們的信息通道，此外的其他性質(zhì)幾乎可以隨意設(shè)置。因此，控制系統(tǒng)中的反饋作用打破了經(jīng)典動力系統(tǒng)意義下的線性和非線性的界限，反饋能夠把線性轉(zhuǎn)化為非線性，也可以把許多非線性轉(zhuǎn)化為線性。從反饋控制的角度看，不應(yīng)該再按經(jīng)典意義把控制系統(tǒng)分成線性和非線性系統(tǒng)，對能控的線性系統(tǒng)可以用狀態(tài)反饋設(shè)置一些非線性特性。以此為基礎(chǔ)，韓京清研究員提出了控制理論中更為基本的問題，即控制理論的發(fā)展到底是走模型論還是控制論的道路。他指出現(xiàn)代控制理論時期是控制理論發(fā)展史中的“模型論”時期，無論是線性系統(tǒng)還是非線性系統(tǒng)，無論是狀態(tài)空間法還是頻域法，系統(tǒng)的數(shù)學模型已成為分析與設(shè)計的出發(fā)點或建模與辨識的歸宿。然而依靠模型建立控制律的方法，在控制工程中遇到了很大的挑戰(zhàn)，魯棒性是首當其沖的大問題。而經(jīng)典調(diào)節(jié)理論中的基本思想是不完全依靠系統(tǒng)的數(shù)學模型，而是靠期望軌跡與實際軌跡的誤差的大小和方向來實施，是一種基于過程誤差來抑制或消除誤差的方法來實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。他還指出尋求和利用某些具有典型特性的非線性環(huán)節(jié)是值得重視的問題，這正是自抗擾控制器產(chǎn)生的思想來源。九十年代初期，韓京清研究員致力于一些特殊的非線性功能單元的開發(fā)，成功研究開發(fā)出非線性跟蹤微分器(TrackingDifferentiator，TD)。他認為不管對象是否線性，控制系統(tǒng)的設(shè)計思想應(yīng)該從極點配置等線性配置觀念轉(zhuǎn)移到非線性配置上，因為適當?shù)姆蔷€性配置能顯著改善系統(tǒng)的品質(zhì)。據(jù)此，對模型己知的對象，用反饋效應(yīng)的觀點，給出了建立非線性狀態(tài)觀測器的方法，并用這種狀態(tài)觀測器和非線性配置方法實現(xiàn)了非線性系統(tǒng)的狀態(tài)反饋控制。數(shù)值仿真表明，這種非線性狀態(tài)觀測器跟蹤能力很強，控制系統(tǒng)的非線性配置明顯改善了閉環(huán)品質(zhì)，這種思想亦可推廣到對象模型未知或者結(jié)構(gòu)己知、參數(shù)未知的系統(tǒng)。通過對傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)及原理的分析，韓京清研究員發(fā)現(xiàn)其存在的一些問題。據(jù)此，他提出利用跟蹤微分器安排過渡過程，采用適當?shù)姆蔷€性組合以及反饋律等相應(yīng)的改進措施，提出新型的非線性PID控制算法，并驗證了這種新型算法具有很好的魯棒性和適應(yīng)性。90年代中期，他又對觀測器形式的跟蹤微分器進行改造而獲得了一類不確定對象的擴張狀態(tài)觀測器(ExtendedStateobserver,ESO)。ESO不僅能得到不確定對象的狀態(tài)，還能獲得對象模型中的內(nèi)擾和外擾的實時作用量，如果將這個實時作用量補償?shù)娇刂破髦?，那么非線性PID中的積分作用就可以取消，再進一步將控制器用于高階對象的控制時，一種新的控制律一非線性狀態(tài)誤差反饋律(NonlinearStateErrorFeedback，NLSEF)產(chǎn)生了[5-6]。通過對現(xiàn)代控制理論和PID優(yōu)缺點的分析，將現(xiàn)代控制理論對控制系統(tǒng)的認識和現(xiàn)代的信號處理技術(shù)相結(jié)合，汲取經(jīng)典PID的思想精華，就形成了一種新型實用控制器一自抗擾控制器(AutoDisturbanceRejectionController,ADRC)。如今，自抗擾控制器已經(jīng)經(jīng)歷了30多年的發(fā)展歷程。由于該控制器算法簡單，參數(shù)適應(yīng)性廣，是解決非線性、不確定性、強干擾、強耦合、大時滯等控制問題的一種有效方法，具有較強的適應(yīng)性、魯棒性和可操作性，越來越多的科研工作者加入到自抗擾控制算法的研究行列中。目前，自抗擾控制器已經(jīng)在電機控制、過熱汽溫控制、動力調(diào)諧陀螺儀、單級旋轉(zhuǎn)倒立擺f、機器人控制、大射電望遠鏡艙位姿態(tài)控制、飛行器姿態(tài)控制、船舶減搖鰭等諸多領(lǐng)域得到應(yīng)用，并取得了良好的控制效果。研究自抗擾控制器在異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，不僅可以拓展自抗擾控制器的應(yīng)用領(lǐng)域，而且可以有效的提高異步電機的控制品質(zhì)，具有一定的研究意義。1.3論文的主要內(nèi)容異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制具有優(yōu)良的性能和簡潔的控制思想等優(yōu)點，它已經(jīng)成為現(xiàn)代傳動控制領(lǐng)域交流電機調(diào)速的主要控制策略。針對感應(yīng)電機是一個高階、非線性、強耦合的多變量復雜系統(tǒng)的問題，結(jié)合自抗擾控制器在其他相關(guān)領(lǐng)域的研究成果，本文將自抗擾控制算法應(yīng)用于異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制中的轉(zhuǎn)速環(huán)。在分析自抗擾控制器的結(jié)構(gòu)及機理的基礎(chǔ)上，完成了異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制轉(zhuǎn)速自抗擾控制器的設(shè)計。全文共分五部分，主要內(nèi)容如下：第1章主要介紹了直接轉(zhuǎn)矩控制的研究的發(fā)展及現(xiàn)狀，介紹了自抗擾控制器的發(fā)展過程，提出將自抗擾控制算法應(yīng)用于異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制中。