CN105227017A - 一种针对船舶吊舱ssp推进器的高阶mfac的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种针对船舶吊舱SSP推进器的高阶MFAC的方法及系统，该系统包括：速度外环由高阶MFAC控制器构成，用来生成期望的交轴参考电流内环电流调节仍由PI控制器实现，生成旋转坐标系下的两个电压分量ud和uq，速度及转矩反馈值由STF观测器获得。通过本发明提出的控制器使速度环控制器需整定的参数由原来的2个简化为1个，简化了推进电机控制器的设计，超调量小、动态响应快，并具有较强的抗干扰性和鲁棒性。
Description
技术领域
本发明涉及船舶控制技术领域，具体涉及一种针对船舶吊舱SSP推进器的高阶MFAC的方法及系统。
背景技术
船舶电力推进系统具有节能性、经济性和良好的操纵性能等优点，电力推进系统已成为船舶综合控制研究领域的热点。然而，电力推进系统为MIMO非线性复杂系统，其电站系统、电力系统和推进系统具有强交互性且难以建立系统精确的数学模型。因此以往基于数学模型的控制技术在船舶电力推进控制系统中的应用具有一定的局限性，如自适应控制、反推控制、滑模变结构控制等，它们不适合处理结构时变、参数时变、阶数时变的具有较强未建模动态的电力推进系统的控制问题。
在实船应用中，内外环均采用自整定PI调节的矢量控制系统仍占主要地位，关于这方面的研究，国内外学者做了大量工作。李亮亮等针对永磁同步电机矢量控制PI控制器，运用ITAE最优控制方法对其进行参数整定，提高了矢量控制的性能。Angelo等研究了永磁同步电机的无源控制控制策略，实现了全局稳定性控制，但对负载参数变化较敏感。孙凯等将韩京清先生提出的自抗扰控制应用到永磁同步电机的矢量控制中，该方法提高了控制系统的鲁棒性，有效抑制参数波动及负载扰动的影响。
PI调节器是典型的无模型控制方法，其结构简单，但在实船应用中当海况发生变化时，需要重新整定调节器的参数，且存在超调等弱点。无模型自适应控制(Model-FreeAdaptiveControl，MFAC)是指仅用受控系统的I/O数据设计控制器，而控制器不包含任何受控系统数学模型信息的控制理论和方法。其基本思想是基于一种新的动态线性化方法，设计控制性能指标函数，利用动态线性化模型来在线估计系统的伪梯度向量和计算系统的控制输入。
在实船应用中，内外环均采用PI调节的矢量控制调速系统仍占主要地位，PI调节器是典型的数据驱动控制方法，其结构简单，稳定性好，国内外学者在这方面做了大量工作。针对永磁同步电机矢量控制PI控制器，运用ITAE最优控制方法对其进行参数整定，提高了矢量控制的性能。为使矢量控制系统工作在最佳状态，现有技术中也提供了一种采用基于模型的离线式整定与模糊PI在线整定相结合的混合整定法；以及以电磁转矩误差和定子磁链误差作为PI控制器输入的矢量控制算法，并对电力推进系统的控制性能进行了研究。将韩京清先生提出的自抗扰控制应用到永磁同步电机的矢量控制中，该方法提高了控制系统的鲁棒性，有效抑制参数波动及负载扰动的影响。这些方法使得系统的稳态性能得到了改善，但是在实船应用中当海况发生变化，如遭遇恶劣海况时，需要重新对调节器的参数进行整定，且要使电流能很好地跟随，需要较大的比例增益系数，这会导致超调，另外由于吊舱推进电机电流、逆变器驱动电压较大，当速度阶跃给定较大时，由于控制器积分饱和还会出现windup现象，在实船应用中具有一定的局限性。通过本发明提出的控制器使速度环控制器需整定的参数由原来的2个简化为1个，简化了推进电机控制器的设计，超调量小、动态响应快，并具有较强的抗干扰性和鲁棒性。
发明内容
