一种基于模糊反步自适应控制的数字式发电机控制器设计方法技术

本发明专利技术涉及一种基于模糊反步自适应控制的数字式发电机控制器设计方法，应用Lyapunov稳定性理论设计模糊反步自适应控制器。设计时，首先要根据三级式发电机的二阶近似数学模型得到其状态空间表达式，再根据反步自适应控制器设计方法，针对该二阶系统设计Lyapunov函数和中间虚拟控制量并为系统中的未知参数设计自适应律。然后再根据反步自适应控制律中的未知参数，采用模糊控制原理设计模糊控制规则，从而确定合适的自适应规律；通过设置模糊控制环节，针对反步自适应方法设计出的控制律，对其中的未知参数再采用模糊控制方法进行调节，使调节性能最大限度的接近理想调整曲线。线。线。

【技术实现步骤摘要】
一种基于模糊反步自适应控制的数字式发电机控制器设计方法


[0001]本专利技术设计属于电气设备及电气工程领域，尤其涉及一种基于模糊反步自适应控制的数字式发电机控制器设计方法。

技术介绍

[0002]由于飞机变频交流电源系统的高度非线性对控制器的动稳态性能会产生不利影响，传统的PI控制参数整定主要依靠人工经验，准确度较低且调参耗费时间长。为获得优良的调节性能，本专利技术在PI控制的基础上加入反步自适应控制和模糊控制以改善PI调节存在的不足，从而提高调压系统的性能。
[0003]模糊反步自适应控制系统的基本原理是：反步控制法通过为每个子系统设计Lyapunov函数和中间虚拟控制量，最终完成整体控制律的推导。但反步控制较依赖控制对象数学模型中各参数的精确性，所以在时变系统中较难保证稳定性。在实际应用中，反步控制很少单独使用，需要与一些参数观测方法相结合，来适应系统运行时控制参数的变化。其中，自适应控制与反步控制的结合运用最为广泛。反步自适应控制针对反步控制器中的每一个不确定参数设计自适应律，来提高系统克服参数扰动的能力。对得到的反步自适应控制律中的未知参数再利用模糊控制实现对其参数的自调整。
[0004]经典的反步自适应方法利用调节函数和非线性阻尼项来使闭环系统稳定，而本专利技术通过自适应增益和标准化的估计律来稳定系统。它在处理参数估计误差时，没有采用过参数化、调节函数和非线性阻尼项，所以闭环系统的局部稳定性可以得到保证。
[0005]申请号CN201710162434.5公开了一种改进的超声波反步自适应伺服控制方法，具体包括提供一基座以及设于基座上的超声波电机，该超声波电机一侧轴与光电编码器相连接，另一侧输出轴与飞轮惯性负载相连接，所述飞轮惯性负载的输出轴经联轴器与力矩传感器相连接，所述光电编码器的信号输出端、所述力矩传感器的信号输出端分别接至一控制系统。所述控制系统建立在反步控制的基础上，在反步自适应控制器以Lyapunov函数为其调整函数，用以获得更好的控制效能。该控制系统由反步控制器和电机组成，整个控制器的系统建立在反步计算的基础上，从而能获得更好的控制效能。该装置及其控制方法不仅控制准确度高，而且结构简单、紧凑，使用效果好。
[0006]申请号CN201810959512.9公开了一种刚体航天器的反步自适应滑模大角度姿态机动控制方法，主要包括：建立了刚体航天器基于误差姿态四元数的运动学方程和动力学方程；设计了反步自适应滑模大角度姿态机动控制算法。该专利技术可以使航天器系统具有良好的稳定性，当航天器系统惯量发生较大变化时，航天器的姿态能很快趋于稳定；拥有较快的瞬态响应能力。

