永磁同步电机调速系统及多目标最优状态反馈控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种永磁同步电机调速系统及多目标最优状态反馈控制方法，包括分析永磁同步电机动态特性，构建调速系统的状态空间模型并设计状态反馈控制器；为求解多目标控制问题，设计基于外部档案的多目标蝙蝠算法；采用多目标蝙蝠算法对二次型最优性能规范的权重矩阵进行优化；以二次型最优性能规范作为反馈控制增益的优化目标并求解满足最优性能的增益。相比传统的带有PI控制器的级联控制结构，本发明专利技术继承了状态反馈控制在动态响应性能和抗扰动能力方面的优势；更进一步地，基于多目标蝙蝠算法求解权重矩阵间接优化控制参数的整定策略，使得状态反馈控制能够使用多目标永磁同步电机调速系统的不同性能偏好，具有更广泛的潜在应用范围。泛的潜在应用范围。泛的潜在应用范围。

【技术实现步骤摘要】
永磁同步电机调速系统及多目标最优状态反馈控制方法


[0001]本专利技术涉及伺服电机控制领域，尤其涉及一种永磁同步电机调速系统及多目标最优状态反馈控制方法。

技术介绍

[0002]由于具有效率高、结构紧凑以及可靠性好等优点，永磁同步伺服电机在各类自动化、智能化设备中得到了广泛的应用，例如：数控机床、工业机器人、电动汽车、空调等。目前，在这些应用中的永磁同步电机调速系统通常采用带有PI控制器的级联控制结构，即内部的电流环和外部的速度环。但是，级联控制结构中内部控制回路的存在都会限制动力学行为，并可能导致干扰补偿的恶化。
[0003]状态反馈控制是实现高性能永磁同步电机调速系统的一种有效的替代方法。在这种方法中，不存在内部和外部控制回路，被控系统的所有状态变量都由单个控制器同时控制。因此永磁同步电机调速系统可以获得更好的动力学特性，尤其是干扰补偿。在状态反馈控制器设计过程中，确定合适的反馈控制增益并不是一件容易的任务；特别是对于多状态变量的永磁同步电机调速系统来说，存着多个控制参数需要同时整定。虽然线性二次型调节器可被用来求解最优反馈增益，但是此方法中的权重矩阵设计仍缺乏有效的方法。此外，随着性能要求的不断提高，永磁同步电机调速系统需要同时面对各种性能指标和规范，其中有些目标甚至会产生冲突。仅依赖于线性二次型调节器的状态反馈控制策略很难满足多目标最优的控制需求。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的就在于为了解决上述问题而提供一种永磁同步电机调速系统及多目标最优状态反馈控制方法。该方法首先基于线性二次型最优规范设计了永磁同步电机调速系统的状态反馈控制率，以克服传统级联控制策略在处理系统动态特性方面的不足；同时，改进了多目标蝙蝠算法来处理调速系统的多目标控制问题，改进后的算法可以自动求解线性二次型最优规范中的权重矩阵。
[0005]本专利技术通过以下技术方案来实现上述目的：
[0006]本专利技术永磁同步电机调速系统，包括状态反馈控制器，所述状态反馈控制器集成多目标蝙蝠算法，通过所述状态反馈控制器控制所述永磁同步电机进行调速，所述状态反馈控制器通过逆变器控制所述永磁同步电机，所述永磁同步电机通过传感器与所述状态反馈控制器反馈信息。
[0007]永磁同步电机调速系统的多目标最优状态反馈控制方法具体包括以下步骤。
[0008]1)通过线性化处理，构建永磁同步电机的状态方程；
[0009]2)引入速度积分作为扩展状态，构建永磁同步电机调速系统的增广状态空间模型；
[0010]3)设计状态反馈控制器，并通过线性二次型调节器求解控制增益
[0011]4)设计基于外部档案的多目标蝙蝠算法，并基于随机向量差分算子，改进原有算法的局部寻优策略；
[0012]5)基于设计的多目标蝙蝠算法求解多目标控制需求下的权重矩阵，并应用于线性二次型调节器获得最优控制增益集合；
[0013]6)将状态反馈控制器和所得控制增益应用于永磁同步电机调速系统，得到多目标最优状态反馈控制。
[0014]所述永磁同步电机的d
‑
q轴动态方程为
[0015][0016][0017][0018]式中i
d
和i
q
是d
‑
q轴电流，V
d
和V
q
是d
‑
q轴电压，ω为电机的电角速度，T
l
为负载转矩，L
d
和L
q
为d
‑
q轴定子电感，ξ、R
s
、J
m
、B
f
和λ
m
分别为电机极对数、定子电阻、转动惯量、粘性摩擦系数和磁通量。
[0019]更进一步地，在步骤1)的线性化处理过程中，首先假设L
d
＝L
q
＝L，即表贴式永磁同步电机，接着定义如下变量：
[0020]u
q
(t)＝V
q
(t)
‑
λ
m
ω(t)
‑
ω(t)L
d
i
d
(t)，
[0021]u
d
(t)＝V
d
(t)+ω(t)L
q
i
q
(t)。
[0022]根据新定义变量，永磁同步电机的状态方程可表述为：
[0023][0024]式中式中
[0025]其中为保证无稳态速度误差，速度积分被引入作为系统的扩展状态式中ω
r
(t)为指令转速。
[0026]所述永磁同步电机调速系统的增广状态空间模型为：
[0027][0028]式中
[0029]伺服电机速度跟踪系统的状态反馈控制率可表述为
[0030]u(t)＝