在船舶机动航行或者恶劣海况下，航行中的负载及工况存在很大不确定性，从而使得船舶吊舱SSP推进电机的控制极具挑战性。本发明针对船舶吊舱SSP推进电机这类多变量、强耦合、参数时变的复杂非线性系统，首次提出了一种复合无模型自适应矢量控制方法，并将其应用到船舶吊舱SSP推进电机控制系统中，该方法将高阶无模型自适应控制推广到矢量控制中，控制器的设计和分析仅依赖于系统的I/O数据，并且在线调整参数少、计算负担小。该思想无需建立SSP推进电机控制系统的数学模型，忽略无法准确表达系统物理含义的某些参数、数学模型，实现所需参数少、对参数变化的适应能力强的优点。该方法使得控制器的设计更加灵活，控制性能有较明显地提高，并具有较强的抗干扰性和鲁棒性，且该算法简单，易于实船工程实现。
本发明提供了一种针对船舶吊舱SSP推进器的高阶MFAC的方法，包括如下步骤：
先将车钟速度指令信号n*和螺旋桨转速反馈信号n的偏差信号送至无模型自适应矢量控制高阶MFAC控制器，高阶MFAC控制器的输出为转矩给定指令值经计算得到转矩电流给定值速度环具有增强SSP推进电机系统抗负载扰动能力；
电流环为双环结构，检测到的定子三相电流ia、ib、ic在经过Clark变换和Park变换后，得到电流检测反馈信号，电流转矩分量和电流励磁分量给定值分别与实际值id、iq相比较，然后经两个电流环PI控制器，输出交直流电压值之后经过Park-1坐标变换，生成α-β坐标系的电压值
在经过空间电压矢量脉宽调制模块(SVPWM)后，合成为一个电压矢量，作为三相逆变器驱动控制信号，产生频率和幅值可变的三相正弦电流ia、ib、ic，用以驱动推进电机定子。
相应的，本发明还提供了一种针对船舶吊舱SSP推进器的高阶MFAC的系统，速度外环由高阶MFAC控制器构成，用来生成期望的交轴参考电流内环电流调节仍由PI控制器实现，生成旋转坐标系下的两个电压分量ud和uq，速度及转矩反馈值由STF观测器获得。
所述STF观测器中的STF算法通过S-function函数实现。
所述系统的伪偏导数θ(t)通过新型参数估计算法，根据推进电机控制中给出的永磁同步电机非线性系统模型的输入输出信息在线导出的。
该发明的有益效果在于：本发明将高阶无模型自适应控制(HighOrderModel-freeAdaptiveControl，高阶MFAC)的基本思想和分析手段引入到矢量控制过程中，提出了船舶吊舱SSP推进电机的高阶无模型自适应矢量控制方法。无模型自适应控制理论是侯忠生教授提出的一种新的非参数动态线性化方法，目前已在各个领域得到了广泛的应用。无模型自适应控制是一种新型的数据驱动控制方法，它摆脱了对受控系统数学模型的依赖及未建模动态对控制系统的影响，仅用系统的I/O数据设计控制器，并且无模型自适应控制的计算量很小，响应速度快。通过对船舶吊舱SSP推进电机的离散时间系统描述，引入“伪偏导数”概念，提出了相应的动态线性化定理，并利用最优技术设计了SSP推进电机的无模型自适应矢量控制方案。进一步，从理论上来看，如果借鉴高阶学习律的基本思想，设计一个新的控制输入准则函数，就可以充分利用更多船舶航行过程中的控制信息，而控制器的设计将会更加灵活，由此可以进一步提高系统的控制性。本发明基于前期工作，提出了一种基于高阶无模型自适应矢量控制方法实现的船舶吊舱推进电机控制系统，并同时给出了所提出方法与自整定PI矢量控制的仿真比较结果，详细分析了不同航行及海况下的仿真情况，进一步验证了高阶无模型自适应矢量控制算法应用于船舶吊舱SSP推进电机控制系统的有效性，表明提出的控制器超调量小、动态响应快，并具有较强的抗干扰性和鲁棒性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例中的针对船舶吊舱SSP推进器的高阶MFAC的系统结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在船舶机动航行或者恶劣海况下，航行中的负载及工况存在很大不确定性，从而使得船舶吊舱SSP推进电机的控制极具挑战性。本发明针对船舶吊舱SSP推进电机这类多变量、强耦合、参数时变的复杂非线性系统，首次提出了一种复合无模型自适应矢量控制方法，并将其应用到船舶吊舱SSP推进电机控制系统中，该方法将无模型自适应控制推广到矢量控制中，控制器的设计和分析仅依赖于系统的I/O数据，并且在线调整参数少、计算负担小。该思想无需建立SSP推进电机控制系统的数学模型，忽略无法准确表达系统物理含义的某些参数、数学模型，实现所需参数少、对参数变化的适应能力强的优点。该方法使得控制器的设计更加灵活，控制性能有较明显地提高，并具有较强的抗干扰性和鲁棒性，且该算法简单，易于实船工程实现。
