应用于船舶推进电机的基于无模型理论的改进滑模控制方法技术

本发明专利技术公开了一种应用于船舶推进电机的基于无模型理论的改进滑模控制方法，属于永磁电机速度控制领域。本发明专利技术在分析三相永磁同步推进电机数学模型的基础上，引入能够动态适应系统状态和滑模面变化的新型趋近律，实现控制系统快速响应和低抖振，利用扩展状态观测器对航行中系统自身参数变化和未建模扰动进行观测补偿，可以有效减小滑模控制器的切换增益，进一步抑制抖振，同时提高抗干扰能力。并在添加白噪声扰动的情况对带有船舶负载的整船系统进行运行仿真。本发明专利技术中的基于无模型理论的改进滑模控制器可以提高被控系统的动态品质，在抑制扰动、削弱抖振和快速响应方面具有显著优越性，提高了系统的鲁棒性和快速性。提高了系统的鲁棒性和快速性。提高了系统的鲁棒性和快速性。

【技术实现步骤摘要】
应用于船舶推进电机的基于无模型理论的改进滑模控制方法

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[0001]本专利技术涉及船舶电机控制，具体是一种应用于船舶推进电机的基于无模型理论的改进滑模控制方法。

技术介绍
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[0002]随着船舶绿色动力技术的发展，电力推进船舶日趋成熟。永磁同步推进电机作为其推进系统的核心，具有结构简单、效率高、可靠性好等优点。但永磁同步电机是非线性的、时变的、复杂的系统，有不可避免和无法测量的干扰及参数变化，且应用于实船推进时，风浪流等难以测量的外界扰动会进一步提高系统抗干扰控制的难度。常规的PI控制器虽然简单，但难以实现电机系统的高效率、高响应速度及高可靠性控制。传统的滑模控制可以实现快速动态响应且具有强大的鲁棒性，但切换增益较大时可保证系统的稳定性和提高抗干扰能力，却会导致控制信号不连续、滑模抖振严重。此外，相比于陆上电机，船舶推进电机使用环境更恶劣、工况变化更频繁，电机系统受到许多内外部未建模扰动影响，传统的滑模控制器算法不能满足实际需求。因此，需要寻求新的控制算法，实现电机控制系统系统对高收敛速度和低抖振的要求。
[0003]中国专利文献CN 109194219 A公开了一种基于无模型非奇异终端滑模控制永磁同步电机方法及系统，控制方法难度较大，且未考虑含有扰动的情况。

