1、 交流伺服系统的控制算法在永磁同步电动机调速系统中的应用摘要I摘要电力电子技术，微电子技术以及 DSP 技术和现代电机控制理论的发展，使得永磁同步电机交流调速系统得以迅速推广，永磁同步电机控制算法的研究也引起国内外学者的广泛关注。本文对自抗扰控制算法在永磁同步电机调速系统中的应用进行了较为深入的研究，主要工作包括，对电机惯量辨识技术的研究与基于惯量辨识的一阶自适应自抗扰控制器的理论与实验研究;二阶自抗扰控制器的理论与仿真研究; 模型补偿自抗扰控制器的理论与仿真研究。论文首先介绍了当前交流伺服系统的发展概况，简要分析了当前永磁同步电机的几种主要控制算法的特点及存在问题。接着介绍了永磁同步电机调速
2、系统的原理，在对自抗扰控制原理进行介绍之后，设计出永磁同步电机的一阶自抗扰控制器，并对其参数调整规律进行了深入的实验研究。和变 PI 控制方案相比，本文的一阶简化自抗扰控制方案有着更好的动态性能和更强的抗干扰能力。然后，基于惯量辨识研究了一阶自适应自抗扰控制器在永磁同步电机调速系统中的应用，并对其性能进行了详细的实验分析。实验结果表明，自适应自抗扰控制方案对惯量的变化有着较强的自适应性。最后，针对一阶自抗扰控制方案中用 近似代替 的问题，提出了永磁同步电机的二阶自抗扰控制算法；针对扩张的状态观测器在*qiqi扰动变化大时，对扰动的估计精度不高的问题，提出了模型补偿自抗扰控制算法。并对二阶自抗扰
3、和模型补偿自抗扰算法在永磁同步电机调速系统中的应用也进行了较为深入的研究。仿真研究表明，和一阶自抗扰控制算法相比，这两种方案都有较强的抗负载扰动性能。关键词：自抗扰控制，永磁同步电机，调速，惯量辨识，自适应，阶次，模型补偿AbstractIIAbstractWith the rapid progress in power electronic technology, microelectronic technology, especially digital signal processors (DSP), and control theory, permanent magnetic sync
4、hronous motor (PMSM) AC servo systems are widely utilized. And the research on the control algorithms of PMSM attracts great attention from domestic and foreign researchers. In this paper, the theory and application of active disturbances rejection control (ADRC) algorithm for PMSM speed-regulation
5、system are studied deeply from three perspectives: the research on inertia identification technology, and the theory and experimental research on the application of one-order adaptive ADRC based on inertia identification; the theory and simulation research on two-order ADRC; the theory and simulatio
6、n model-compensation ADRC.The paper can be divided into four parts. First, the background of research on AC servo system is introduced. And the characteristics and flaws of major PMSM control algorithms are discussed in brief, and then the mechanism of PMSM speed-regulation system is illustrated. Se