‑
Kx(t)，式中K为状态反馈控制增益矩阵，有
[0031]本专利技术中，反馈控制增益通过线性二次型调节器求解，所述二次型最优性能指标为
[0032]式中Q和R为权重矩阵，可表述为Q＝diag([q
1 q
2 q
3 q4])，R＝diag([r
1 r2])。
[0033]更进一步地，权重矩阵Q和R通过多目标蝙蝠算法进行优化，其具体步骤如下：
[0034]I).确定永磁同步电机调速系统的优化目标，设计优化算法所用的适应度评价准则；构建永磁同步电机调速系统的仿真模型；
[0035]II).设置多目标蝙蝠算法的关键参数，随机初始化种群；
[0036]III).通过仿真模型对候选解决方案进行性能测试，以获得目标函数评估所需的测试数据，然后计算候选解决方案的适用性；
[0037]IV).执行多目标蝙蝠算法以更新种群，直到满足终止条件；
[0038]V).根据权重矩阵Q、R的非支配解集和线性矩阵不等式，求解最优反馈控制增益解集；
[0039]VI).在实际的永磁同步电机调速系统上验证最佳控制参数和设计的状态反馈控制器。
[0040]在步骤I)中，对于多目标的永磁同步电机调速系统，所考虑的优化目标为：
[0041][0042]式中M
p
为调速系统阶跃响应的最大超调量，t
f
为控制的终止时间。
[0043]在步骤IV)中，利用多目标蝙蝠算法在搜索空间寻找满足多目标需求的权重矩阵Q、R的非支配解，其具体操作步骤如下：
[0044]i)初始化多目标蝙蝠算法的相关参数；
[0045]ii)初始化种群内每个个体的频率、速度以及位置；
[0046]iii)评估每个蝙蝠个体的适应度；
[0047]iv)建立或更新外部档案集；
[0048]v)执行优化器，更新蝙蝠种群；
[0049]vi)若未满足终止条件，则返回步骤iii)，否则输出非支配解集。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种永磁同步电机调速系统，其特征在于：包括状态反馈控制器，所述状态反馈控制器集成多目标蝙蝠算法，通过所述状态反馈控制器控制所述永磁同步电机进行调速，所述状态反馈控制器通过逆变器控制所述永磁同步电机，所述永磁同步电机通过传感器与所述状态反馈控制器反馈信息。2.一种永磁同步电机调速系统的多目标最优状态反馈控制方法，其特征在于：包括以下步骤：1)通过线性化处理，构建永磁同步电机的状态方程；2)引入速度积分作为扩展状态，构建永磁同步电机调速系统的增广状态空间模型；3)设计状态反馈控制器，并通过线性二次型调节器求解控制增益4)设计基于外部档案的多目标蝙蝠算法，并基于随机向量差分算子，改进原有算法的局部寻优策略；5)基于设计的多目标蝙蝠算法求解多目标控制需求下的权重矩阵，并应用于线性二次型调节器获得最优控制增益集合；6)将状态反馈控制器和所得控制增益应用于永磁同步电机调速系统，得到多目标最优状态反馈控制。3.根据权利要求2所述的永磁同步电机调速系统的多目标最优状态反馈控制方法，其特征在于：所述步骤1)中永磁同步电机的d
‑
q轴动态方程为q轴动态方程为q轴动态方程为式中i
d
和i
q
是d
‑
q轴电流，V
d
和V
q
是d
‑
q轴电压，ω为电机的电角速度，T
l
为负载转矩，L
d
和L
q
为d
‑
q轴定子电感，ξ、R
s
、J
m
、B
f
和λ
m
分别为电机极对数、定子电阻、转动惯量、粘性摩擦系数和磁通量。4.根据权利要求2所述的永磁同步电机调速系统的多目标最优状态反馈控制方法，其特征在于：所述步骤1)的线性化处理过程中，首先假设L
d
＝L
q
＝L，即表贴式永磁同步电机，接着定义如下变量：u
q
(t)＝V
q
(t)
‑
λ
m
ω(t)
‑
ω(t)L
d
i
d
(t)，u
d
(t)＝V
d
(t)+ω(t)L
q
i
q
(t)；根据新定义变量，永磁同步电机的状态方程可表述为：式中
ε
z
(t)＝T
l
(t)；其中为保证无稳态速度误差，速度积分被引入作为系统的扩展状态式中ω
r
(t)为指令转速。5.根据权利要求2所述的永磁同步电机调速系统的多目标最优状态反馈控制方法，其特征在于：所述步骤2)中永磁同步电机调速系统的增广状态空间模型为：式中伺服电机速度跟踪系统的状态反馈控制率可表述为u(t)＝
‑
Kx(t)，式中K为状态反馈控制增益矩阵，有6.根据权利要求2所述的永磁同步电机调速系统的多目标最优状态反馈控制方法，其特征在于：所述步骤3)中反馈控制增益通过线性二次型调节器求解，所述二次型最优性能指标为式中Q和R为权重矩阵，可表述为Q＝diag([q
1 q
2 q
3 q4])，R＝diag([r
1 r2])。7.根据权利要求2所述的永磁同步电机调速系统的多目标最优状态反馈控制方法，其特征在于：所述步骤5)中权重矩阵Q和R通过多目标蝙蝠算法进行优化，其具体步骤如下：I).确定永磁同步...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋宝，李虎，陈天航，唐小琦，周向东，杨承博，钟靖龙，刘永兴，唐钰，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：