試論交流電機控制系統(tǒng)的控制算法

王書禮

摘 要：筆者將圍繞交流電機控制系統(tǒng)，闡述并分析應用于其中的控制計算方法類型，探究不同類型控制計算方法的優(yōu)勢、缺陷與差異，論述各種計算方法如何控制系統(tǒng)數(shù)值從而降低外界環(huán)境和因素對控制系統(tǒng)的不當干擾、起到增強控制穩(wěn)定性的作用。筆者將結(jié)合個人參與工作的實踐經(jīng)驗，總結(jié)交流電機控制系統(tǒng)的功能性，并對其日后改革趨勢提出展望。

關(guān)鍵詞：交流電機控制系統(tǒng)；計算方法；PI

隨著電子計算機、現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的不斷進步與發(fā)展，交流電機控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)傳動速度增快、傳動范圍拓展、傳動反饋迅速及時等功能優(yōu)化，不再依靠單機傳動，轉(zhuǎn)而使用多臺交流電機聯(lián)合運作的方式，起到優(yōu)化交流電機組織結(jié)構(gòu)、提升交流電機運作穩(wěn)定性與安全性、節(jié)約生產(chǎn)經(jīng)濟成本、擴大適用范圍等優(yōu)勢與作用。改革后的交流電機控制系統(tǒng)能夠在相對惡劣的工作條件下良好運行，有效彌補了單機傳動的不足與問題。下文中，筆者將結(jié)合電機控制科學理論，闡述交流電機控制系統(tǒng)的各部分組成，探究其功能的實現(xiàn)路徑，并對比分析幾種不同的交流電機控制系統(tǒng)，論析其中的優(yōu)勢與不同之處。

1 PI控制器算法

PI控制器計算方法首先是一種適用性最高、操作最簡單方便、工作效率最高的控制計算方法，因而被普遍適用在交流電機控制系統(tǒng)當中。

交流電機調(diào)速系統(tǒng)的速度環(huán)和電流環(huán)調(diào)節(jié)器均使用PI控制器。但交流電機是一個強藕合的非線性對象，并且其應用環(huán)境較為復雜且常常存在各種于擾，電機參數(shù)也會在運行過程中發(fā)生變化。因此，PI控制器在交流電機調(diào)速中由于自身特點還存在不足，例如：PI控制器直接獲取目標和實際之間的誤差，這樣就會由于初始控制力太大而出現(xiàn)超調(diào)，從而無法解決快速性和穩(wěn)定性之間的矛盾。近年來，出現(xiàn)了模糊PI}n、自適應PIE、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PIm等新型PI控制器，在一定程度上改善、提高了交流電機的調(diào)速性能。

2 模糊控制算法

模糊控制同是利用模糊集合來刻畫人們?nèi)粘Ｋ褂酶拍钪械哪：裕箍刂破鞲普婺７率炀毑僮魅藛T和專家的控制經(jīng)驗與方法。模糊控制是以模糊集合論、模糊語言變蘭及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計算機數(shù)字控制。摸糊控制的突出特點：無需建立被控對象的精確數(shù)學模型；系統(tǒng)的魯棒性強，適應于解決常規(guī)控制難以解決的非線性、時變及滯后問題：以語言變量代替常規(guī)的數(shù)學變量；推理過程模仿人的思維過程，借鑒專家的知識、經(jīng)驗，處理復雜的控制問題。

3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是依據(jù)人腦生物微觀結(jié)構(gòu)與功能模擬人腦神經(jīng)系統(tǒng)而建立的模型，其主要功能是模擬人腦的思維方式工作，具有自學習、并行處理和自適應等能力。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)秀的學習和非線性逼近能力，提出許多基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制方案，從而改善系統(tǒng)的收斂性、橡定性和魯棒性等。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在交流調(diào)速領(lǐng)域中應用的一個主要問題是算法比較復雜，大多以仿真形式實現(xiàn).控制效果有待于在實際系統(tǒng)中進一步檢驗。但與其他比較成熟的學科相比，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論還很不成熟，如計算較復雜，計算量大，難以滿足實際控制要求，訓練學習時算法收斂性問題等。