7、cond, after the analysis of mechanism of ADRC, a simplified one-order ADRC algorithm is designed for PMSM based on vector control scheme, and the rule adjustment of parameters of simplified one-order ADRC is studied by experiments deeply. Experiment results indicate that, compared with time-varying
8、PI control scheme, the simplified one-order ADRC scheme studied in this paper not only shows better transient dynamics, but also improves the anti-disturbance ability. Third, inertia identification technique is studied. Based on inertia identification result, the one-order adaptive ADRC implementati
9、on in PMSM speed-regulation system is studied through simulations and experiments. Simulation and experimental results indicate that, compared with simplified one-order ADRC, the adaptive one-order ADRC has stronger adaptation to the variations of inertia of the drive. In the end, considering that i
10、n one-order ADRC scheme, is replaced by approximately, in order to solve the approximation problem, a two-order ADRC *qiqialgorithm is presented. And considering the disturbance estimation difficulty of extended state observer in the case of big disturbance, a model-compensation ADRC algorithm is pr
11、oposed to solve the problem. Both algorithms for PMSM speed-regulation system are studied deeply by simulation. The results indicate that, both of them have stronger anti-disturbance abilities.Key words: ADRC; PMSM; speed-regulation; inertia identification; adaptation; order; model-compensation目录III
12、目录摘要 IAbstractII目录 .III第一章 绪论 .11.1 引言 11.2 交流伺服系统的控制算法研究现状 21.2.1 智能 PI 控制 .31.2.2 自适应控制 .31.2.3 滑模变结构控制 .41.2.4 模糊控制 .51.2.5 神经网络控制 .51.2.6 自抗扰控制 61.3 本课题的选题背景和意义 61.4 论文的内容及结构 8第二章 永磁同步电机调速系统的原理及方案实现 .92.1 引言 .92.2 永磁同步电机的数学模型 .92.2.1 永磁同步电机在三相静止坐标系中的数学模型 .102.2.2 电机模型中使用的坐标变换 .102.2.3 电机在 dq坐标系中
