交流伺服系统控制策略全面解析

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：交流电动机是一个非线性、多变量、强耦合的高阶控制对象，其控制方法比较复杂，所以交流伺服系统的性能与它所采用的控制方法有着直接的关系。交流伺服系统的控制方法主要有：磁场定向控制、直接转矩控制、PID控制、自适应控制、非线性反馈线性化控制、滑模变结构控制、自抗扰控制和智能控制等。

伺服系统也称随动系统，用来控制被控对象的转角或速度，使其自动、连续、精确地复现输入指令的变化规律[34]。对于交流伺服系统的控制主要包括交流电动机控制和系统的主要调节控制，对系统的性能要求可概括为：不但要使系统具有快的动态响应和高的动、静态精度，而且系统要对参数的变化和扰动具有不敏感性[35]。

交流电动机是一个非线性、多变量、强耦合的高阶控制对象，其控制方法比较复杂，所以交流伺服系统的性能与它所采用的控制方法有着直接的关系。交流伺服系统的控制方法主要有：磁场定向控制、直接转矩控制、PID控制、自适应控制、非线性反馈线性化控制、滑模变结构控制、自抗扰控制和智能控制等。

（1）直接转矩控制。Depenbrock M教授最早提出异步电动机直接转矩控制方法[36，37]，将矢量控制中的以转子磁链定向更换为以定子磁链定向，通过转矩偏差和定子磁链偏差来确定电压空间矢量，省去复杂的坐标变换，在线计算量小，实时性强。直接转矩控制不需要将交流电动机与直流电动机作比较、等效、转化等程序，不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型，省掉了矢量旋转变换等复杂的变换和计算，所以直接转矩控制从诞生起，就以其新颖的控制思路、简洁明了的系统结构、优良的静态和动态性能受到人们的普遍关注[36，38]。直接转矩控制的研究虽然已经取得了很大的发展，但是它在理论和实践上都还不够成熟，比如在低速性能、带负载能力等方面还不是很令人满意。

（2）PID控制。PID控制具有不依赖系统的模型[39，40]、设计简单、易于实现等优点，在实际的应用中，90％以上的控制仍然是PID控制方法。由于PID的参数整定需要一定的经验积累，并且整定过程参数多、参数之间的耦合性大，这种局限促使人们加大了对于其他控制策略的研究，当前有很多的学者把其他控制策略和PID控制相结合。

（3）自适应控制。自适应是一种将反馈控制与辨识理论相结合，通过寻求某些性能指标最优，完成对被控对象的整体调节的控制方法。应用于电动机控制的自适应方法有模型参考自适应、参数辨识自校正控制以及新发展的各种非线性自适应控制[41-43]。但这些方法也存在一些问题：计算工作量大，需要知道精确数学模型或一些先验知识，需满足Lyapunov或Popov稳定性条件，等等。对于模型变化快、环境干扰强的工业场合，以及比较复杂的生产过程，显得力不从心，难以应用。

（4）鲁棒控制。鲁棒控制的研究是针对模型的不确定性问题而提出的，研究重点是讨论控制系统的某种性能或某个指标在某种扰动下保持不变的程度。经过20多年的研究和发展，鲁棒控制理论取得了十分丰富的结果，但其应用却很不如人意。在实际设计中，鲁棒区域或摄动区域必须已知且有限，且设计必须在系统的鲁棒性和控制的精确性之间折中，这些都阻碍了它的广泛应用。鲁棒控制是工程应用远落后于理论研究的一个典型，但鲁棒控制的基本思想方法和一些成功应用，表明它有很高的应用价值，从而激励人们不断完善其理论和设计方法，促进其在工业中的广泛应用。

（5）自抗扰控制器（ADRC）。ADRC[41]继承PID控制器不依赖于对象模型的优点，利用非线性结构克服了经典PID的缺陷。一方面利用跟踪微分器为参考输入安排过渡过程；另一方面通过扩张状态观测器将系统模型和外界扰动视为状态变量，构造全维非线性状态观测器，并通过对误差进行非线性PID组合来产生控制作用。目前，自抗扰控制器已在仿真和不同装置的实物实验中取得了很理想的控制效果[45]。文献[45，46]针对有无位置传感器分别提出了一种永磁同步电动机的自抗扰控制技术，仿真和实验表明该控制方法不仅对参数变化和负载干扰具有很强的鲁棒性，同时响应速度快。在离散时间内进行设计，控制结构简单，计算迅速，适用于其他类型的伺服驱动系统。自抗扰控制器摆脱了传统控制器对对象模型的依赖，能自动补偿模型的内外扰动，使得复杂问题简单化。根据研究和实调经验，自抗扰控制器参数的调整远比常规PID调节器参数的调整容易得多，显示出其强大的实用前景[44]。

交流伺服系统控制策略全面解析

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