4 滑模變結(jié)構(gòu)控制算法

滑模變結(jié)構(gòu)控制根據(jù)被調(diào)量的偏差及導數(shù).有目的地使系統(tǒng)沿著設(shè)計好的“滑動模態(tài)”的軌跡運動，與被控對象的參數(shù)和擾動無關(guān)，因而使系統(tǒng)具有很強的奢棒性。一般來說，它根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)選擇兩個控制輸人之一，相當于系統(tǒng)有兩種結(jié)構(gòu)，即使非線性對象快速到達預定的所謂“開關(guān)面”（也稱“滑動面”），并使其沿著該開關(guān)面滑動，這時稱系統(tǒng)處于滑動模態(tài)（Sliding Mode）。然而并不是所有系統(tǒng)都可實現(xiàn)變結(jié)構(gòu)控制，設(shè)計時必須先判斷滑動模是否存在。理想的滑模變結(jié)構(gòu)控制可以使對象在滑動面上平滑運動，但是實際上由于器件存在延時和滯環(huán)，所以系統(tǒng)進人滑動態(tài)后不可避免地會出現(xiàn)抖振（Chattering）.即在滑動面附近高頻顫動。這可能引起設(shè)備毀壞等事故。因此，在電機交流控制系統(tǒng)中如何削弱抖動而又不失強魯棒性，是目前研究的主要問題。

5 自抗擾控制算法

自抗擾控制器由跟蹤一微分器（TD）、擴張的狀態(tài)觀測器（ESO）和非線性狀態(tài)誤差反饋控制律（NLSEF）3部分組成。利用自抗擾控制器設(shè)計系統(tǒng)時，它能利用“擴張狀態(tài)觀測器”實時估計并補償系統(tǒng)運動時受到的各種外擾以及系統(tǒng)機理本身決定的內(nèi)擾總和，使其變?yōu)榫€性系統(tǒng)的標準型一積分串聯(lián)型，從而實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)反饋線性化，結(jié)合特殊的非線性反饋結(jié)構(gòu)實現(xiàn)良好的控制品質(zhì)。

自抗擾控制策略具有如下優(yōu)點：安排過渡過程解決快速和超調(diào)間的矛盾；不用積分反饋也能實現(xiàn)無靜差.避免積分反饋的副作用；統(tǒng)一處理確定系統(tǒng)和不確定系統(tǒng)的控制間題；抑制外擾，不一定要知道外擾模型或直接測量；如果對象是非線性、線性，或者控制對象的時間差異不大，則可以使用自抗擾控制算法；如果控制對象不需要辨識，可以使用自抗擾控制算法。在科學技術(shù)的研發(fā)帶動下，自抗擾控制算法也進一步改革和優(yōu)化，使用了模型配置自抗擾控制器、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自抗擾控制器等新型控制器。

綜上所述，不同類型的交流電機控制算法具有不同的特色與優(yōu)勢，現(xiàn)實情況中，應當從生產(chǎn)實踐的需求、經(jīng)濟成本等眾多條件出發(fā)，確保控制算法能夠滿足交流電機控制系統(tǒng)的應用需求、功能性。現(xiàn)階段，我國在交流電機控制系統(tǒng)的控制算法應用方面已經(jīng)相對成熟，有關(guān)單位與工作人員應當不斷提高自身的專業(yè)能力，解決交流電機控制系統(tǒng)控制算法應用中的各種問題，繼續(xù)簡便控制算法，降低外界環(huán)境與因素對家里電機控制系統(tǒng)的干擾，學習并研究國內(nèi)外關(guān)于控制算法的最新理論、成功案例，從中總結(jié)經(jīng)驗，嘗試新技術(shù)、新方法的使用，不斷提升交流電機控制系統(tǒng)的功能性。

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（作者單位：遼寧通用航空研究院）