13、的模型 112.3 永磁同步电机的控制策略 .122.3.1 永磁同步电机的矢量控制方案 122.3.2 永磁同步电机的直接转矩控制 .132.3.3 永磁同步电机的解耦控制 .142.4 基于矢量控制的永磁同步电机伺服系统的组成 152.4.1 永磁同步电机调速系统的总体结构 .152.4.2 系统的硬件组成 .162.4.3 TI 公司的 DSP 芯片 TMS320F2808 简介 .162.4.4 智能功率模块 IPM 简介 .172.5 永磁同步电机调速系统实验平台 172.6 小结 .18第三章 永磁同步电机的一阶自抗扰方案的理论与实验研究 .193.1 引言 193.2 自抗扰控制
14、原理 193.3 永磁同步电机调速系统的一阶简化自抗扰方案设计 233.4 永磁同步电机的简化自抗扰方案的实验研究 .26东南大学硕士学位论文IV3.4.1 ADRC 的参数调整 .273.4.2 永磁同步电机的简化自抗扰算法的程序实现 .313.4.3 永磁同步电机的参数及实验测试指标和测试方法 .323.4.4 与变 PI 的性能对比 .343.5 小结 36第四章 永磁同步电机的一阶自适应自抗扰控制的理论与实验研究 .384.1 引言 384.2 自抗扰控制器在惯量发生变化下的性能分析 384.2.1 仿真分析 .384.2.2 实验结果分析 .424.3 永磁同步电机的一阶自适应自抗扰
15、控制方案设计 444.4 惯量辨识的实验研究 .454.4.1 加速度法辨识转动惯量的实验研究 .464.4.2 动态响应法辨识惯量的实验研究 .474.4.3 基于转矩扰动观测器的惯量辨识算法的实验研究 .484.4.4 模型参考自适应法辨识惯量的仿真研究 .524.4.5 小结 .524.5 参数 0b的模糊自调整的实验研究 .534.6 一阶自适应自抗扰的实验研究 .544.6.1 一阶自适应自抗扰算法的程序实现 .544.6.2 一阶自适应自抗扰与简化自抗扰的实验对比 .554.7 小结 60第五章 永磁同步电机的自抗扰控制改进算法的理论与仿真研究 .615.1 引言 615.2 永磁
16、同步电机调速系统的二阶自抗扰控制器设计 .615.3 仿真及结果 635.4 模型补偿自抗扰控制算法的仿真研究 .655.4.1 模型补偿自抗扰控制器的原理 .665.4.2 永磁同步电机模型补偿自抗扰控制器设计 .675.4.3 惯量及阻尼系数的辨识 .695.4.4 负载力矩观测器的设计 .695.5 仿真结果分析 .705.6 小结 74第六章 结束语 .76参考文献 .79作者在学期间发表的论文 .83第一章 绪论1第一章 绪论1.1 引言电气传动系统是以电机的转矩和转速为控制对象，按生产机械工艺要求进行电机调速控制的自动化系统，主要由电动机和驱动器组成 1。它作为现代工业生产设备的重
17、要驱动源之一，是工业自动化不可缺少的基础技术，广泛应用于工农业生产、国防、科技及社会生活等各个方面。根据其所采用的执行部件直流电机或交流电机的不同，可以分为直流电气传动和交流电气传动。直流电气传动和交流电气传动在 19 世纪先后诞生，在大部分时间里，鉴于直流传动有优越的可控性能，高性能可调速传动一般都用直流电机。但是随着工业生产的发展，直流电机的薄弱环节逐渐暴露出来。由于换向器的存在，直流电机工作环境、最高转速、单机容量受到极大限制，已不能适应现代调速的要求。与直流电动机相比，交流电动机具有结构简单、制造方便、价格低廉、而且坚固耐用、运行可靠、维护容易、可适用于恶劣环境等优点。因而各国研究人员
18、纷纷转向交流调速技术的研究。但是在 20世纪的很长一段时期内，由于受科学技术发展的限制，交流电机转矩控制较困难这一问题始终得不到解决，所以交流传动系统的研究与应用并没有取得太大的进展。直到 20 世纪 70 年代，电力电子技术、微电子技术、数字控制技术和现代电机控制理论的发展，为交流电气传动的发展创造了有利条件，尤其是 20 世纪 70 年代初提出的矢量控制原理，在理论上解决了交流电动机的解耦控制的问题，使交流伺服系统在性能上达到甚至超过直流伺服系统。各种通用和高性能的交流传动控制系统相继诞生，交流传动取代直流传动已成为不可逆转的趋势 2。现代交流调速系统由交流电动机、电力电子功率变换器、控制
19、器和检测器四大部分组成。电力电子功率变换器、控制器、电量检测器集中于一体，称为变频器（变频调速装置） 2。交流电机不同，繁衍出不同的交流调速系统。现代交流调速系统主要可分为异步电动机交流调速系统和同步电动机交流调速系统两大类。异步电动机制造容易、价格低，不需要特殊维护，但在控制上采用矢量变换控制时，系统比较复杂，转子电阻随温度变化而影响磁场定向的准确性。同步电动机是以其转速 和供电电源频率 之nsf间保持严格的同步关系而命名的，即只要供电电源频率 不变，则同步电机的转速就为常值。此外，和sf异步机相比同步机还具有一个突出的优点，就是同步电机的功率因数可以调整到 1.0，甚至超前，用于改善电网的