第2章介紹了直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理，分析了直接轉(zhuǎn)矩控制的數(shù)學模型，闡述了逆變器的數(shù)學模型和電壓空間矢量等直接轉(zhuǎn)矩控制的基本理論，將直接轉(zhuǎn)矩控制算法劃分為若干個子系統(tǒng)，然后在Simulink環(huán)境下利用其模塊庫中提供的各種基本模塊搭建各個子系統(tǒng)，構(gòu)建了圓形磁鏈的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，并對其進行了仿真，對結(jié)果進行了分析和討論。第3章在對傳統(tǒng)PID優(yōu)缺點進行分析的基礎(chǔ)上，介紹了跟蹤微分器、擴張狀態(tài)觀測器、非線性狀態(tài)誤差反饋和自抗擾控制器的基本原理，給出了自抗擾控制器的結(jié)構(gòu)圖，構(gòu)建了自抗擾控制器的仿真模型。闡述了自抗擾控制器解決多變量系統(tǒng)耦合的基本原理，并進行了仿真，對結(jié)果進行了分析。第4章將自抗擾控制算法應(yīng)用于異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制，給出了系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖，基于一階ADRC設(shè)計了異步電機轉(zhuǎn)速自抗擾控制器，并采用S-函數(shù)實現(xiàn)了ADRC控制算法，在大量仿真實驗的基礎(chǔ)上總結(jié)了異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制自抗擾控制器的參數(shù)整定方法，建立了基于異步電機的直接轉(zhuǎn)矩控制仿真結(jié)構(gòu)圖。第5章對全文工作做出總結(jié)。2直接轉(zhuǎn)矩控制原理直接轉(zhuǎn)矩控制作為一種新型的交流電機控制方式，其基本思想是通過控制定子磁鏈實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的直接控制。為實現(xiàn)直接轉(zhuǎn)矩控制方法在異步電機中的應(yīng)用，對異步電機的數(shù)學模型進行分析，建立更為接近真實電機的的數(shù)學模型。本章在兩相靜止坐標系下建立了基于定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈的感應(yīng)電機仿真模型，詳細分析了直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理[7]。2.1異步電機數(shù)學模型本節(jié)以異步電機為研究對象，分別建立了異步電機在自然坐標系和兩相靜止坐標系下的系統(tǒng)數(shù)學模型。圖2-2為異步電機的基本模型示意圖，其中定、轉(zhuǎn)子三相繞阻對稱分布，轉(zhuǎn)子與定子間互呈電角度。本節(jié)在建立異步電機數(shù)學模型時作出如下假設(shè)：（1）電機定、轉(zhuǎn)子繞阻空間對稱分布，電機磁通密度在空間正弦分布；（2）忽略電機鐵芯鐵損耗；（3）忽略隨溫度變化造成的電機參數(shù)變化；圖2-1異步電機基本結(jié)構(gòu)示意圖本文通過折算到定子側(cè)的方式來描述所有系統(tǒng)變量。式中：分別為電壓、電流、電阻、電感、磁鏈和漏磁通；下標為三相自然坐標系下的分量；下標為兩相靜止坐標系下的分量；分別為轉(zhuǎn)子電氣轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置角度。建立自然坐標系下異步電機的電壓方程、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程和運動方程如下。電壓方程：(2-1)磁鏈方程：(2-2)轉(zhuǎn)矩方程：(2-3)運動方程：(2-4)式中：為電機定、轉(zhuǎn)子瞬時相電壓；為電機定、轉(zhuǎn)子瞬時相電流；為電機定、轉(zhuǎn)子繞阻磁鏈。分別為負載轉(zhuǎn)矩、電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)動慣量和極對數(shù)。從式(2-1)~(2-4)可以看出，異步電機數(shù)學模型為一個高階多變量非線性的復雜系統(tǒng)。為了簡化系統(tǒng)數(shù)學結(jié)構(gòu)，采用Clarke坐標變換將自然坐標系下的電機模型轉(zhuǎn)換至靜止坐標系下。電壓方程：(2-5)磁鏈方程：(2-6)轉(zhuǎn)矩方程：(2-7)運動方程與式(2-4)一致，保持不變[8-9]。2.2直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖2-2所示，其工作原理為：通過速度傳感器得到感應(yīng)電機實際轉(zhuǎn)速n；與給定轉(zhuǎn)速n*比較通過速度調(diào)節(jié)器得到轉(zhuǎn)矩給定值Te*，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器一般采用PI控制器；由傳感器得到電機定子電流和電壓值，輸入感應(yīng)電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩估計器得到定子磁鏈的幅值|ψs|和轉(zhuǎn)矩實際值Te；實際轉(zhuǎn)矩Te與轉(zhuǎn)矩給定值Te*經(jīng)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器處理后得到轉(zhuǎn)矩開關(guān)信號TQ；磁鏈給定值|ψs*|與磁鏈計算值|ψs|經(jīng)磁鏈調(diào)節(jié)器產(chǎn)生磁鏈開關(guān)信號ψQ；區(qū)間判斷根據(jù)定子磁鏈分量得到磁鏈所在區(qū)間信號SN，開關(guān)信號選擇單元綜合磁鏈開關(guān)信號ψQ、轉(zhuǎn)矩開關(guān)信號TQ和磁鏈位置信號SN，通過查表得到正確的電壓開關(guān)信號來控制電機的準確運行。因此，直接轉(zhuǎn)矩控制的關(guān)鍵技術(shù)主要包括電壓空間矢量的選擇、磁鏈的觀測和控制、轉(zhuǎn)矩控制等，下面對這些關(guān)鍵技術(shù)分別進行介紹。圖2-2直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)2.2.1逆變器的數(shù)學模型和電壓空間矢量逆變器是交流調(diào)速系統(tǒng)中的重要部件，通過對逆變器的控制才能實現(xiàn)電機的調(diào)速。