开关磁阻电机分数阶滑模控制器的设计方法及控制系统技术方案

本发明专利技术具体公开了一种开关磁阻电机分数阶滑模控制器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：基于开关磁阻电机的机电联系方程，建立开关磁阻电机模型；基于开关磁阻电机模型进行切换流形面设计；利用Lyapunov函数验证分数阶滑模控制的稳定性，并以此设计满足逼近条件的分数阶滑模控制律；对分数阶滑模控制律中的参数进行整定；利用模糊推理算法对分数阶滑模控制开关增益εs进行整定；本发明专利技术通过利用分数阶多一个阶次r自由度，缓慢传递能量的特性，减弱传统滑模控制在切换流面存在的抖震问题，同时能使系统对参数变化和外部扰动的强鲁棒性，在电机低速运行是，能有效地减弱转距脉动，减弱开关磁阻电机的噪音。

【技术实现步骤摘要】
开关磁阻电机分数阶滑模控制器的设计方法及控制系统
本专利技术涉及油田设备应用
，具体涉及一种开关磁阻电机分数阶滑模控制器的设计方法及控制系统。
技术介绍
随着老油井逐渐步入贫油期，新油井在尚未正式投产之前需要进行试油试采工作，以探明区域工业性油气流储量。试油试采工作周期一般不长，车载试油试采举升设备可以满足在不同油井间快速移动，并且能够适应不同油井特殊的地形位置特点。现在技术采用的是将变频器加异步电机组成变频调速系统应用于车载试油试采设备上代替原有的柴油发电机，作为车载试油试采举升设备的驱动力。如图1应用于车载试油试采举升设备变频调速系统总体设计方案图所示，PC计算机和PLC控制器通过以太网进行网络通信，使用梯形图对系统编写程序。通过程序中对系统设定的速度曲线，PLC控制器对变频器PowerFLex40的输出频率进行控制，完成正反向加速、匀速、减速运动。通过PowerFLex40变频器对三相异步电机进行变频控制，异步电动机经过减速器带动滚筒拖动有杆泵进行上下往复运动，完成试油试采工作。同时在异步电动机连接的同轴减速器上外接旋转编码器，用于把异步电动机输出脉冲累加值反馈给PLC系统中的高速计数器模块，经程序换算单位，把反馈的脉动电信号换算成实际输出频率值，与预设定的频率值进行比较，其偏差作为控制量，加入模糊PID控制算法，实现系统的智能控制算法。但现有技术存在以下缺点：1.传统滑模控制是通过设计系统切换面和控制量，通过不间断地来回切换控制量，使得系统被约束在切换面上，系统的状态变量会自动地滑到系统相对稳定的原点，其在切换流面存在抖震问题。2.车载试油试采举升设备电机驱动需要频繁的起、制动和正反转，导致变频调速系统的绕组电流较大，造成异步电机发热严重，导致电机容易损坏；3.变频调速的主功率变换电路存在桥臂直通短路的威胁；4.变频调速开关频率高，功耗高，从而增加了IGBT的热冲力老化，增加了电解电容高频损耗电流，导致IGBT的使用寿命减少。5.变频调速系统中异步电机转子由鼠笼条，机械强度低，可靠性不高；6.在变频调速系统中，当电动机或控制器的某一相出现故障时，电动机不能工作。随着新能源节能环保概念的不断推广，对车载试油试采设备进行节能改造有重要意义，采用电机直接驱动控制代替柴油和天然气发动机驱动的传统模式，改变车载试油试采设备的动力驱动方式，提高试油试采工作效率，既有利于降低在边远油井进行作业的能源消耗，又可以达到保护环境的目的。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种开关磁阻电机分数阶滑模控制器的设计方法和一种开关磁阻电机控制系统。