20、功率因数。但是因为同步电机须外加直流励磁，使同步机在结构和维护上都比异步机要复杂一些 3-4。随着永磁材料性能的大幅度提高和价格的降低，使用永磁材料制成的永磁同步电动机可以实现高效率和高功率密度，同时具有高可靠性。永磁同步电动机因为没有励磁绕组，转子励磁由永磁体产生，因而电路结构简单使得永磁同步电动机成为中小功率交流调速系统的主流，广泛地应用在工业自动化领域中 5。现代交流伺服系统的发展还主要依赖于电力半导体器件的发展，电力半导体器件是现代电力电子设备的心脏和灵魂。电力电子时代是从 60 年代末晶闸管（SCR）的出现开始的，后来陆续推出了其它种类的器件，诸如控制极可关断晶闸管（GTO） ，双极
21、型大功率晶体管（ BJT） ，功率 MOS 场效应晶体管（MOSFET） ，绝缘栅双极型晶体管（IGBT ） ，静态感应晶体管，静态感应晶闸管等。在这个不断发展的过程中，器件的电压、电流定额以及其它电气特性均得到了很大改善。IGBT 是一种复合型功率器件，它东南大学硕士学位论文2集中了 MOSFET 和 BJT 的优点，既具有 MOSFET 高输入阻抗、高速开关特性，又具有 BJT 大电流密度、低导通压降的特性，已成为伺服驱动器的首选功率开关器件。新一代的智能功率模块（IPM）集功率器件IGBT、驱动电路、检测电路和保护电路于一体，从而使装置体积缩小、可靠性高，这种智能型变换器模块必将得到日益
22、广泛的应用 6。微处理器的应用把伺服驱动器的发展推向了全数字化的新阶段，今天的高性能传动控制和先进的控制理论，没有微处理器技术的进步是不可能想象的。由于微电子技术的进步和集成电路制造工艺的提高，越来越多高性能的微处理器，如单片机、数字信号处理器（DSP）等，被应用于交流伺服系统，促进了交流伺服系统由模拟控制向数字控制的转化。当今模拟控制器正逐步被淘汰，全数字化的交流伺服系统已经普遍应用，它们多数都使用 DSP 芯片作为系统的控制核心。DSP 是一种高速的微处理器，其最大特点是运算速度快，其高速处理能力可以满足电流环实时控制的要求，并且可以采用先进的现代控制策略，获得更高的控制性能，更完善的功能
23、 7-8。自嵌入式 DSP 进入电机控制领域后，如今流行的方法是使用高性能的数字信号处理器解决电机控制器不断增加的计算量和速度需求，将一系列外围设备如模数转换器，脉宽调制发生器和数字信号处理器的内核集成在一起，就获得功能强大又非常经济的电机控制专用DSP，如 TMS320 系列，AMDC 系列等 9-10交流伺服系统今后的发展趋势 11-12为：一，高性能化，智能化。提高伺服电机本身的性能，采用新工艺和新结构。改进伺服驱动器，硬件上采用高速 CPU，IPM ，软件上采用新的控制理论，提高运算速度和电流控制精度，采用智能控制策略，提高控制器的鲁棒性和适应性；二，小型化，软件化。采用高性能材料，减
24、小电机体积。提高驱动器硬件集成度，减小驱动器体积，将更多的硬件结构软件化；三，网络化。大量采用网络技术，将驱动部分、运动控制、上位控制和主计算机联网，构成整体的系统解决方案，易于管理、控制和维护；四，环境适应性。伺服系统将在抗干扰、低噪声等方面进行改善，适应恶劣环境和减少对环境的干扰。目前，生产伺服驱动器的国外厂家主要有 FANUC、安川、三菱、松下、西门子、Kollmorgen 等 13-14。我国在上世纪 80 年代末开始着手研究和引进交流伺服系统，但由于起步较晚，当前国内伺服系统的研发还比较落后，交流伺服产品在技术上与国外仍有差距。因此，进行全数字交流伺服系统的研究，开发出自己的交流伺服
25、系列产品在国内具有广泛的应用前景和可观的市场潜力，对于我国工业现代化建设具有重要的意义。1.2 交流伺服系统的控制算法研究现状伺服系统的性能指标不仅依赖于处理器的结构、计算能力及执行速度，而且也依赖于所采用的控制算法。现代工业中对电机性能的要求越来越高，而电机性能的改善主要通过以下三个途径：一是对电机本体的研究，主要是采用特殊结构以改善电机性能；另一种途径就是对伺服驱动器电路设计的改进，包括采用高性能的 DSP，采用过压过流能力强的智能功率模块 IPM 以提高控制量的限幅能力等；第三种途径就是采用先进的控制策略，使现代控制理论和智能控制理论在电机的控制上能得到应用。目前交流伺服系统已经拥有较为
