基于参数辨识的直流电机电流环控制器参数自整定方法技术

本发明专利技术公开了基于参数辨识的直流电机电流环控制器参数自整定方法，用于双闭环控制的直流调速系统的电流环控制器参数自整定；包括：首先，在开环状态下，给定两个不同的电压指令，通过获取电流和速度采样信号，算得其反电动势系数和电枢电阻。其次，采用MRAS方法，以直流电机的增量电压方程为可调模型，并给出理想状况下的电压方程为参考模型，使用Landau离散法设计模型的自适应律，实现电机电感辨识。最后，采用模糊理论建立知识库，在极点配置的基础上建立多规则双输入模型，根据电机的电气参数，算得电流环的控制器参数，实现电流环的控制器参数自整定。本发明专利技术简洁方便，省去了人工整定参数的种种不足，可以快速准确地实现电流环控制器参数自整定。

【技术实现步骤摘要】
基于参数辨识的直流电机电流环控制器参数自整定方法
本专利技术涉及一种基于双闭环控制的直流调速系统的电流环控制器参数自整定方法，具体涉及基于参数辨识的直流电机电流环控制器参数自整定方法，属于直流电机电流环控制器参数自整定

技术介绍
智能化和高性能是伺服电机发展的两个重要方向。其中，智能化是指伺服驱动器产品能够自行完成参数辨识和控制器参数自整定。在没有相关技术的情况下，需要用户自行调试伺服驱动器或产品生产公司安排员工进行手工调节，消耗大量人力物力。因此，一套能实现控制器参数自整定的自动控制系统，能大大减少时间成本和劳动成本，且能切实提高产品的核心竞争力。控制器的自整定策略主要分为两大类——基于模型的方法和不基于模型的方法。其中，基于模型的方法需要获悉被控对象的机理模型并得到其精确的参数，涉及到模型参数的辨识。就参数辨识而言，电机电气参数辨识方法主要也包括两类：一类是直接计算的方法，通过一定约束条件，利用电气方程列方程组直接计算电阻电感；另一类是在线的方法，如最小二乘法、基于超稳定原理的模型参考自适应法、基于李亚普诺夫稳定原理的模型参考自适应法、卡尔曼滤波器法等。在实际应用中，模型建立和参数辨识的精度和收敛速度至关重要。精确的模型是控制器参数自整定的基础；参数辨识的精度决定了控制器的控制效果，收敛速度则事关用户体验。当今伺服产品的不断发展要求电流控制器自整定技术在得到良好自整定效果的同时有着较快的自整定过程；使得用户不仅能得到满意的参数自整定效果，也能获得较好的使用体验。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：提供基于参数辨识的直流电机电流环控制器参数自整定方法，针对双闭环直流调速系统中电流环控制器参数手工调节需要花费大量时间的实际情形，使用电压指令和模型参考自适应的方法进行电气参数辨识，并使用重极点配置结合模糊推理理论得到PI参数值，从而实现该系统中电流环控制器参数的自整定，省去了大量的调节时间。在参数辨识中，对不同的参数使用了不同的辨识方案，辨识精度高；在控制器参数自整定中，使用模糊推理减少了计算量，降低了参数敏感性并提高了控制效果。整个方案可以自动完成，无需手工调节，有较好的整定效果和整定时间。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：基于参数辨识的直流电机电流环控制器参数自整定方法，包括如下步骤：步骤1，在开环状态下，给定两个不同的电压指令，测量这两个情况下的电流和转速，根据克莱尔法则计算得到直流电机的电枢电阻和反电动势系数；步骤2，对直流电机的电压方程进行离散化和差分，得到增量电压方程，根据增量电压方程设计得到系统的参考模型和可调模型；步骤3，根据朗道离散法设计得到可调模型的自适应律，对模型参考自适应算法进行改进，实现直流电机的电感辨识；步骤4，以电机的电气时间常数及PI控制器的参数为模糊值变量，其中，电枢电阻、电枢电感为输入量，比例参数、积分参数为输出量，在重极点配置的基础上建立模糊控制规则；步骤5，根据步骤4得到的模糊控制规则，对步骤1得到的电枢电阻及步骤3得到的电枢电感进行模糊推理，得到对应的模糊输出，再对模糊输出进行反模糊化处理，得到PI控制器的最终参数，实现自整定。作为本专利技术的一种优选方案，步骤1所述电枢电阻和反电动势系数表达式分别如下：其中，R为电枢电阻，Ce为反电动势系数，u1、i1、ω1分别为第一个电压指令下所测得的电压、电流、转速；u2、i2、ω2分别为第二个电压指令下所测得的电压、电流、转速作为本专利技术的一种优选方案，步骤2所述系统的参考模型和可调模型分别如下：其中，i(k)为参考模型的输出，为可调模型的输出，i(k-1)、i(k-2)分别为第k-1、k-2次实际测量得到的电流值，为的估计值，为第k-1次的值，Ts为电流环中断周期，L为电枢电感，Δu(k-1)＝u(k-1)-u(k-2)，u(k-1)、u(k-2)分别为第k-1、k-2次实际测量得到的电压值。作为本专利技术的一种优选方案，步骤3所述可调模型的自适应律如下：其中，分别为第k、k-1次的值，β为自适应增益系数，m为定值，t为时间，i(k)为参考模型的输出，为可调模型的输出，Δu(k-1)＝u(k-1)-u(k-2)，u(k-1)、u(k-2)分别为第k-1、k-2次实际测量得到的电压值。作为本专利技术的一种优选方案，步骤4所述比例参数、积分参数分别如下：其中，kp、ki分别为比例参数、积分参数，L为电枢电感，R为电枢电阻，a为极点。本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：1、本专利技术操作简单，所有步骤都无需手动调节，可由计算机独立完成，简单方便快捷，节省了大量的手动调参时间。2、本专利技术对不同电气参数采用不同的辨识方法，辨识结果精准。3、本专利技术使用模糊推理，减少了计算量，降低了参数敏感度；由规则库保证能得到良好的控制器参数。4、本专利技术不仅在直流电机的电流环控制器参数自整定中能得到良好的效果，且其设计思路能推广至所有电机的电流环参数自整定，甚至可以推广到速度环参数自整定，具有非常广阔的应用前景。附图说明图1是直流电机电流环MRAS模型示意图。图2是直流电机双闭环调速系统动态结构图。图3是基于参数辨识的直流电机电流环控制器参数自整定方法结构框图。图4是不同步长下电感辨识曲线效果图。图5是基于参数辨识的直流电机电流环控制器参数自整定方法流程图。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本专利技术，而不能解释为对本专利技术的限制。如图3、图5所示，本专利技术基于参数辨识的直流电机电流环控制器参数自整定方法，包括如下步骤：步骤一、在开环状态下，给定两段电压指令，算得电机的电枢电阻和反电动势系数；具体如下：在双闭环直流调速系统中，其内环为电流环，外环为速度环。这里，采用PI控制器作为其电流环控制器，设计方案设计其PI参数的自整定。直流电机的电压方程为：对于特定的电机，其反电动势系数为定值，电阻变化范围较小，也可视为定值。当电机处于稳态时，其导数项为零。给定两个不同的电压指令，在稳态时，根据电流和转速采样信息可以得到下述方程：由以上方程组可以算得：步骤二、通过对直流电机的电压方程进行离散化，差分得到其增量电压方程，根据其增量电压方程设计其参考模型和可调模型；具体如下：对直流电机的电压方程进行离散化，得到：考虑到稳定情况下，E(k-1)＝E(k-2)，将以上两式进行相减，得到方程如下：式中，Δu(k-1)＝u(k-1)-u(k-2)；将上式表示其电流的方程，可得：在实际系统中，由于且电流一般不会突变，所以可以省略上式的最后一项，得到参考模型如下：根据参考模型，可以设计可调模型如下：式中，步骤三、根据模型参考自适应(MRAS)算法进行改进，直流电机电流环MRAS模型如图1所示，设计其可调模型的自适应律，并实现电机的电感辨识；具体如下：使用朗道(Landau)离散时间递推参数辨识机制，设计MRAS算法，取性能指标为：式中，采用梯度法，得：式中，λ为步长，这里选取使得λ为一个时变的参数，且随着时间的增加递减，从而实现自整定刚开始粗调，最终细调的效果。上式中，i(k)为实际测量到的电流值，即参考模型的输出；为可调模型的输出，也可视为i(k)的估计本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于参数辨识的直流电机电流环控制器参数自整定方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，在开环状态下，给定两个不同的电压指令，测量这两个情况下的电流和转速，根据克莱尔法则计算得到直流电机的电枢电阻和反电动势系数；步骤2，对直流电机的电压方程进行离散化和差分，得到增量电压方程，根据增量电压方程设计得到系统的参考模型和可调模型；步骤3，根据朗道离散法设计得到可调模型的自适应律，对模型参考自适应算法进行改进，实现直流电机的电感辨识；步骤4，以电机的电气时间常数及PI控制器的参数为模糊值变量，其中，电枢电阻、电枢电感为输入量，比例参数、积分参数为输出量，在重极点配置的基础上建立模糊控制规则；步骤5，根据步骤4得到的模糊控制规则，对步骤1得到的电枢电阻及步骤3得到的电枢电感进行模糊推理，得到对应的模糊输出，再对模糊输出进行反模糊化处理，得到PI控制器的最终参数，实现自整定。

