[发明专利]具有扰动及输出约束的永磁同步电机系统有限时间控制法

说明书

本发明公开了具有扰动及输出约束的永磁同步电机系统有限时间控制法，采用非线性变换函数将输出约束动态模型转换为无约束的动态模型；提出一种基于扰动观测器的有限时间控制策略估计不匹配的外界扰动，然后，通过结合神经网络来估计非线性函数和一阶滤波器来处理“复杂性爆炸”，构思出一种对永磁同步电机具有自适应学习能力的动态面控制方法。本发明有效解决有限时间反步框架下系统具有时变特性和不匹配的外部扰动的非对称输出约束的问题。

技术领域

本发明属于具有时滞和非对称时变输出约束的PMSM系统控制技术领域，涉及具有扰动及输出约束的永磁同步电机系统有限时间控制法。

背景技术

与传统步进电机相比，由于永磁同步电机具有明显的优点，例如更高的运行效率，更好的功率密度，它们通常用于车辆，飞机，石油和化学工业。尽管如此，永磁同步电机是具有多变量耦合的非线性系统，并且容易受到某些不稳定性的影响，包括参数扰动和外在干扰。因此，设计一种有效的控制器来克服系统中存在的非线性，对于永磁同步电机的应用具有更深远的意义。在过去的几十年中，研究人员提出了许多关键的控制方法，例如滑模控制、自适应控制、反步控制等，以满足永磁同步电机控制系统的更高要求。

上述方法中，能够很好地将自适应神经网络和模糊逻辑系统控制结合的反步控制方法，对于具有任意不确定扰动的永磁同步电机构建高性能控制器十分有效。因此，在传统的反步方案中产生的虚拟控制律的多重微分导致“复杂性爆炸”，这增加了控制系统的计算负担。为了应对这一挑战，通过将卡尔曼滤波器、跟踪微分器、命令滤波器和一阶滤波器集成到经典的反步框架中，提出了许多关键方案。例如，提出扩展卡尔曼滤波器来评估周期性扰动及其导数。张钧星(张钧星等，具有外部扰动和约束输出的混沌永磁同步电机系统自适应神经动态表面控制[J].电气与电子工程的最新进展(以前称为电气与电子工程的最新专利)，2020年)将从动态面控制方法衍生的命令扩展到永磁同步电机系统，以解决繁重的计算负担。尽管上文所提出的方法在一定程度上提高了系统的稳定性和鲁棒性，但它们仍然没有考虑到当前研究的前沿，如有限时间稳定性理论、扰动观测器和约束控制来加强系统性能。

由于有限时间控制方法能够从时间优化控制方案的角度提供出色的收敛性和优异的鲁棒性，因此设计了许多基于有限稳定性理论的有效策略来获得永磁同步电机的高收敛速度和响应。例如，有限时间控制方法被用来在有限时间内实现跟踪所需的电机位置。为了实现动态相应和抗干扰能力，一个有限时间控制器被设计以便系统输出在有限的时间内跟踪所需的速度信号。一种自适应有限时间控制方法被提出来保证复杂系统中的信号和所有状态误差都能有限时间收敛到有界区域。上述工作表明，通过有限时间方法可以实现更快速的有限时间跟踪误差收敛，这是在这项工作中构建针对永磁同步电机系统的有限时间控制方案的动机之一。

关于研究受约束的永磁同步电机控制系统，已经采用了许多有效的方法来处理它们，其中障碍Lyapunov函数通常被认为是将跟踪误差收敛到预设的起始紧集的有效的方法。利用两种类型的非对称和对称障碍Lyapunov函数来确保跟踪误差可以在有限的时间内被约束在起始点的小邻域内。一个积分型障碍Lyapunov函数被提出来处理基于输出约束的保守可行性条件。为了消除利用障碍Lyapunov函数引起的分段不对称性，提出一种非线性坐标转换函数，将具有状态约束的模型转换为无约束模型。利用非线性转换函数将全状态约束系统转变为无约束系统。针对永磁同步电机中的物理约束，提出一种有限时间H无穷大控制方法，以消除约束限制并得到出H无穷大性能。虽然前面的文献对约束系统做出了巨大贡献，但并没有考虑到损害受控系统稳定运行的外部干扰。

为了增强电机系统的抗干扰能力，许多研究人员已经考虑为增加扰动观测器。例如，集成了滑模扰动观测器来估计外部负载扭矩，以增强永磁同步电机的抗干扰和动态响应能力。一种基于跟踪微分器的扰动观测器被设计来增加开关增益，这可以抑制突然变化的干扰。为了增强对扰动的抵抗力，可以通过分数阶来估计不匹配的扰动。为了实现静止和动态跟踪性能，设计了一种扰动观测器来观测永磁同步电机的负载扰动和负载变化。基于扰动观测器的补偿方法被用来解决标称系统的外部干扰。最重要的是，基于扰动观测器的方法可以有效地消除未知干扰，从而在一定程度上获得抗干扰能力和鲁棒性。