26、成熟的控制方案，从控制原理结构上来讲，主要有两种方案，矢量控制和直接转矩控制。控制结构多采用双闭环控制，即内环为电流控制环，外环为速度控制环。对于研究与开发高性能交流伺服系统来说，由于在一定条件下，作为“硬形式”存在的伺服电机、逆变器以及相应的反馈检测装置等性能的提高受到许多客观因素的制约；而以“软形式”存在的控制策第一章 绪论3略具有较大的柔性，因此交流伺服系统的控制策略是其研究的主要方向之一，引起国内外学者的广泛关注。但是交流电机本身是一个非线性的被控对象，电机参数如转动惯量、阻尼系数等实际应用中会发生变化，而且可能存在比较严重的外部干扰（如负载） 。以 PI 为代表的经典线性控制理论不能
27、克服负载、模型参数的大范围变化及非线性因素的影响，因而控制性能会受到影响 16-17。要获得高性能的交流电机控制系统，就必须研究先进的控制策略以弥补经典控制的缺陷和不足。所以近年来随着现代控制理论的发展，许多先进的控制策略被应用在交流伺服系统的研究中，如各种智能PI 控制、自适应控制、滑模变结构控制、模糊控制、神经网络控制等，也都取得了一定的成果。接下来我们对目前永磁同步电机交流调速系统中应用较多的几种控制算法进行简要的介绍。1.2.1 智能 PI 控制PID 控制是比例（Proportional）,积分（Integral） ，微分（Differential）控制的简称。PID 控制器早在20
28、 世纪 30 年代末期就已出现，由于微分作用对系统噪声非常敏感，所以在伺服系统中，一般不采用微分信号。PI 控制具有控制原理简单，使用方便，参数调节方便，有较好的控制效果，适应性强等优点。文献18将 PI 控制应用于全数字交流伺服系统的速度环和电流环调节器中，使控制系统具有较好的动态性能和稳态精度。但是，永磁同步电机本身是一个具有强耦合的非线性对象，在其运行过程中，电机参数一般会发生变化，而且存在着负载之类的外部干扰。因此，普通的 PI 控制器应用在永磁同步电机调速系统中会存在一定的不足，如：PI 控制器直接取目标和实际行为之间的误差，这样就会出现初始控制力太大而出现超调，无法解决快速性和稳态
29、精度之间的矛盾；同一个 PI 参数一般难以适用于不同的转速范围。所以在永磁同步电机中采用 PI 控制难以取得令人满意的调速性能，尤其是在对控制精度要求较高的场合。近年来，有许多学者致力于对 PI 控制的改进，出现了一些智能的 PI 控制方案。如模糊 PI 控制，自适应 PI，神经网络 PI 等。文19将模糊控制方法和传统的 PI 控制相结合，把模糊 PI 控制用在永磁同步电机的速度环，提高了永磁同步电机调速系统的动态性能。自适应 PI 控制算法采用自适应控制技术对 PI控制参数进行在线调整，从而提高了控制系统的抗扰能力。文献20 提出了一种基于模型参考的自适应 PID 控制器，通过引入一自适应
30、误差信号，根据模型参考自适应控制原理的方法，推导了 PID 参数整定的自适应律，仿真结果表明，该控制器与典型的 PID 控制器相比，显著提高了系统的动态响应性能，具有一定的抗干扰性，鲁棒性较好。文献21利用神经网络的自学习能力，由训练好的神经网络提供永磁同步电机的速度环和电流环 PI 控制器的参数，仿真和实验结果表明，该基于神经网络的永磁同步电机的自适应 PI 控制器比传统的固定增益的 PI 控制器有着更优的鲁棒性。1.2.2 自适应控制自适应控制的研究最早起源于 20 世纪 50 年代初对高性能飞行器自动驾驶仪的设计 22，后来在航空航天、航海、矿山、电力系统等领域都得到了广泛的应用 23-
31、25。目前，主要的自适应控制方法有模型参考自适应控制和自校正控制。其基本思想是根据系统动态和扰动来实时地调节控制器参数。自适应控制系统可看作有两个闭环组成，如图 1.1 所示。一个是常规的由控制器与被控对象组成的反馈环，另一个是控制器的参数调节环。东南大学硕士学位论文4参 数 调 整 机 构控 制 器被 控 对 象控 制 器 参 数输 出参 考 输 入控 制 信 号图 1.1 自适应系统原理框图在电机动态数学模型的基础上，利用解耦后的线性控制或非线性控制可以构造高性能的鲁棒控制器，以克服参数变化和各种扰动的影响，自适应控制便成为交流电机伺服系统中重要的研究课题。自适应控制在永磁同步电机控制中要
