[发明专利]一种智能阀门电动执行机构的控制系统构建方法

权利要求书

1.一种智能阀门电动执行机构的控制系统构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、建立基于电流环、速度环、位置环的三环控制系统；

步骤2、采用变增益系数的MRAS对系统转动惯量进行在线辨识，以转动惯量作为观测器的输入对系统负载转矩进行在线观测，根据观测结果对系统控制器参数进行整定；

步骤3、通过温度检测电路监测转子时间常数变化，根据转子时间常数与电磁转矩的关系，针对温度对控制系统负载转矩观测造成的误差，进行温度补偿；

步骤1所述的建立基于电流环、速度环、位置环的三环控制系统，具体如下：

步骤1.1、将电流环作为控制系统最内环，实时跟踪给定电流，同时抑制系统直流母线电压的波动以及系统的转矩脉动，减弱反电动势给系统带来的干扰；

步骤1.2、将速度环作为控制系统中间环，实现对给定速度的跟踪，并对干扰系统运行的负载扰动进行抑制；

步骤1.3、将位置环作为控制系统最外环，对电机进行变速调节，同时对阀门位置进行控制；

步骤1.3所述的将位置环作为控制系统最外环，对电机进行变速调节，同时对阀门位置进行控制，具体如下：

位置环控制器采用基于新型趋近律的滑模控制器，将目标位置作为位置环控制器的输入，根据目标位置和当前位置的偏差计算参考转速，实时调节速度环的输入转速，使得实际转速跟踪参考转速，随着当前位置逼近目标位置，参考转速和实际转速都趋于零；

将目标位置与实际位置反馈值的偏差量作为控制量，得到：

其中，x₁，x₂为切换函数的输入参数，θ_ref为目标位置，θ_m为实际位置；

取滑模面：

S＝cx₁+cx₂ (2)

其中，S为滑模面、c为切换函数中的系数；

将式(1)代入式(2)得：

对式(3)进行求导，并建立滑模面和趋近律之间的联系，进而得到：

其中，t为时间，ε、k为指数趋近律中的系数，根据系统需要确定；

根据目标位置和当前位置的偏差得到速度环中的转速指令，根据式(4)，得到速度环指令为：

其中ω_ref为输入给速度环的给定转速；

步骤2所述的采用变增益系数的MRAS对系统转动惯量进行在线辨识，以转动惯量作为观测器的输入对系统负载转矩进行在线观测，根据观测结果对系统控制器参数进行整定，具体如下：

步骤2.1、采用结合变增益系数的MRAS模型，参考自适应算法和负载转矩观测器的混合观测模型，对系统的转动惯量进行在线辨识；

步骤2.2、将转动惯量作为负载转矩观测器的输入，建立降阶负载转矩观测器的观测方程，实时观测系统的负载转矩；

步骤2.3、建立系统转动惯量与控制器参数的函数关系，将转动惯量的辨识结果用于实时调节速度环控制器参数，实现PI参数的自整定，将负载转矩的观测结果用于给转矩电流进行前馈补偿；

步骤2.1所述采用结合变增益系数的MRAS模型，参考自适应算法和负载转矩观测器的混合观测模型，对系统的转动惯量进行在线辨识，具体如下：

根据参考模型的结构，构建参数可变的自适应模型，用参考模型和自适应模型的误差，调整可调模型的可变参数，直至两者的输出误差最小；

异步电机的机械运动学方程为：

其中，ω_m为转子机械角速度；J为电机的负载转矩惯量；B_m为粘滞摩擦系数；T_e为电磁转矩；T_L为负载转矩；t为时间；

忽略粘滞摩擦项，得到运动学方程的离散化差分方程为：

式中，T_s为控制算法采样时间；k、k-1、k-2为采样时刻；

在一个采样周期内，负载转矩不变：

T_L(k-1)＝T_L(k-2) (9)

由式(7)、式(8)得到参考模型：

ω_m(k)＝2*ω_m(k-1)+b*ΔT_e(k-1) (10)

其中，b为辨识参数、ΔT_e(k-1)为k-1时刻与k-2时刻电磁转矩的差值；

根据参考模型，构建自适应模型如下：

其中为实际速度的估计值；为待辨识参数；ΔT_e(k-1)＝[T_e(k-1)-T_e(k-2)]；为系统辨识出的转动惯量，ΔT_e(k-1)为k-1时刻与k-2时刻电磁转矩的差值；

参考模型和可调模型输出的偏差Δω_m(k)为：

根据Landau提出的离散时间迭代参数辨识机制，设计自适应算法如下：

式中，β为自适应的增益；b(k)、b(k-1)分别为k与k-1时刻系统的辨识参数；

β＝β_min+[e(J)]²*β_max (14)

式(14)中，β_max为在转动惯量辨识算法收敛情况下，系统收敛速度最快时自适应增益系数的取值；β_min为在转动惯量辨识算法收敛情况下，辨识精度最高时的取值；e(J)为转动惯量实际值与辨识结果的偏差值；

步骤2.2所述将转动惯量作为负载转矩观测器的输入，建立降阶负载转矩观测器的观测方程，实时观测系统的负载转矩，具体如下：

异步电机的机械运动学方程为：

其中，ω_m为转子机械角速度；J为电机的负载转矩惯量；B_m为粘滞摩擦系数；T_e为电磁转矩；T_L为负载转矩；t为时间；

负载转矩观测器用来估计未知的负载转矩T_L；

在采样周期内认为负载转矩为恒定值：

根据式(15)、式(16)，得到如下的系统状态方程：

其中：

u＝T_e，y＝ω_m

C＝[1 0]