技术实现思路
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[0004]根据现有技术存在的问题，本专利技术公开了一种无模型滑模控制方法，该方法结合无模型控制理论，将所有内外部扰动集总，引入新型趋近律，动态适应系统状态和滑模面变化，达到控制系统快速响应和低抖振的效果，加入扩展状态观测器对船舶航行中系统自身参数变化和未建模扰动进行观测补偿，自适应滑模控制器的切换增益，进一步抑制抖振，同时提高抗干扰能力。具体方法为：
[0005]步骤1：基于无模型控制理论，搭建包含系统未建模动态和不确定扰动的船舶永磁同步推进电机在d
‑
q坐标系下的数学模型。
[0006][0007][0008]式中，R
s
为定子电阻；u
d
、u
q
和i
d
、i
q
分别为d
‑
q轴下的定子电压和定子电流；L为定子
电感；ω
m
为电机转子机械角速度；Ψ
f
为转子磁链；B为粘性阻尼系数；J为转动惯量；p
n
为电机极对数；T
L
为电机的负载转矩；ΔΨ
f
为转子磁链变化量；ΔT
L
为负载转矩变化量；Δu
q
，Δu
d
为参数变化引起的定子电压变化量；ΔR
s
为定子电阻变化量；ΔL为定子电感变化量。
[0009]将上式改写成矩阵形式
[0010][0011][0012]式中，F
ω
、F
q
、F
d
分别为转速环、电流q、d轴受到到集总扰动，例如风浪流影响、自身参数变化(简要说明电感、电阻等电机参数)等。
[0013]步骤2、针对上述状态方程，搭建永磁同步推进电机的超局部模型，设计无模型滑模控制器；
[0014][0015]式中，u
s
是滑模控制器的输出；是电机系统中未建模部分的估计值；y
*
为系统期望的给定值；α是系统输入变量的比例系数。
[0016]步骤3、针对上述无模型滑模控制器，采用二阶扩展状态观测器对系统未建模部分进行估计和补偿；
[0017][0018]其中，
[0019]步骤4、结合二阶扩展状态观测器，以转速差和电流差为自变量设计积分滑模面；
[0020]定义系统各部分误差为：
[0021]以转速环为例设计滑模控制器，电流环同理，设计以e
w
为自变量的积分滑模面为：s＝e
ω
+c∫
0t
e
ω
(τ)dτ
[0022]对上式求导，可得
[0023]将电机无模型控制器代入上式，可得：
[0024]步骤5、针对上述积分滑模面，设计改进型的变速趋近律，平衡收敛速度和抖振现象；
[0025]改进型变速趋近律为：
[0026]其中，
[0027]由上式可知，|s|增大时，系统状态将远离滑模面，变速趋近律f和指数趋近律h1s共同作用，使系统快速收敛到滑模面。同理，若|s|减小，指数趋近律h1s逐渐收敛到0，则变速趋近律处于主导地位，同时收敛到ε|x|，其中系统状态|x|将逐渐趋近于0。这表明，当系统轨迹接近于滑模面时，变速趋近律将收敛到0，从而抑制了抖振。此外，所设计的改进趋近律采用t代替sign(s)，可以削弱由符号函数所引起的固有抖振，从而提高了系统平稳性。
[0028]转速控制器的输出为：
[0029][0030]步骤6、结合上述超局部模型、二阶扩展状态观测器及改进型变速趋近律，设计改进型复合无模型滑模控制器，保证系统状态变量可在有限时间内从任意初始状态到达滑模面。
[0031]设计Lyapunov函数可证明t
d
≤|s(0)|，即系统状态变量可以在有限时间内从任意初始状态到达滑模面s＝0，系统稳定。
[0032]进一步地，所设计的无模型滑模控制器如下所示：
[0033][0034]本专利技术公开的基于无模型控制理论的改进滑模控制方法，可以实现船舶推进电机在螺旋桨负载及不确定扰动情况下稳定运行。本专利技术首先提出了将无模型控制理论应用于滑模控制中，并结合扩展状态观测器有效地提高了系统的可靠性。此外，对比于传统滑模控
制和比例积分控制，基于无模型控制理论的改进滑模控制器在新型趋近律和扩展状态观测器的补偿下，实现了收敛速度和抖振之间的平衡，既保留了滑模控制的快速性、鲁棒性，同时也实现了比拟PI控制的低抖振特性。本专利技术对电机的抗扰动控制更加精确，且转速、转矩变化更加平稳，完全符合本专利技术所使用的船舶三相永磁同步推进电机在水中恶劣环境下使用的要求。
附图说明：
[0035]图1为本专利技术中永磁同步电机矢量控制系统结构框图；
[0036]图2为本专利技术中无模型滑模观测器的结构示意图；
[0037]图3为本专利技术中实验1中引入的随机负载扰动波形图；
[0038]图4为本专利技术中实验1随机扰动情况下的转速对比图；
[0039]图5为本专利技术中实验1随机扰动情况下的转速误差对比图；
[0040]图6为本专利技术中实验1随机扰动情况下的转矩对比图。
[0041]图7为本专利技术中实验2情况下的转速对比图；
[0042]图8为本专利技术中实验2情况下的转速误差对比图；
[0043]图9为本专利技术中实验2情况下的转速误差对比图；
[0044]图10为本专利技术中实验2情况下的扩展状态观测器观测的误差。
具体实施方式：
[0045]为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种应用于船舶推进电机的基于无模型理论的改进滑模控制方法，建立船舶永磁同步推进电机的系统状态方程，步推进电机的系统状态方程，式中，R
s
为定子电阻；u
d
、u
q
和i
d
、i
q
分别为d
‑
q轴下的定子电压和定子电流；L为定子电感；ω
m
为电机转子机械角速度；Ψ
f
为转子磁链；B为粘性阻尼系数；J为转动惯量；p
n
为电机极对数；T
L
为电机的负载转矩；ΔΨ
f
为转子磁链变化量；ΔT
L
为负载转矩变化量；Δu
q
，Δu
d
为参数变化引起的定子电压变化量；ΔR
s
为定子电阻变化量；ΔL为定子电感变化量；F
ω
、F
q
、F
d
分别为转速环、电流q、d轴受到集总扰动，包括风浪流影响、自身参数变化；其特征在于，一方面搭建永磁同步推进电机的超局部模型并处理具有参数和结构不确定的船舶推进电机非线性系统，另一方面采用二阶扩展状态观测器对系统未建模部分进行估计和补偿。2.根据权利要求1所述的基于无模型理论的改...

【专利技术属性】
技术研发人员：白洪芬，余波，牛王强，顾伟，张文庭，
申请(专利权)人：上海海事大学，
类型：发明
国别省市：