技术实现思路

[0007]在发电机调压系统中，随着频率升高，发电机调压系统自身的稳定性会下降，当采
用传统PI控制策略时，在同一控制参数下，会出现在低频情况下调节特性良好，但在高频情况下发生震荡的不稳定现象。由此需要设计出在各频率段均具有良好动稳态性能的控制器。
[0008]由于飞机电源系统的时变性，运行条件、网络参数等经常变化，恒定增益系数的PI控制器有时并不能满足系统的实际要求，在低频时调节性能良好的PI参数在高频时并不能获得较好的调节性能，因此为了保证调压系统的稳定性，需要在不同频率段实时调节控制参数。
[0009]针对上述内容，为解决上述问题提出了一种基于模糊反步自适应控制的数字式发电机控制器设计方法，包括：
[0010]三级式变频交流发电系统采用的三级式发电机分别为永磁副励磁机、主励磁机和主发电机；使用PWM调节励磁回路的励磁电流从而实现对发电机电压的调节。
[0011]调压方式为电压外环将发电机输出电压Vo与参考电压Vref作差得到一级误差，对该误差进行调节后，与负载电流iout补偿值相加，作为励磁电流反馈环的参考值ifref，再减去此刻的励磁电流if，得到的二级误差再经过励磁反馈环调节后产生PWM信号，控制励磁回路中开关管的通断，从而控制发电机的输出电压。
[0012]采用同一PI控制参数难以保证调压系统稳定性，且难以获得最优的控制效果，因此首先引入反步控制，为每个子系统设计Lyapunov函数和中间虚拟控制量，但反步控制较依赖控制对象数学模型中各参数的精确性，所以在时变系统中较难保证稳定性；因此，又引入自适应控制方法来适应系统运行时控制参数的变化，反步自适应控制针对系统中的每一个不确定参数设计自适应律，来提高系统克服参数扰动的能力。根据反步自适应控制器中的不确定参数，更进一步引入模糊控制，最终完成整体控制律的推导。
[0013]本专利技术为解决以上技术问题所采取的技术方案是：
[0014]应用Lyapunov稳定性理论设计模糊反步自适应控制器。设计时，首先要根据三级式发电机的二阶近似数学模型得到其状态空间表达式，再根据反步自适应控制器设计方法，针对该二阶系统设计Lyapunov函数和中间虚拟控制量并为系统中的未知参数设计自适应律。然后再根据反步自适应控制律中的未知参数，采用模糊控制原理设计模糊控制规则，从而确定合适的自适应规律。
[0015]为了使PI控制也具有模糊反步自适应控制的优越性，将电压环采用模糊反步自适应控制，而励磁电流环和负载电流环仍采用PI控制，将两种控制策略有机结合，设计出调压系统的控制器，可以迅速地跟随电压参考值输出，可以无超调的输出电压且调节时间较快，在外界负载条件发生变化时可以快速恢复至稳态值，同时电压浪涌值较小。不论发电机转速如何变化，输出电压仍能快速稳定在参考值，不论在何种频率下，均具有良好的控制效果。
[0016]由于三级式发电机高阶与低阶传递函数的幅频特性曲线呈现出较高的匹配性，采用二阶传递函数来近似描述三级式发电机：
[0017][0018]式中a0，a1，K
p
为不确定性参数，与三级式发电系统中发电频率以及电机参数等相关，可根据具体参数以及模型辨识等常规操作计算得到。Y
f
(s)为三级式发电机发电电压输
出，u(s)为三级式发电机控制输入，根据传递函数与状态空间方程之间的关系得出本系统的状态空间方程为：
[0019][0020]其中，具有不确定参数的线性项f(x1，x2)＝
‑
a0x1‑
a1x2，b＝K
p
，u为u(s),为了使实际输出电压y跟随参考电压y
r
，定义广义输出误差为：
[0021]e(t)＝y
r
‑
y
ꢀꢀꢀ
(3)
[0022]同时，结合状态空间方程，定义系统跟踪误差变量z1，并设σ为虚拟控制量，则有：
[0023][0024]式中ξ是为了消除稳态误差为引入的误差积分变量，同时取来保证系统公式有效性。
[0025]针对式(2)所示的具有未知参数的非线性系统采用反步自适应控制方法设计控制律，引入参数ρ＝1
‑
b，参数θ0＝
‑
at0，θ1＝
‑
a1，θ＝[θ本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于模糊反步自适应控制的数字式发电机控制器设计方法，其特征在于：三级式变频交流发电系统的三级结构分别为永磁副励磁机、主励磁机和主发电机，使用PWM调节励磁回路的励磁电流从而实现对发电机电压的调节；调压系统控制器采用多闭环反馈控制策略，调压方式为电压外环将发电机输出电压V
o
与参考电压V
ref
作差得到一级误差，对该误差进行调节后，与负载电流i
out
补偿值相加，作为励磁电流反馈环的参考值i
fref
，再减去此刻的励磁电流i
f
，得到的二级误差再经过励磁反馈环调节后产生PWM信号，控制励磁回路中开关管的通断，从而控制发电机的输出电压。2.如权利要求1所述的一种基于模糊反步自适应控制的数字式发电机控制器设计方法，其特征在于：由于三级式发电机高阶与低阶传递函数的幅频特性曲线呈现出较高的匹配性，采用二阶传递函数来近似描述三级式发电机：式中a0，a1，K
p
为不确定性参数，与三级式发电系统中发电频率以及电机参数相关，可根据具体参数以及模型辨识常规操作计算得到；Y
f
(s)为三级式发电机发电电压输出，u(s)为三级式发电机控制输入，根据传递函数与状态空间方程之间的关系得出本系统的状态空间方程为：其中，具有不确定参数的线性项f(x1，x2)＝
‑
a0x1‑
a1x2，b＝K
p
，u为u(s),为了使实际输出电压y跟随参考电压y
r
，定义广义输出误差为：e(t)＝y
r
‑
y同时，结合状态空间方程...

【专利技术属性】
技术研发人员：李伟林，李照地，吴东华，樊显绒，蓝立强，杨效嘉，王心媛，陈琦，
申请(专利权)人：陕西航空电气有限责任公司，
类型：发明
国别省市：