32、解决的问题是如何提高系统的鲁棒性，以克服参数变化和各种扰动的影响。近年来，主要采用的是自适应控制如参数辨识自校正调节、模型参考自适应系统（MRAS） 。MRAS 理论比较成熟，它不需要对象的精确数学模型，只要找到一个合适的参考模型即可，它的关键问题是设计自适应参数调整规律，在保证系统稳定性的同时使误差信号趋于零。模型参考自适应在解决反馈信号估计（如磁链、转矩、转速等）问题方面得到普遍应用。但是辨识和校正需要有一个过程。对于较慢的参数变化来说，还来得及起校正作用；对于较快的影响因素，就难以有好的动态效果了。自校正控制的一个主要特点是具有对象模型的在线辨识环节，可以灵活地实现极点配置、最优控制、P
33、ID 控制等多种控制技术，但计算量一般比较大。利用自适应控制的思想可以观测系统的扰动或不确定性，构成自适应观测器，估计出不确定项的边界，据此确定鲁棒控制律，文26即采用了类似的方法。它将不确定性的观测值与实际值进行比较，计入整个系统的误差动态中，再由一个矢量处理器来实现鲁棒控制器设计，用来实现参数变化和负载扰动下的控制输入量。仿真和实验结果表明，这种方案与比例积分控制器相比大大提高了永磁同步电机调速系统的动态性能，系统响应的波动幅度和恢复时间都明显减小了，从而增强了系统的鲁棒性。文献27提出了一种永磁同步电机模型参考自适应控制方案，使伺服系统具有对被控对象参数变化不敏感和抗负载扰动能力强的特点
34、。自适应控制在永磁同步电机控制中应用的主要问题是控制算法比较复杂，随着更高速的 DSP 芯片的出现，以及电力电子器件和微电子技术的发展，永磁同步电机中自适应控制的研究将引起更广泛的关注。1.2.3 滑模变结构控制滑模变结构控制由前苏联学者于上世纪六十年代初开始全面研究以来，经历了近四十年的时间，至今已形成控制理论的一个分支，近年来被广泛应用于复杂的非线性系统的控制中。滑模变结构控制根据被调量的偏差及导数，有目的地使系统沿着设计好的“滑动模态”的轨迹运动，与被控对象的参数和扰动无关，因而使系统具有很强的鲁棒性。一般来说，它根据系统的状态选择两个控制输入之一，相当于系统有两种结构，即（1.1）(,
35、)0uxtS其目的是使非线性对象快速到达预定的所谓“开关面” （也称“滑动面” ） ， ，并使其沿着这个开()0Sx关面滑动，这时称系统处于滑动模态（Sliding Mode） 28-29。然而并不是所有系统都可实现变结构控制，设计时必须先判断滑动模是否存在，其条件由下式给出：第一章 绪论5（1.2）0limS滑动模一旦存在，即可用等效控制法进行设计。理想的滑模变结构控制可以使对象在滑动面上平滑运动，但是实际上由于器件存在延时和滞环，所以系统进入滑动态后不可避免地会出现抖振现象（chattering） ，即在滑动面附近高频颤动。如何消除抖振是一个必须认真考虑的问题，否则可能会引起设备毁坏等事故
36、。在永磁同步电机交流伺服系统中，滑模变结构控制因其具有较强的鲁棒性，通过简单的开关控制可以降低系统对不确定性敏感度，实现简单等优点得到广泛研究并取得一定成果。文献30采用滑模变结构控制器作为永磁同步电机伺服系统的位置环控制器，使系统对参数变化和外部扰动具有较好的鲁棒性。文献31提出了一种基于模糊滑模变结构理论的永磁同步电机速度控制器，将模糊控制器与滑模控制器结合起来以减小抖动，同时提高了系统的鲁棒性。但是滑模变结构本质上是一种开关控制，在系统中不可避免地带来“颤动”问题，如何削弱抖动而又不失强鲁棒性，是目前需要研究的主要问题。1.2.4 模糊控制模糊控制作为智能控制技术的一种，是模糊集合理论应
37、用的一个重要方面。它的主要思想是吸取人类思维具有模糊性的特点，通过模糊逻辑推理来实现对众多不确定性系统的有效控制。其设计核心是模糊控制规则和隶属度函数的确定，其一般结构如图 1.2 所示 32。参 考 输 入知 识 库模 糊 化模 糊推 理去 模 糊控 制对 象输 出模 糊 控 制 器图 1.2，模糊控制器的基本结构模糊控制的突出特点是：不需要建立被控对象的精确数学模型，只需要根据人工的经验或统计形成其控制规则，一定程度上可以抑制对象的不确定性、噪声及非线性、时变性等因素的影响，系统鲁棒性强，以语言变量代替常规的数学变量；推理过程模仿人的思维过程，借鉴专家的知识、经验，能够处理复杂的控制问题。