在直接轉(zhuǎn)矩控制中采用的是電壓型逆變器，它的結(jié)構(gòu)如圖2-3所示：圖2-3電壓源逆變器原理圖該逆變器由三組六個開關(guān)(SaSbSc)組成。由于同臂上的兩開關(guān)為互鎖關(guān)系，即一個導通，另一個斷開，所以三組開關(guān)共有8種可能的開關(guān)組合。若規(guī)定某一相與“＋”極相通，該相的開關(guān)狀態(tài)為“1”態(tài)，反之，為“0”。則8種可能的開關(guān)狀態(tài)如表2.1所示。表2.1給出了逆變器的8種開關(guān)狀態(tài)，對外部負載來說，逆變器輸出7種不同的電壓狀態(tài)。其中開關(guān)狀態(tài)“1-6”表2.1逆變器開關(guān)狀態(tài)狀態(tài)01234567Sa00001111Sb00110011Sc01010101空間矢量和極坐標類似，都通過幅值和相角表示，但空間矢量是表示空間3個獨立存在、隨時間變化而其和為0的的物理量。由于感應(yīng)三相相電壓之和為零，因此可以將逆變器三個臂上的輸出電壓用電壓空間矢量表示，即(2-8)其中、、分別表示感應(yīng)電機三相定子相電壓。由于6個非零電壓矢量的幅值均為（為直流母線電壓）。式2.7又可表示為us=u(SaSbSc)=Ud(2-9)根據(jù)上述分析，逆變器的6個工作電壓空間矢量和兩個零電壓矢量的坐標關(guān)系及所在的分區(qū)如圖2-4所示。圖2-4空間矢量向量圖2.2.2磁鏈的觀測與控制在直接轉(zhuǎn)矩控制中，定子磁鏈的準確觀測是起確定性作用的。本文對定子磁鏈的估計用u-i模型。根據(jù)式2-9建立u-i模型，其結(jié)構(gòu)如圖2-5所示：IusssI-RsisRs圖2-5u-i模型結(jié)構(gòu)圖用檢測出來的定子電壓us(t)與定子電流is(t)，實現(xiàn)起來非常簡單。該模型在30%額定轉(zhuǎn)速以上時，能夠較準確的確定定子磁鏈，而且結(jié)構(gòu)簡單，魯棒性強。在低速時定子電阻隨溫度的變化不能忽略，因此對磁鏈觀測的準確性有較大的影響。采用u-i模型的定子磁鏈觀測方法時，計算簡單，算法中不包含電機轉(zhuǎn)子參數(shù)信息，受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化影響小，同時計算時也不需要轉(zhuǎn)速信息[10-11]。磁鏈控制的目標是通過選擇定子電壓空間向量將定子磁鏈的幅值控制在允許的范圍內(nèi)，使磁鏈的軌跡接近圓形。電壓空間向量對磁鏈幅值的作用為：當所施加的電壓矢量與磁鏈的夾角小于90度時，該電壓矢量作用的結(jié)果使磁通幅值增加；當夾角大于90度時，電壓矢量作用的結(jié)果使磁通幅值減?。划攰A角等于90度或施加的是零矢量時，磁通幅值基本保持不變。在直接轉(zhuǎn)矩控制中磁鏈的控制是通過磁鏈滯環(huán)比較器來實現(xiàn)的，其原理如圖2-6所示。圖2-6磁鏈控制結(jié)構(gòu)圖磁鏈滯環(huán)比較器對磁鏈幅值進行兩點式調(diào)節(jié)。容差寬度是，它是定子磁鏈幅值對于給定值所允許的波動范圍。輸入信號是定子磁鏈給定值與磁鏈反饋值的差值，輸出信號為磁鏈量開關(guān)信號。當時，；當時，。根據(jù)磁鏈量開關(guān)信號的不同，選擇不同的us(t)。磁鏈調(diào)節(jié)以兩點式調(diào)節(jié)的方式保證了磁鏈量的恒定。2.2.3轉(zhuǎn)矩的控制和電壓空間矢量的選擇電磁轉(zhuǎn)矩由轉(zhuǎn)子磁鏈和定子磁鏈的矢量積決定，要改變電磁轉(zhuǎn)矩的大小，可以通過改變定、轉(zhuǎn)子之間的磁鏈角來實現(xiàn)。電機在實際運行中，轉(zhuǎn)子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度不會突變，因而主要是通過改變定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度來達到改變轉(zhuǎn)矩這一目的。一般的，當施加超前電壓矢量使定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度大于轉(zhuǎn)子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度時，磁鏈角加大，相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩增加。同理，當施加零電壓矢量或滯后電壓矢量，相當于定子磁鏈矢量停滯不前或反轉(zhuǎn)，而轉(zhuǎn)子磁鏈矢量繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，相應(yīng)地轉(zhuǎn)矩就減小。通過選擇合適的電壓矢量并進行合理地切換，可以使得輸出電磁轉(zhuǎn)矩在給定值Te*和允許的偏差±εT的范圍內(nèi)變化，在直接轉(zhuǎn)矩控制轉(zhuǎn)矩的控制是通過轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器來實現(xiàn)的，其原理如圖2-7所示。它的作用原理與磁鏈滯環(huán)比較器l類似[12]。圖2-7轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器電壓空間矢量根據(jù)磁鏈開關(guān)信號、轉(zhuǎn)矩開關(guān)信號和定子磁鏈所在的區(qū)間來選擇。下面以定子磁鏈在II區(qū)間時電壓空間矢量的選擇方式進行說明。電壓矢量U2（010）和U3（011）都能使定子磁鏈逆時針旋轉(zhuǎn)，達到增大轉(zhuǎn)矩的目的，但兩電壓矢量對定子磁鏈的影響卻不一樣。在要增大的情況下，要增大轉(zhuǎn)矩則選擇U2（010）作用，減小則要選擇電壓矢量U3（011）。要減小轉(zhuǎn)矩則選擇零電壓矢量，但如果要大幅度減小轉(zhuǎn)矩，則選擇與增大轉(zhuǎn)矩方向相反的電壓空間矢量，即在增大的情況下選電壓矢量U4（100），減小則選擇電壓矢量U5（101）。同樣對其他區(qū)間進行分析，則可建立同時滿足轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈要求的電壓矢量表，由于電壓空間矢量u(SaSbSc)和逆變器的開關(guān)狀態(tài)存在一一對應(yīng)關(guān)系，根據(jù)定子磁鏈幅值和轉(zhuǎn)矩Te的偏差情況以及定子磁鏈矢量所在的區(qū)域θ(m)，可以事先制訂一個優(yōu)化的開關(guān)選擇表如表2.2所示。