【技术特征摘要】
1.基于参数辨识的直流电机电流环控制器参数自整定方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，在开环状态下，给定两个不同的电压指令，测量这两个情况下的电流和转速，根据克莱尔法则计算得到直流电机的电枢电阻和反电动势系数；步骤2，对直流电机的电压方程进行离散化和差分，得到增量电压方程，根据增量电压方程设计得到系统的参考模型和可调模型；步骤3，根据朗道离散法设计得到可调模型的自适应律，对模型参考自适应算法进行改进，实现直流电机的电感辨识；步骤4，以电机的电气时间常数及PI控制器的参数为模糊值变量，其中，电枢电阻、电枢电感为输入量，比例参数、积分参数为输出量，在重极点配置的基础上建立模糊控制规则；步骤5，根据步骤4得到的模糊控制规则，对步骤1得到的电枢电阻及步骤3得到的电枢电感进行模糊推理，得到对应的模糊输出，再对模糊输出进行反模糊化处理，得到PI控制器的最终参数，实现自整定。2.根据权利要求1所述基于参数辨识的直流电机电流环控制器参数自整定方法，其特征在于，步骤1所述电枢电阻和反电动势系数表达式分别如下：其中，R为电枢电阻，Ce为反电动势系数，u1、i1、ω1分别为第一个电压指令下所测得的电压、电流、转速；u2、i2、ω2分...

【专利技术属性】
技术研发人员：李世华，王佳鹏，王旭明，戴忱，曹为理，张允志，
申请(专利权)人：东南大学，中国船舶重工集团公司第七一六研究所，
类型：发明
国别省市：江苏,32