为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供了以下技术方案：一种开关磁阻电机分数阶滑模控制器的设计方法，包括以下步骤：S1、基于开关磁阻电机的机电联系方程，建立开关磁阻电机模型；S2、基于开关磁阻电机模型进行切换流形面设计；S3、利用Lyapunov函数验证分数阶滑模控制器的稳定性，并以此设计满足逼近条件的分数阶滑模控制器的控制律；S4、对分数阶滑模控制器的控制律中的参数进行整定；S5、利用模糊推理算法对分数阶滑模控制开关增益εs进行整定。具体地，步骤S1的具体过程为：S11、开关磁阻电机的机电联系方程为：其中，i为开关磁阻电机电流；S12、对开关磁阻电机的机电联系方程进行变换得：令即(2)式表示为：S13、引入开关磁阻电机设定转速和开关磁阻电机实测转速ωr，令从而可得：S14、建立开关磁阻电机模型为：具体地，步骤S2的具体过程为：S21、基于开关磁阻电机模型建立切换流形面方程为：其中Kp和Ki∈R+是滑模面的增益，为分数阶微积分算子，当r＞0，表示r积分，当r<0，表示r微分，本实施例限定0<r<1；S22、对切换流形面求导可得：S23、系统进入滑模态，即可得：S24、根据分数阶稳定性理论，保证系统即为渐进稳定，并以t-r形式收敛到平衡点，而整数是以指数e-t的形式收敛到平衡点。具体地，步骤S3的具体过程为：S31、分数阶滑模控制器的控制律的开关函数为：通过利用分数阶导数的滤波特性抑制开关函数高频切换造成的抖震问题；S32、利用Lyapunov函数来验证分数阶滑模控制器的稳定性，必须保证开关磁阻电机控制系统在任意初始状态都能达到滑模态；所述Lyapunov函数为：对其求导可得：判断时，满足分数阶滑模控制器的到达条件即为稳定的；令将式子(10)带入式子(9)得：由此得出，分数阶滑模控制开关增益εs＞|δ(t)|，则恒成立，即分数阶滑模控制器能从任意初始状态在有限时间内到达滑模切换面；S33、根据开关磁阻电机模型和分数阶滑模控制开关增益εs计算分数阶滑模控制器输出：由(5)式和(10)式可得分数阶滑模控制器的输出为：具体地，步骤S4的具体过程为：S41、当扰动误差δ(t)＝0，则分数阶滑模控制器的输出等效为分数阶PDr控制器；其中Kn为速度反馈系数，Tw为测速环节时间常数；理想状态下，等效分数阶PDr控制器控制律简化为：开环传递函数为G(s)＝P(s)×C(s)，ωc为系统幅频特性的穿越频率，为相角裕度；S42、分数阶滑模控制三个参数通过如下三条整定规则进行整定：(1)相角裕度准则：(2)穿越频率准则：|G(jωc)dB＝1；(3)增益变化鲁棒性准则：S43、基于Kp、Ki和r的非线性关系，借助MATLAB画图，求出待整定的三个参数，从而确定分数阶滑模控制器的输出。具体地，步骤S5的具体过程为：S51、模糊推理算法的输入为输出为滑模开关增益变化dε，输入输出对应的模糊语言变量为：{PB(正大)、PM(正中)、ZO(零)、NM(负中)、NB(负大)}；S52、隶属度函数uj(s)为三角形，设计以下的模糊规则：R1：R2：R3：R4：R5：S53、模糊输出dε，使用如下重心法进行解模糊计算：其中Kj为第j个论域的中心值；S54、采用如下积分法，估计确定分数阶滑模开关增益其中ks>0，ks为比例系数。一种开关磁阻电机控制系统，包括：基于所述设计方法而设计的分数阶滑模控制器，开关磁阻电机、控制面板，以及均连接至所述分数阶滑模控制器和开关磁阻电机的功率变换电路、电流检测电路和位置检测电路；所述控制面板用于设定所述开关磁阻电机转速并显示其状态信息，所述电流检测电路，用于检测所述开关磁阻电机电流；所述位置检测电路，用于检测电机转子位置，所述分数阶滑模控制器获取所述电机转子位置得到开关磁阻电机转速；所述分数阶滑模控制器通过所述开关磁阻电机的实测电流、实测转速和设定转速，利用分数阶滑模控制方法调节所述功率变换电路，控制所述开关磁阻电机运行。进一步，所述电流检测电路，还连接有用于过电流检测的硬件过流保护电路。