表2.2的輸入為轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器的輸出TQ和磁鏈滯環(huán)比較器的輸出以及定子磁鏈所在的區(qū)間位置，通過優(yōu)化的開關(guān)表選取最優(yōu)定子電壓矢量，進而將轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈控制在兩個滯環(huán)內(nèi)，最終實現(xiàn)對定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的解耦控制[13-14]。表2.2開關(guān)選擇表電壓矢量的選擇S1S2S3S4S5S6ΨQ=1TQ=1U6U2U3U1U5U4TQ=0U0U0U7U0U7U7TQ=-1U5U6U2U3U1U4ΨQ=-1TQ=1U2U3U1U5U4U6TQ=0U7U7U0U7U0U0TQ=-1U1U5U4U6U2U33自抗擾控制器3.1經(jīng)典PID控制的優(yōu)缺點上個世紀六、七十年代，現(xiàn)代控制理論發(fā)展迅速，不少學者預言，基于現(xiàn)代控制理論的新型控制器在短時間內(nèi)將取代基于經(jīng)典調(diào)節(jié)理論的PID調(diào)節(jié)器。然而，目前的工程實踐表明，PID調(diào)節(jié)器仍然保持主導地位。調(diào)查結(jié)果顯示，在運動控制、航天控制及其它過程控制的應(yīng)用中，絕大部分都采用PID調(diào)節(jié)器。而現(xiàn)代控制理論構(gòu)造的控制器不僅結(jié)構(gòu)復雜，而且遇到了不易克服的適應(yīng)性、魯棒性等難題。經(jīng)典PID調(diào)節(jié)器是靠“目標和實際行為之間的誤差來消除此誤差”的控制策略，根據(jù)誤差的“過去”、“現(xiàn)在”和“將來”的變化趨勢即誤差的比例、積分、微分的線性組合來構(gòu)造控制信號。但是，常規(guī)PID直接取目標和實際行為之間的誤差，常常使初始控制力太大而出現(xiàn)超調(diào)，同時使PID控制器參數(shù)所能適用的控制對象范圍不夠大，使PID調(diào)節(jié)器的魯棒性不夠強。工業(yè)過程控制的PID控制原理是“基于誤差來生成消除此誤差”的控制策略。PID在實際中大量應(yīng)用，但不易滿足高性能要求，于是想靠對象模型來尋求更好的控制方法，但靠模型的路子恰恰把PID的最大優(yōu)點丟掉了。增強控制方法實用性的一個重要途徑，就是盡可能擺脫數(shù)學模型的束縛，這是經(jīng)典調(diào)節(jié)理論所開辟的道路。不過，正是由于經(jīng)典調(diào)節(jié)理論基本上完全不考慮對象模型，單單依靠誤差的PID反饋加以調(diào)節(jié)，使得其動態(tài)性能較差。而且，控制器局限于線性模型，微分反饋又引入較大的噪聲，品質(zhì)有待提高。現(xiàn)代控制理論在分析控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性質(zhì)方面是非常成功的，提供了很好的分析工具，并發(fā)展出比較完備的設(shè)計方法。然而，現(xiàn)代控制理論所提供的控制器設(shè)計方法，完全依賴于對象的精確模型。對于非線性和不確定性的控制對象，現(xiàn)代控制理論局限于帶有許多假定的系統(tǒng)模型上，遇到適應(yīng)性和魯棒性等難題，應(yīng)用受到限制。可以說，現(xiàn)代控制理論沒有提供非常實用的控制器設(shè)計方法，控制理論與工程實際之間嚴重脫節(jié)。近年發(fā)展起來的自適應(yīng)、自校正控制技術(shù)，雖然能在一定程度上處理不確定性問題，但其本質(zhì)仍然要求在線辨識對象模型，所以導致算法復雜、計算量大，而且對過程的未建模動態(tài)和擾動的適應(yīng)能力差，系統(tǒng)的魯棒性問題尚有待進一步解決，因此其應(yīng)用范圍受到一定的限制[15-16]。PID的優(yōu)點：靠控制目標與實際行為之間的誤差來確定消除此誤差的控制策略。PID的缺點：（1）誤差的取法；（2）由誤差提取de/dt的辦法；（3）“加權(quán)和”策略不一定最好；（4）積分反饋有許多副作用。克服PID“缺點”的具體辦法是：（1）安排合適的“過渡過程”；（2）合理提取微分—跟蹤微分器(TrackingDifferentiator,TD)；（3）探討合適的組合方法—非線性組合(NonlinearLawStateErrorFeedback,NLSEF)；（4）探討“擾動估計”辦法—擴張狀態(tài)觀測器，(ExtendedStateObserver,ESO)。如果根據(jù)階躍信號和系統(tǒng)所能承受的“能力”來安排一個合適的過渡過程，然后讓系統(tǒng)的輸出跟蹤這個安排的過渡過程，就能實現(xiàn)快速而又無超調(diào)地跟蹤階躍信號的目的，并且使控制器的魯棒性和適應(yīng)性大大得到改善。自抗擾控制器（ActiveDisturbancesRejectionController），ADRC的提出綜合了經(jīng)典調(diào)節(jié)理論與現(xiàn)代控制理論的優(yōu)點，“觀測+補償”的方法可有效處理系統(tǒng)中的非線性與不確定性問題同時配合非線性的反饋方式，提高控制器的動態(tài)性能[17]。3.2自抗擾控制器自抗擾控制是我國著名控制論學者韓京清研究員在二十世紀九十年代末提出的一種針對非線性不確定性系統(tǒng)的控制方法。ADRC的典型結(jié)構(gòu)包括三部分：擴張狀態(tài)觀測器、跟蹤微分器和非線性狀態(tài)誤差反饋控制率。ADRC不依賴于系統(tǒng)的精確模型，將模型內(nèi)擾(模型及參數(shù)的攝動)和不可測外擾的作用歸結(jié)為系統(tǒng)的總擾動，利用誤差反饋的方法對其進行實時估計，并給予補償，具有較強的魯棒性。擴張狀態(tài)觀測器是自抗擾控制理論的核心，采用擴張狀態(tài)觀測器的雙通道補償結(jié)構(gòu)，對原系統(tǒng)模型加以改造，使得非線性、不確定的系統(tǒng)近似線性化和確定性化。在此基礎(chǔ)上設(shè)計控制器，充分利用特殊的非線性效應(yīng)，可有效加快收斂速度，提高控制系統(tǒng)的動態(tài)性能，成為解決一類非線性、不確定系統(tǒng)控制問題的強有力手段。下面詳細介紹自抗擾的三個組成部分。