38、所以在自动控制中得到了广泛的应用。模糊控制的不足之处在于：模糊控制本身消除稳态误差的性能的比较差，难以达到较高的控制精度 28。所以通常将模糊控制器与其他控制手段结合起来使用，使二者优势互补。文献33中，FuzzyPI 复合控制是将 PI 控制策略引入到模糊控制器，在大偏差范围内采用模糊控制，在小偏差范围内采用 PI 控制。这种复合控制比 PI 控制有更快的动态响应特性和更小超调，比模糊控制具有更高的稳态精度。文献34则把模糊控制用于永磁同步电机速度环 PI 控制器的参数整定上， PI 控制器为速度环控制器，模糊控制器则根据误差和误差的差分来进行 PI 参数的调整，提高了普通 PI 控制器的适
39、应能力，在外部条件变化时，模糊控制器则能自适应地调整参数，提高了系统的性能。 模糊控制虽然在理论和应用方面均取得了很大的进展，模糊控制器专用芯片已经商业化，但是模糊东南大学硕士学位论文6控制技术是一项发展中的技术，仍存在以下几个问题：（1）信息简单的模糊处理将导致系统控制精度降低和动态品质变差，无法定义控制目标；（2）尚未建立起有效的方法来分析和设计模糊系统，还主要依靠经验和试凑；（3）学习能力差，模糊建模困难；（4）经典控制理论和现代控制理论的系统稳定性分析都有成熟的理论和方法，但是模糊经典控制理论的稳定性分析并不适用于模糊系统稳定性分析和判据；（5）模糊信息处理的核心模糊规则的提取和隶属度
40、函数的生成，是困扰模糊信息处理技术的难题。对于简单系统，其模糊推理知识库通过人工经验容易获得，对于复杂系统，特别是对快速的、高精度的控制系统，仍是一件困难的事情 35。1.2.5 神经网络控制神经网络控制技术也是现在应用得较多的一种智能控制技术。神经网络是指用科学技术手段模拟生物神经系统的结构和功能的一种信息处理系统。神经网络的研究从上世纪四十年代初开始，上世纪八十年代神经网络理论取得了突破性进展，成为智能控制的一个重要分支。神经网络的主要优点是：（1）具有学习能力，可处理不确定或未知系统；（2）具有并行处理信息的能力；（3）非线性映射能力，可以充分逼近任何线性的和非线性模型；（4）具有很强的
41、容错性和鲁棒性。近年来，人们将神经网络应用于交流电气传动的控制，并已经在高性能速度和轨迹跟踪控制、电机模型及参数辨识等取得了一些成果 36-39，就目前的研究现状，神经网络在交流伺服系统中的应用主要是利用其对非线性函数的逼近能力。如文40的 PMLSM 建模采用了神经网络技术，利用神经网络建立的电机模型能够反映电机的真实运行情况。体现了神经网络在建模方面的巨大潜力。利用神经网络对非线性函数非凡的逼近能力，结合其他先进的控制技术，可以实现具有自适应能力的永磁同步电机控制器，神经网络控制为永磁同步电机的高性能控制研究开辟了新的方向。神经网络在交流调速领域中应用的一个主要问题是它算法比较复杂，目前国
42、内的研究主要集中部分高校和研究机构，大多以仿真的形式进行，控制效果有待于在实际系统中的进一步检验。另外，与其他比较成熟的学科相比，神经网络理论还不够成熟，有许多理论问题和应用研究问题尚需进一步完善，如神经网络控制系统的稳定性、收敛性、鲁棒性等 41。所以永磁同步电机中的神经网络控制的研究也还有许多工作要做。1.2.6 自抗扰控制自抗扰控制方法是中国科学院系统科学研究所韩京清研究员经过多年潜心研究并发展完善的一种非线性自适应控制器 42-46。自抗扰控制器由 3 部分组成：跟踪 微分器（TD ） ，扩张的状态观测器（ESO）和非线性状态误差反馈控制律（NLSEF） 。利用自抗扰控制器进行系统设计
43、时，它能利用“扩张状态观测器”实时估计并补偿系统运动时受到的各种外扰以及系统机理本身决定的内扰的总和，使其变为线性系统的标准型：积分串联型，从而实现动态系统的动态反馈线性化，结合特殊的非线性反馈结构实现良好的控制品质。自抗扰控制策略具有如下诸多优点：安排过渡过程解决了快速和超调之间的矛盾；不用积分反馈也能实现无静差，避免了积分反馈的副作用；统一处理确定系统和不确定系统的控制问题；抑制外扰，不一定要知道外扰模型或进行直接测量；同一个自抗扰控制器控制时间尺度相当的一类对象，线性、非线性对象一视同仁，不用区分；实现控制，不一定要进行对象辨识。自抗扰控制器可用来控制时变系统、多变量系统、最小相位系统，
