[发明专利]一种基于紧格式动态线性化的吊舱推进电机滑模控制方法

说明书

本发明公开了一种基于紧格式动态线性化的吊舱推进电机滑模控制方法，适用于吊舱推进电机控制。其步骤包括：建立吊舱推进电机动力学模型；基于伪偏导数建立吊舱推进电机动力学模型的紧格式动态线性化数据模型；滑模控制方法控制律和估计律设计；针对估计控制律中的扰动项，设计扩张状态观测器对控制系统中的负载扰动和未知扰动进行估计；针对未建模动态对控制系统性能的影响，设计串联紧格式动态线性化模型的滑模控制方案改善系统控制性能。本发明结合紧格式动态线性化方法和滑模控制的优点，有效提高吊舱推进电机控制系统动态性能及稳态性能。

技术领域

本发明属于船舶电力推进器控制技术领域，利用数据驱动的思想设计一种基于紧格式动态线性化的吊舱推进电机滑模控制方案。

背景技术

半潜船是专门从事无法分割的超大型整体设备、特重大件运输的船舶，在进行下潜和上浮作业时，需要依靠动力定位系统精确定位完成水下作业，因此对吊舱推进器有着较高的性能要求。吊舱式电力推进是现在最先进的船舶电力推进系统，系统中的吊舱推进器提高了船舶的水动力性能、优化了船体结构和吊舱的设计。永磁同步电机(permanentmagnet synchronous motor,PMSM)具有体积小、效率高的特点，作为推进电机使用在吊舱式电力推进系统中，不仅提高了螺旋桨的效率，而且具有更高的可靠性和稳定性，所以对永磁同步推进电机控制性能的研究也成为了当下船舶定位控制系统研究的热点。

目前许多先进算法用于提高永磁同步电机的控制性能，减少扰动带来的影响，如基于模型自适应控制、变结构滑模控制、模型预测控制等。孔小兵等人针对永磁电机的转速控制提出了非线性模型预测控制方法，通过输入-输出反馈线性化策略解耦成为新的线性系统，并利用一种迭代二次规划方法来处理由输入-输出反馈线性化产生的非线性约束，有效降低计算量,提高动态控制性能。李政等人在传统PI控制中，依据龙伯格线性观测器的原理设计了负载转矩观测器，将观测值反馈到滑模控制器的设计中，提高了系统抗负载扰动的性能，增强了系统的稳定性。SIRA-RAMIREZ H介绍了一种适用于大扰动、不确定永磁同步电动机角速度轨迹跟踪任务的自抗扰控制方案，利用高增益扩展观测器提高扰动观测精度。张晓光等人以负载转矩作为扩展状态，以电机转速和负载转矩作为观测对象，提出的前馈补偿滑模控制有效削弱系统抖振。以上控制系统的控制器多是基于数学模型设计，在已知精确数学模型的前提下，设计合适的控制器参数可以在一定程度上提高永磁同步电机的控制性能，但PMSM是一个多变量、强耦合、非线性的复杂对象，而且半潜船的吊舱推进电机工作环境恶劣，尤其是易受到螺旋桨负载扰动的影响。当系统受到内部参数变化或外界扰动等因素影响时，常规基于模型的控制策略存在未建模动态和无法建立精确模型的问题，因此并不能满足吊舱推进电机高性能控制的要求。

发明内容

本发明旨在提高半潜船吊舱推进电机的转速控制性能，减小扰动对船舶吊舱推进电机控制系统的影响；将紧格式动态线性化方法和滑模变结构控制方法相融合，提出了一种基于紧格式动态线性化的滑模控制方案；同时引入扩张状态观测器，将观察值添加到控制率中，对控制系统进行扰动补偿；最后设计了串联基于紧格式动态线性化的吊舱推进电机滑模控制方案。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下设计方案：

(1)建立吊舱推进电机动力学模型并且离散化：

1)考虑到吊舱推进电机转对矩性能要求较高，采用i_dw＝0(i_dw为d轴设定的电流值)的永磁同步电机转子磁场定向控制方法，计算方便且不存在电枢反应电动机的去磁问题，永磁同步电机在d-q坐标系下的推进电机转矩方程为：

其中，T_e为电磁转矩，p为电机极对数，为永磁体与定子交链磁链，i_q为q轴电流；

永磁同步电机运动方程为：