3.2.1跟蹤微分器(TD)跟蹤微分器(TrackingDifferentiator)有兩個作用，第一個作用是安排過渡過程，當設(shè)定值改變時，工業(yè)過程從一個平衡點過渡到另一個平衡點。第二個作用是提取微分信號，在實際工程中，常常需要從量測信號中提取微分信號，而微分信號的品質(zhì)對整個控制器的控制效果有很大的影響，但這些信號往往不可微，或者在噪聲的干擾下很難獲取比較好的微分信號。非線性跟蹤微分器是這樣一個非線性動態(tài)環(huán)節(jié)：對它輸入一個信號，它將給出兩個輸出和，其中跟蹤輸入信號，而是的微分,實際上是的“廣義微分”，是一種“品質(zhì)”很好的微分。非線性PID控制器中引入兩個跟蹤微分器和，其中用于根據(jù)目標和對象的能力，安排合適的過渡過程和這個過程的微分信號；則用于獲取量測信號的濾波輸出及量測信號中的微分信息。然后，再用和生成誤差信號和誤差信號的微分。設(shè)二階系統(tǒng)為：(3-1)上式的快速最優(yōu)控制綜合系統(tǒng)為：(3-2)式（3-2)中，變量是在加速度r的限制下，最快地跟蹤輸入信號。充分接近時，有可做v(t)的近似微分。由于函數(shù)sign(.)具有Bang-Bang特性，所以當系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)時有顫振現(xiàn)象，為避免這種現(xiàn)象，一般用線性飽和函數(shù)sat(.)代替符號函數(shù)sign(.)，其表達式為：(3-3)為了適應(yīng)數(shù)值計算的要求，將式離散化為： （3-4）進一步推導出其離散最速反饋系統(tǒng)為：（3-5）為輸入信號，跟蹤，是的微分，是的廣義微分，h是步長，是決定跟蹤速度的“速度因子”，是決定濾波效果的濾波因子，越大，TD跟蹤輸入越快；越大，TD的濾波效果越好。函數(shù)定義如下：（3-6）跟蹤微分器頻率特性的最大特點是其帶通內(nèi)有較小的相移，而且不會產(chǎn)生諧振。正因為如此應(yīng)用跟蹤微分器是解決線性系統(tǒng)中超調(diào)與快速性之間矛盾的一個途徑。同時，跟蹤微分器的頻率特性，類似于線性低通濾波器，且具有很好的濾波功能。跟蹤微分器是實現(xiàn)“無超調(diào)，快速跟蹤控制目標”的一種很有效的辦法：使誤差反饋和誤差微分反饋增益的選取范圍擴大，從而使其整定更為容易，控制器的魯棒性更為加強；使控制器參數(shù)不變時所能適應(yīng)的對象范圍大為擴大，即控制器的適應(yīng)性更為加強；閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高[18-19]。3.2.2擴張狀態(tài)觀測器(ESO)狀態(tài)觀測器是一種基于系統(tǒng)已知輸入和量測輸出來重構(gòu)系統(tǒng)狀態(tài)的策略。幾十年來，關(guān)于線性對象、非線性對象以及不確定對象的觀測器設(shè)計問題，均己得到深入的研究?？v觀已有的方法，可分為兩種輸出誤差校正方式：基于輸出誤差線性校正的經(jīng)典狀態(tài)觀測器方法(如Luenberger觀測器)和變結(jié)構(gòu)控制。經(jīng)典的狀態(tài)觀測器，采用全狀態(tài)反饋，針對線性、確定的對象具有很好的觀測效果，但難以解決非線性和不確定性問題。變結(jié)構(gòu)觀測器中的非光滑結(jié)構(gòu)，可以提高觀測器對系統(tǒng)不確定性及量測誤差的魯棒性，但同時導致顫震現(xiàn)象。擴張狀態(tài)觀測器作為自抗擾控制器的核心環(huán)節(jié)，其作用是有效跟蹤其觀測的狀態(tài)變量及其各階“廣義微分信號”。眾所周知，微分負反饋可加強系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度。但由于輸出信號中含有高頻噪聲，往往微分信號無法使用。而擴張狀態(tài)觀測器卻能有效地解決這一問題。ESO通過擴展一維的方法，可實時估計系統(tǒng)的擾動(包括外部干擾和內(nèi)部模型的不確定性部分)，并加以補償，使系統(tǒng)線性化為積分器串聯(lián)型結(jié)構(gòu),簡化了控制對象，便于提高控制性能[20]。對于一般的非線性對象：(3-7)將其變換為擴張狀態(tài)空間表達式：（3-8）大多數(shù)情況下是未知的，此時，令,稱為系統(tǒng)的擴張狀態(tài)，,也是未知函數(shù)，于是有：（3-9）根據(jù)能觀系統(tǒng)的定義。在式3-9所描述的系統(tǒng)中，為系統(tǒng)量測輸出，經(jīng)微分處理可得，依次類推，經(jīng)n-1次微分得，因此，式3-9所描述系統(tǒng)的能觀。但是，在未知的情況下，線性觀測器很難實時得到精確的估計值，因此利用非線性反饋來構(gòu)造觀測器：（3-10）,...,,被擴張的狀態(tài)對“未知擾動”的實時作用量可以作出很好的估計。式3-10叫做式3-9的擴張狀態(tài)觀測器。若部分已知或全部已知，則將其化為：，其中已知，未知，取，于是變成式3-11所示的狀態(tài)觀測器。F(×)是系統(tǒng)的“內(nèi)擾”和“外擾”的總和，即系統(tǒng)的“總擾動”。ESO中的估計的是“總擾動”中未知部分的“實時作用量”：（3-11）（3-12）將實時作用量a(t)的估計值補償?shù)娇刂破髦校】刂屏浚?-13）則原非線性不確定系統(tǒng)化為：(3-14)可見，擴張狀態(tài)觀測器將被控系統(tǒng)中含有的非線性動態(tài)、模型不確定性及外部擾動等都視為擴張狀態(tài)，加以實時觀測、估計，利用前饋環(huán)節(jié)對擴張狀態(tài)觀值進行補償，實現(xiàn)了非線性系統(tǒng)的反饋線性化。二階系統(tǒng)的擴張狀張狀態(tài)觀測器：（3-15）若為已知，則其觀測器可設(shè)計為：（3-16）若，f0（x1，x2）已知，取x3=f1（x1，x2，t)則有（3-17）二階ESO的離散形式如下：（3-18）(3-19)式中，α2<α1可取α1=0.5,α2=0.25。f(×)是系統(tǒng)的“內(nèi)擾”和“外擾”的總和，即系統(tǒng)的“總擾動”。估計是“總擾動”中未知部分的“實時作用量”）,在ESO中，將系統(tǒng)的模型擾動、參數(shù)攝動以及測量噪聲等擾動統(tǒng)一處理，采用擴張的非線性環(huán)節(jié)估計出其實時作用量并加以補償，從而將具有非線性、不確定的對象簡化為積分串聯(lián)型結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)系統(tǒng)的線性化和確定性化，確定性化和線性化后的系統(tǒng)，即可采用己有的經(jīng)典控制理論進行控制[21-24]。