44、由于其优良的性能，近年来已经在电力系统 47、励磁控制 48、混沌控制 49、可控硅串联补偿控制 50、异步电机调速系统 51、同步电机伺第一章 绪论7服系统 52、飞行器姿态控制 53 、惯导系统 54等领域得到了广泛的应用。随着应用的需要，自抗扰控制器自身也得到了进一步的完善和发展，出现了基于神经网络的自抗扰控制器 55、模型配置自抗扰控制器 56等各种改进型。自抗扰控制器的进一步理论分析和参数整定方法也逐渐成熟，在实际应用中如何针对具体的被控对象进行控制器设计,以及将标准的自抗扰进行部分简化,使需要调整的参数减少,在实际应用总结调参规律,一直是不少学者研究的问题。1.3 本课题的选题背景
45、和意义本课题来源于合作方南京 ESTUN 工业自动化有限公司，我们课题组已经开发出一阶简化的自抗扰控制器，并且应用到该公司的某种类型的伺服驱动器中。本文的工作是在前面项目组工作的基础上所进行的进一步的研究。主要工作体现在三个方面：一阶自适应自抗扰的理论与实验研究，二阶自抗扰的理论与仿真研究，模型补偿自抗扰的理论与仿真研究。本课题的研究对象为永磁同步电机。永磁同步电机（PMSM）以其高转矩 /惯量比、高功率密度、低损耗、维护方便等特点，在航空、航天、数控机床、加工中心、机器人、电动汽车和家用电器等方面都获得了广泛的应用 5。永磁同步电机因其非线性、多变量、高耦合的特点，通常采用矢量控制和直接转矩
46、控制，控制结构多采用双环结构，内环为电流环，外环为速度环，控制方法多采用 PI 控制器 15。PI 无法解决快速性和超调之间的矛盾，同一个 PI 参数不能适应不同的电机转速范围，PI 参数需要分别调节。所以在调速系统中难以达到令人满意的性能。电力电子技术、微电子技术尤其是数字信号处理（DSP）技术的快速发展，为现代控制理论和新型电机控制技术提供了应用平台，近年来出现了一些新的非线性控制算法被用到永磁同步电机控制中。如 1.2节提到的一些控制算法，这些方法不仅丰富了永磁同步电机的控制理论，而且从不同方面使得永磁同步电机在性能上得到改进。自抗扰控制器是近年来用到电机控制中的一种新的非线性算法。自抗
47、扰控制器能实时估计并补偿系统的内外扰动，结合非线性控制策略，可以达到很好的控制品质。该技术易于数字实现，算法简单，与PI 速度控制器相比具有较快的响应速度、较小的超调和较强的抗干扰能力，是区别于 PID 控制器的一种非线性控制器。自抗扰控制器基于扰动观测和扰动补偿，因此具有一定的鲁棒性，同一套控制器参数能保证在整个调速范围内有较好的调速性能，但是由于永磁同步电机的应用场合广泛，在一些工况条件变化较大的情况下（如转动惯量、负载、摩擦等） ，尤其是在转动惯量发生变化的情况下，永磁同步电机的速度响应会变差。在惯量变化时，调试人员虽然可以根据经验来进行控制器的参数调节，但是参数的调节往往受操作人员的经
48、验、技术的影响，而且对于不同惯量的负载设备要分别调试控制器参数，加大了调试工作量。因此，为了改善永磁同步电机的调速性能、提高自抗扰控制器的鲁棒性和减少操作人员的参数调试工作，对转动惯量进行辨识，再根据惯量的变化进行自适应参数调节，为永磁同步电机调速系统设计集惯量辨识和参数自适应调节于一体的新型自抗扰控制器具有重要的意义。另外，对永磁同步电机调速系统的一阶 ADRC 是一种存在近似的设计。这种设计利用了 q 轴电流 PI调节器的给定 来近似代替实际的 q 轴定子电流 , 由于 q 轴定子电流与速度是一阶微分方程的关系，*qi qi此时可以近似用一阶微分方程描述电流 PI 调节器的给定与速度的关系
49、。但一阶自抗扰控制器无法对这种近似进行补偿，使得闭环系统难以获得更为优异的性能。为了改善一阶自抗扰控制器的控制性能，考虑到 q 轴电流 PI 调节器的给定 与实际的 q 轴定子电流 之间的一阶关系，可以得到 q 轴电流 PI 调节器的*qi qi给定 与速度 的二阶方程，从而设计出永磁同步电机调速系统的二阶自抗扰控制器。*i在有些复杂的应用场合，完全不利用被控对象模型进行控制系统设计，往往难以充分发挥出自抗扰控制方法的优点。在用自抗扰控制的永磁同步电机的调速系统中一般是根据速度输出方程设计出速度环的一阶自抗扰控制器 57-58,ESO 所估计的扰动项包括转速、转矩的变化以及惯量和阻尼系数的变化。在永东南大学硕士学位论文8磁同步电机运行过程中，这些参数及扰动量都会发生变化，尤其在负载扰动大的时候，扰动项幅值会很大。在这种情况下，让 ESO 直接估计出这种扰动显然是加重了观测器的负担，ESO 对扰动的估计难以保证很高的精度，导致自抗扰控制器对扰动也难以进行很好的补偿，限制了自抗扰控制器取得更优的控制性能。为了在大负载情况下减轻 ESO 的估计压力，本文提出永