根据式(17)，得到降阶的负载转矩观测器如下：

其中：

式中，为被估计的状态变量，K为状态反馈增益矩阵，k₁、k₂为系数；

由式(17)、式(18)得到观测器的系统状态误差方程为：

其中，为状态误差矢量；

系统的特征多项式f(λ)为：

其中，λ为系数，I为单位矩阵；

将状态方程的期望极点设计在负实轴上：

λ²-(α+β)+β＝0 (21)

其中，α和β为状态方程的极点；

根据式(20)、式(21)得到反馈增益矩阵：

由式(18)得到负载转矩观测器离散化的差分方程：

其中k、k+1为采样时刻，T_s为采样时间，分别为k+1、k时刻的转速估计值，分别为k+1、k时刻的负载转矩估计值；ω_m(k)为k时刻转子机械角速度；

采用磁场定向矢量控制的异步电机，电磁转矩T_e与转矩电流i_sq的关系如下：

其中N_p为极对数，L_m为定转子互感，L_r为转子自感、ψ_r转子磁链；

当电机运行在恒定转速ω_m1时，对应的q轴电流平均值为i_sq1，由式(15)得：

K*i_sq1-T_L-B_m*ω_m1＝0 (25)

当电机运行在恒定转速ω_m2时，对应的q轴电流平均值为i_sq2，由式(15)得：

K*i_sq2-T_L-B_m*ω_m2＝0 (26)

由式(25)、式(26)得不包含扰动转矩误差的负载转矩计算如下：

由转动惯量和粘滞摩擦系数的误差引起的扰动转矩误差定义如下：

采用MIT自适应率参数辨识，得到转动惯量的辨识方程和粘滞摩擦系数的辨识方程如下：

J(k+1)＝γ_J*T_dis*(ω_m(k)-ω_m(k-1))+J(k) (29)

B(k+1)＝T_dis*γ_B*T_dis*ω_m(k)+B(k) (30)

式中，γ_J为转动惯量调整率；γ_B为粘滞摩擦系数调整率；

步骤2.3所述建立系统转动惯量与控制器参数的函数关系，将转动惯量的辨识结果用于实时调节速度环控制器参数，实现PI参数的自整定，将负载转矩的观测结果用于给转矩电流进行前馈补偿，具体如下：

系统速度环控制器参数与转动惯量的函数关系为：

式(31)中，K_T为转矩常数，T_i为电流环的等效时间常数；速度环PI调节器的K_p、K_i都与系统的转动惯量J成正比，控制系统实时辨识转动惯量及负载转矩，其中转动惯量用于实现速度环PI的参数自整定，负载转矩用于给转矩电流进行前馈补偿；

步骤3所述的通过温度检测电路监测转子时间常数变化，根据转子时间常数与电磁转矩的关系，针对温度对控制系统负载转矩观测造成的误差，进行温度补偿，具体如下：

步骤3.1、分析转子时间常数与电动执行机构电磁转矩的函数关系；

步骤3.2、建立转子时间常数与定子温度间的函数关系，根据转子时间常数的变化修正电磁转矩，对控制系统的负载转矩观测结果进行修正；

步骤3.1所述的分析转子时间常数与电动执行机构电磁转矩的函数关系，具体如下：

电动执行机构的电磁转矩T_e为：

式中n_p为极对数，L_m为气隙漏感，i_d为励磁电流分量，ψ_r为磁链，L_r为转子电感；

转子时间常数变化时，电磁转矩变化：

式中T_r为转子时间常数，i_q为转矩电流分量；T_e'为实际温度下的电磁转矩；T_e为电磁转矩理论值；L'_m、L'_r、i'_q、ψ'_r分别为实际温度下的气隙漏感、转子电感、励磁电流分量、磁链；

令：根据定转子的电压方程，将式(33)简化为：

其中i'_d为实际温度下的转矩电流分量，T_r为转子时间常数，T'_r为实际温度下的转子时间常数；

令

当α→0时，电磁转矩与转矩时间常数成正比；

当α→∞时，电磁转矩与转矩时间常数成反比；

步骤3.2所述的建立转子时间常数与定子温度间的函数关系，根据转子时间常数的变化修正电磁转矩，对控制系统的负载转矩观测结果进行修正，具体如下：

步骤3.2.1、测量异步电机定转子的温度数值，采用曲线拟合的方式，得到定转子温度的函数关系：

t_转子＝f₁(t_定子) (35)

其中t_转子、t_定子为测量得到的异步电机转子、定子温度；f₁为定转子温度之间的函数关系；

步骤3.2.2、转子电阻会随着温度的变化而发生变化，转子电阻的变化引起转子时间常数的变化，设定转子时间常数与转子温度的变化关系为：

T_r＝f₂(t_转子) (36)

其中T_r、f₂为转子时间常数与转子温度的函数关系，t_转子为测量得到的异步电机转子的温度数值；

步骤3.2.3、由式(35)和式(36)得转子时间常数与定子温度之间的关系：

T_r＝f₂(f₁(t_定子)) (37)

步骤3.2.4、设定定转子温度的函数关系为：

t_转子＝f₁(t_定子)+Δf₁(t_定子) (38)

式中Δf₁(t_定子)是定转子温度函数关系的偏差；

则转子时间常数表示为：

T_r＝f₂(f₁(t_定子)+Δf₁(t_定子))＝f₂[f₁(t_定子)]+Δf₂(t_定子) (39)

式(39)中：Δf₂(t_定子)是定转子温度函数关系的偏差；

当Δf₂(t_定子)＞0时：引起理论计算的转子时间常数偏大，即控制系统用的转子时间常数比电机实际的转子时间常数大；当Δf₂(t_定子)＜0时：引起理论计算的转子时间常数偏小，即控制系统用的转子时间常数比电机实际的转子时间常数小；

步骤3.2.5、根据转子时间常数与电磁转矩的函数关系，对电磁转矩进行修正。