3.2.3非線性狀態(tài)誤差反饋控制律（NLSEF）在利用跟蹤—微分器來改進經(jīng)典PID和利用擴張狀態(tài)觀測器提取為實現(xiàn)“狀態(tài)反饋”、“模型和外擾補償”所需的信息的基礎(chǔ)上，可以得到非線性狀態(tài)誤差反饋控制律NLSEF。在“NLSEF”結(jié)構(gòu)中，系統(tǒng)的“模型”和“外擾”處于同等地位，均可用擴張狀態(tài)觀測器估計出其實時作用量而給以補償。擴張狀態(tài)觀測器是把有未知外擾的非線性不確定對象用非線性反饋化為“積分器串聯(lián)型”，是一種對非線性不確定對象實現(xiàn)反饋線性化結(jié)構(gòu)。利用ESO估計到的zn+1=f(x,,,…x(n-1),t)構(gòu)造控制律：u=u0-zn+1/b,zn+1跟蹤α(t)，于是有：（3-20）對應(yīng)系統(tǒng)被“偽線性化”成“積分器串聯(lián)型”，這是不確定系統(tǒng)的“實時動態(tài)線性”。系統(tǒng)設(shè)計問題變成對“積分器串聯(lián)型系統(tǒng)”的設(shè)計問題。這樣就能用“狀態(tài)誤差反饋”來設(shè)計理想的控制器了。當然，這個控制律的設(shè)計可不必局限在線性形式上，應(yīng)采用更合適的“非線性配置”。這就產(chǎn)生了“非線性狀態(tài)誤差反饋控制律”。令：（3-21）其中,為安排過渡過程及其各階導數(shù)和對象的狀態(tài)變量之間的差。從一定意義上講，NLSEF是非線性PID的推廣。適當選擇3-20控制律的各個參數(shù)，該控制器有很好的適應(yīng)性和魯棒性。對于一個二階的NLSEF控制器的離散形式如下：（3-22）補償擾動形成控制量為：（3-23）3.3自抗擾控制器的仿真ADRC由ESO，TD和NLSEF三部分組成。在實際應(yīng)用中，通常會發(fā)現(xiàn)有些過程用普通的Simulink模塊不容易搭建，可以使用Simulink支持的S-函數(shù)格式。用MAILAB語言來編寫S函數(shù)，S函數(shù)的形式十分通用，它能夠支持連續(xù)系統(tǒng)、離散系統(tǒng)和混合系統(tǒng)，可以說幾乎所有的Simulink模型都可以用S函數(shù)來描述。在Simulink里狀態(tài)向量可以分為連續(xù)狀態(tài)、離散狀態(tài)，或者是兩者的結(jié)合。Simulink在仿真時可以分為不同的仿真階段。它們分別是計算模塊的輸出、更新它的離散狀態(tài)和計算連續(xù)狀態(tài)的微分、在仿真的開始和結(jié)束，還包括初始化和結(jié)束任務(wù)兩個階段。在每一個階段，Simulink都重復地對模塊進行調(diào)用。自抗擾控制器的組成部分—TD、ESO、NLSEF都是采用的MATLAB語言來編寫對應(yīng)的S-函數(shù)，來形成自抗擾控制器的[25-26]。3.3.1自抗擾控制器設(shè)計自抗擾控制器是在非線性PID控制器的基礎(chǔ)上引入ESO而發(fā)展起來的，它的結(jié)構(gòu)如圖3-1所示，它由二階跟蹤微分器TD、三階擴張狀態(tài)觀測器ESO和非線性狀態(tài)誤差反饋律NLSEF三部分結(jié)構(gòu)組成。TD的作用是安排過渡過程并給出過渡過程的微分信號，擴展狀態(tài)觀測器ESO對狀態(tài)變量的估計,及系統(tǒng)總擾動（模型不確定和外擾）的實時作用量的估計，而反饋量將起到補償這個“總擾動”的作用。b0為b的估計值。非線性組合NLSEF實現(xiàn)對各階誤差信號的非線性加工組合。圖3-1自抗擾控制原理圖根據(jù)前面介紹的二階自抗擾控制器的三個組成部分（TD、ESO、NLSEF）的離散模型，用MATLAB語句編寫了其對應(yīng)的S-函數(shù)。本章中的有關(guān)自抗擾控制器的參數(shù)為：TD：r=300，h=0.01ESO:β01=100,β02=65，β03=80，b=1.05，0=1NLSEF：β1=100，β2=10，α01=0.75，α02=0.5，1=0.1，2=0.2，b0=13.3.2自抗擾控制器的仿真 假設(shè)受控對象為時變模型：（3-24）構(gòu)建的自抗擾控制的仿真模型如圖3-2所示。圖3-2自抗擾控制的仿真模型設(shè)置信號發(fā)生器的函數(shù)為方波，其頻率為0.1。這樣就能給控制器設(shè)置所需的參數(shù)，對這樣的系統(tǒng)進行仿真，控制效果如圖3.3所示圖3-3仿真結(jié)果圖4基于自抗擾控制的異步電機控制異步電機是一個多變量、非線性、不確定的控制對象。對于這樣一個復雜系統(tǒng)，其控制器設(shè)計具有較高的難度。對于轉(zhuǎn)速控制器，其調(diào)節(jié)對象為電機的負載，而負載轉(zhuǎn)矩的變化難以預知。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器將負載轉(zhuǎn)矩視為擾動，通過選取適當?shù)腜I參數(shù)動態(tài)補償負載擾動，實現(xiàn)快速調(diào)節(jié)。不過，一組PI參數(shù)只能針對特定的負載轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)較好的調(diào)節(jié)。負載轉(zhuǎn)矩波動時，其動態(tài)性能受到較大的影響。在轉(zhuǎn)速控制器性能要求較高的情況下，往往需要采用觀測器的方法實時觀測負載轉(zhuǎn)矩，并加以補償。除了受負載擾動和電流耦合項影響外，PI調(diào)節(jié)器限于其線性模型，控制品質(zhì)不高。為消除穩(wěn)態(tài)誤差，積分反饋不可缺少。在系統(tǒng)模型存在擾動項的情況下，主要依靠積分環(huán)節(jié)對其進行補償，但積分時間常數(shù)的大小難以做到有的放矢?？偟膩碚f，PI調(diào)節(jié)器只能實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無靜差，而對于系統(tǒng)動態(tài)毫無好處，甚至降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性[27]。針對以上控制方法的缺點，ADRC提供了很好的解決方法。ADRC基于誤差反饋策略，不依賴于系統(tǒng)的精確模型。