进一步，所述分数阶滑模控制器还连接有输出信号驱动电路，用于所述分数阶滑模控制器输出信号对所述功率变换电路进行调节。进一步，所述输出信号驱动电路包括电平变换电路、逻辑综合电路和输出驱动电路。与现有技术相比，本专利技术的有益效果：1、通过利用分数阶多一个阶次r自由度，缓慢传递能量的特性，减弱传统滑模控制在切换流面存在的抖震问题，同时能使系统对参数变化和外部扰动的强鲁棒性，在电机低速运行时，能有效地减弱转距脉动，减弱开本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种开关磁阻电机分数阶滑模控制器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、基于开关磁阻电机的机电联系方程，建立开关磁阻电机模型；S2、基于开关磁阻电机模型进行切换流形面设计；S3、利用Lyapunov函数验证分数阶滑模控制器的稳定性，并以此设计满足逼近条件的分数阶滑模控制器的控制律；S4、对分数阶滑模控制器的控制律中的参数进行整定；S5、利用模糊推理算法对分数阶滑模控制开关增益εs进行整定。

【技术特征摘要】
1.一种开关磁阻电机分数阶滑模控制器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、基于开关磁阻电机的机电联系方程，建立开关磁阻电机模型；S2、基于开关磁阻电机模型进行切换流形面设计；S3、利用Lyapunov函数验证分数阶滑模控制器的稳定性，并以此设计满足逼近条件的分数阶滑模控制器的控制律；S4、对分数阶滑模控制器的控制律中的参数进行整定；S5、利用模糊推理算法对分数阶滑模控制开关增益εs进行整定。2.如权利要求1所述的开关磁阻电机分数阶滑模控制器的设计方法，其特征在于，步骤S1的具体过程为：S11、开关磁阻电机的机电联系方程为：其中，i为开关磁阻电机电流；S12、对开关磁阻电机的机电联系方程进行变换得：令即(2)式表示为：S13、引入开关磁阻电机设定转速和开关磁阻电机实测转速ωr，令从而可得：S14、建立开关磁阻电机模型为：3.如权利要求1所述的开关磁阻电机分数阶滑模控制器的设计方法，其特征在于，步骤S2的具体过程为：S21、基于开关磁阻电机模型建立切换流形面方程为：其中Kp和Ki∈R+是滑模面的增益，为分数阶微积分算子，当r＞0，表示r积分，当r<0，表示r微分，限定0<r<1；S22、对切换流形面求导可得：S23、系统进入滑模态，即可得：S24、根据分数阶稳定性理论，保证即为渐进稳定，并以t-r形式收敛到平衡点，而整数是以指数e-t的形式收敛到平衡点。4.如权利要求1所述的开关磁阻电机分数阶滑模控制器的设计方法，其特征在于，步骤S3的具体过程为：S31、分数阶滑模控制器的控制律的开关函数为：S32、利用Lyapunov函数来验证分数阶滑模控制器的控制律的稳定性；所述Lyapunov函数为：对其求导可得：判断时，满足分数阶滑模控制器的到达条件即为稳定的；令将式子(10)带入式子(9)得：由此得出，分数阶滑模控制开关增益εs＞|δ(t)|，则恒成立，即可保证分数阶滑模控制律稳定，即系统能从任意初始状态在有限时间内到达滑模切换面；S33、根据开关磁阻电机模型和分数阶滑模控制开关增益εs计算分数阶滑模控制器的输出：由(5)式和(10)式可得分数阶滑模控制器的输出为：5.如权利要求1所述的开关磁阻电机分数阶滑模控制器的设计方法，其特征在于，步骤S4的具体过程为：S41、当扰动误差δ(t)＝0，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李红伟，陈佩斯，唐学建，葛茗瑞，曾玥，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：四川,51