將未知的外部擾動與難以處理的模型耦合項等歸結(jié)為總擾動，采用ESO統(tǒng)一加以“觀測和補償”，使得系統(tǒng)近似線性化和確定性化。在此基礎(chǔ)上，對改造后的系統(tǒng)模型采用經(jīng)典控制方法設(shè)計控制器，從而獲得很好的控制性能。本章采用ADRC設(shè)計異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制轉(zhuǎn)速環(huán)控制器。用ADRC控制器取代PI控制器，形成了完整的異步電機自抗擾直接轉(zhuǎn)矩控制調(diào)速系統(tǒng)，實現(xiàn)高性能的控制目標。4.1異步電機自抗擾控制器的設(shè)計對于直接轉(zhuǎn)矩控制下的異步電機驅(qū)動系統(tǒng)其控制器均為一階模型，所以設(shè)計的是一階的自抗擾控制器，ESO只輸出控制對象和未知擾動項的觀測值，而沒有控制對象的微分輸出項。因此，控制器不需要TD的微分輸出。TD相應(yīng)只起到濾波的作用，以安排控制對象參考值的過渡過程。不過，過渡過程的安排是針對伺服系統(tǒng)設(shè)計的，對于異步電機調(diào)速系統(tǒng)，安排過渡過程沒有意義。因此，針對本文所研究的控制對象的特殊性，TD環(huán)節(jié)無任何作用，在ADRC的模型中省略不用。圖4-1轉(zhuǎn)速環(huán)控制器的ADRC的模型框圖4.1.1自抗擾控制器的算法實現(xiàn)（1）ESO的離散算法實現(xiàn)對于直接轉(zhuǎn)矩控制下的異步電機驅(qū)動系統(tǒng)其控制器均為一階模型，相應(yīng)采用二階的ESO的離散形式，如式4-1所示。（4-1）主要用到的S函數(shù)程序段：function[sys,x0,str,ts]=control(t,x,u,flag)switchflag,%Initialization%case0,[sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes;%Derivatives%case{1,4,9}sys=[];%Update%case2,sys=mdlUpdate(t,x,u);%Outputs%case3,sys=mdlOutputs(t,x,u);%Unexpectedflags%otherwiseerror(['Unhandledflag=',num2str(flag)]);end%endsfuntmpl%mdlInitializeSizes%Returnthesizes,initialconditions,andsampletimesfortheS-function.function[sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizessizes=simsizes;sizes.NumContStates=0;sizes.NumDiscStates=2;sizes.NumOutputs=2;sizes.NumInputs=2;sizes.DirFeedthrough=0;sizes.NumSampleTimes=1;%atleastonesampletimeisneededsys=simsizes(sizes);x0=[00];str=[];ts=[-10];%endmdlInitializeSizes%mdlUpdate%Handlediscretestateupdates,sampletimehits,andmajortimestep%requirements.functionsys=mdlUpdate(t,x,u)e=x(1)-u(2);sys(1)=x(1)+0.01*(x(2)-65*e+0.3*u(1));sys(2)=x(2)-0.01*80*fal(e,0.5,0);%endmdlUpdate%mdlOutputs%Returntheblockoutputsfunctionsys=mdlOutputs(t,x,u)sys=x;%endmdlOutputsfunctionf=fal(e,a,d)ifabs(e)<df=e*d^(a-1);elsef=(abs(e))^(a)*sign(e);end（2）一階NLSEF的離散算法實現(xiàn)形式為：e1=n*-z1(k)u0=β1fal(e1,α1,σ1)uk=(u0(k)-z2(k))/b可以看出，該控制器算法中不存在動態(tài)的過程，故可以設(shè)置連續(xù)和離散的狀態(tài)個數(shù)均為0。根據(jù)上面的公式編寫出相應(yīng)的S-函數(shù)。function[sys,x0,str,ts]=control(t,x,u,flag)switchflag,%Initialization%case0,[sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes;%Derivatives%case{1,2,4,9}sys=[];%Outputs%case3,sys=mdlOutputs(t,x,u);%Unexpectedflags%otherwiseerror(['Unhandledflag=',num2str(flag)]);end%endsfuntmpl%mdlInitializeSizes%Returnthesizes,initialconditions,andsampletimesfortheS-function.function[sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizessizes=simsizes;sizes.NumContStates=0;sizes.NumDiscStates=0;sizes.NumOutputs=1;sizes.NumInputs=3;sizes.DirFeedthrough=1;sizes.NumSampleTimes=1;%atleastonesampletimeisneededsys=simsizes(sizes);x0=[];str=[];ts=[-10];%endmdlInitializeSizes%mdlOutputs%Returntheblockoutputs.functionsys=mdlOutputs(t,x,u)e=u(1)-u(2);u0=2*fal(e,0.8,0);sys=u0-u(3)/1.05;%endmdlOutputsfunctionf=fal(e,a,d)ifabs(e)<df=e*d^(a-1);elsef=(abs(e))^(a)*sign(e);end4.1.2異步電機調(diào)速系統(tǒng)ADRC設(shè)計結(jié)合考慮異步電機的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)和自抗擾控制器，在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速環(huán)中用ADRC取代經(jīng)典的PI控制。設(shè)計的自抗擾技術(shù)的異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制方案如圖4-2所示。圖4-2自抗擾技術(shù)的異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制方案根據(jù)基于自抗擾控制器的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，構(gòu)建了其仿真結(jié)構(gòu)圖，圖4-3仿真結(jié)構(gòu)圖4.2仿真與分析仿真采用三相鼠籠型感應(yīng)電機，感應(yīng)電機參數(shù)：額定電壓us=380V，額定頻率f=50Hz，額定功率pn=1.5kw,定子電阻Rs=6.03Ω,轉(zhuǎn)子電阻Rr=6.085Ω,定子電感Ls=0.5192H,轉(zhuǎn)子電Lr=0.5192H，定轉(zhuǎn)子互感Lm=0.4893H,轉(zhuǎn)動慣量J=0.00488kg.m2，極對數(shù)np=2。4.2.1基于ADRC的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真圖4-4為當負載轉(zhuǎn)矩為5N.m，在t=0.5s時電機轉(zhuǎn)速由1200r/min變?yōu)?00r/min，在t=1.0s時，變?yōu)?00r/min的定子磁鏈軌跡和系統(tǒng)響應(yīng)的波形。圖4-4中的（a）圖為定子磁鏈軌跡、（b）圖為電機轉(zhuǎn)速、（c）圖為電磁轉(zhuǎn)矩、（d）圖為定子電流a相。從圖4-4中可以看出，定子磁鏈中軌跡為圓形，系統(tǒng)能保持穩(wěn)定，電機轉(zhuǎn)速能快速跟隨給定，轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)快，定子電流是正弦曲線，自抗擾控制性能良好。圖4-5為電機轉(zhuǎn)速n=600r/min時，負載轉(zhuǎn)矩在t=0.5s時由TL=0階躍到TL=15N.m的定子磁鏈軌跡和系統(tǒng)響應(yīng)波形。圖4-5中的（a）圖為定子磁鏈軌跡、（b）圖為電機轉(zhuǎn)速、（c）圖為電磁轉(zhuǎn)矩、（d）圖為定子電流a相。從圖4-5中可以看出，負載轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化時，定子磁鏈的軌跡為圓形，自抗擾控制系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)無超調(diào),動態(tài)速降低，系統(tǒng)能保持穩(wěn)定，控制性能良好[28-30]。圖4-4給定速度發(fā)生階躍變化時系統(tǒng)響應(yīng)仿真波形圖4-5給定負載階躍變化時系統(tǒng)響應(yīng)波形圖4-6為電機轉(zhuǎn)速n=100r/min時，在t=0.5s時，負載轉(zhuǎn)矩由TL=0階躍到TL=15N.m的定子磁鏈軌跡和系統(tǒng)響應(yīng)波形。圖4-6中的（a）圖為定子磁鏈軌跡、（b）圖為電機轉(zhuǎn)速、（c）圖為電磁轉(zhuǎn)矩、（d）圖為定子電流a相。從圖4-6中可以看出，在低速過程中，系統(tǒng)能夠保持穩(wěn)定，說明基于自抗擾的直接轉(zhuǎn)矩控制的低速性能也很好。同一組ADRC參數(shù)對電機各個運行工況都能實現(xiàn)良好的控制性能[30-33]。圖4-6給定轉(zhuǎn)速100r/min時的系統(tǒng)響應(yīng)波形5結(jié)論本文基于自抗擾控制器，針對異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，主要從以下幾個方面進行了研究。（1）分析了直接轉(zhuǎn)矩控制原理，對異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制數(shù)學模型進行了介紹，并對其進行了仿真研究。（2）對自抗擾控制算法的機理進行了闡述，通過分析傳統(tǒng)PID算法的優(yōu)缺點，介紹了自抗擾控制器的三個典型環(huán)節(jié)：跟蹤微分器（TD）、擴張狀態(tài)觀測器（ESO）、非線性狀態(tài)誤差反饋（NLSEF），給出了自抗擾控制器的結(jié)構(gòu)圖，構(gòu)建了自抗擾控制器的仿真模型。（3）將ADRC應(yīng)用于異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制中，給出了系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖，使用一階ADRC設(shè)計異步電機轉(zhuǎn)速自抗擾控制器，并采用S-函數(shù)實現(xiàn)了ADRC控制算法，建立了基于異步電機的直接轉(zhuǎn)矩控制仿真模型。參考文獻[1]袁壽財,朱長純.現(xiàn)代交流傳動控制技術(shù)的回顧與展望[J].光機電信息2002(6):29-37.[2]周煉,謝運祥.交流調(diào)速系統(tǒng)及相應(yīng)電力電子技術(shù)的發(fā)展綜述[J].微電機，199932(6):24-27.[3]TaeWC,MeongKC,BoseBK.Anovelstart-upschemeofstatorfluxorientedvectorcontrolledinductionmotordrivewithouttorquejerk[J].IEEETransonInd,2001,23(2):148-153.[4]ThomasM，Jahns,VadimirBlasko.RecentAdvancesinPowerElectronicsTechnologyforIndustrialandTractionMachineDrives[C].PROCEEDINGSOFTHEIEEE,VOL.89,NO.6,JUNE2001:23-25.[5]李夙.異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制[M]