针对常规船舶吊舱推进电机矢量控制系统中存在电流耦合及不确定性动态等问题，首次提出一种复合无模型自适应矢量控制方法，推导出SSP推进电机的动态线性化方程，基于速度跟踪误差设计了高阶无模型自适应矢量控制器，并进行了收敛性证明，在线调整伪偏导数，保证了推进电机控制系统跟踪误差一致且有界。通过与自整定PI矢量控制器在推进电机控制系统中的对比研究发现，复合无模型自适应矢量控制下的转速明显比自整定PI控制下的转速抖动小，稳态运行静差小，动态响应能力较好。
图1示出了本发明实施例中的针对船舶吊舱SSP推进器的高阶MFAC的系统结构示意图，速度外环由高阶MFAC控制器构成，用来生成期望的交轴参考电流直轴参考电流，内环电流调节仍由PI控制器实现，生成旋转坐标系下的两个电压分量ud和uq，速度及转矩反馈值由STF观测器获得，STF算法通过S-function函数实现，基于无模型自适应矢量控制的SSP推进电机控制系统实际上只有一个在线调整参数，即控制系统的伪偏导数θ(t)，它是通过新型参数估计算法，根据推进电机控制中给出的永磁同步电机非线性系统模型的输入输出信息在线导出的，它比传统的基于PI控制的矢量控制方案在线调整的参数少得多，计算量小，能适应于恶劣海况下对控制系统的要求，易于实现。
对基于自整定PI矢量控制的电力推进控制系统和基于高阶无模型自适应矢量控制的电力推进控制系统进行对比研究，该平台硬件系统主要由SIEMENS的PLC、SIMOTIOND、SINAMICS、SSP推进电机、水平回转电机以及用来模拟水动力负载的与推进电机相连的对拖电动机组成；软件系统主要由STEP7、SCOUT、PCAccess、Winccflexible等构成，通讯方式有PPI串行、ProfibusDP、Drive-CLIQ、以太网等网络通讯模式，该平台摒弃了采用传统的直流发电机一电阻箱、磁粉制动器等作为螺旋桨负载，而采用异步电机模拟测试负载，利用上位机对Sinamics进行控制就能达到模拟螺旋桨负载的目的，此时的异步电机处于再生制动状态，能量通过Simotion控制系统回馈校园电网，节约了能量。
其控制过程如下：
首先将车钟速度指令信号n*和螺旋桨转速反馈信号n的偏差信号送至高阶MFAC控制器，高阶MFAC控制器的输出为转矩给定指令值经计算得到转矩电流给定值速度环具有增强SSP推进电机系统抗负载扰动能力；
电流环为双环结构，检测到的定子三相电流ia、ib、ic在经过Clark变换和Park变换后，得到电流检测反馈信号，电流转矩分量和电流励磁分量给定值分别与实际值id、id相比较，然后经两个电流环PI控制器，输出交直流电压值之后经过Park-1坐标变换，生成α-β坐标系的电压值
在经过空间电压矢量脉宽调制模块(SVPWM)后，合成为一个电压矢量，作为三相逆变器驱动控制信号，产生频率和幅值可变的三相正弦电流ia、ib、ic，用以驱动推进电机定子。
综上，本发明将高阶无模型自适应控制的基本思想和分析手段引入到矢量控制过程中，提出了船舶吊舱SSP推进电机的高阶无模型自适应矢量控制方法。无模型自适应控制理论是侯忠生教授提出的一种新的非参数动态线性化方法，目前已在各个领域得到了广泛的应用。无模型自适应控制是一种新型的数据驱动控制方法，它摆脱了对受控系统数学模型的依赖及未建模动态对控制系统的影响，仅用系统的I/O数据设计控制器，并且无模型自适应控制的计算量很小，响应速度快。通过对船舶吊舱SSP推进电机的离散时间系统描述，引入“伪偏导数”概念，提出了相应的动态线性化定理，并利用最优技术设计了SSP推进电机的无模型自适应矢量控制方案。进一步，从理论上来看，如果借鉴高阶学习律的基本思想，设计一个新的控制输入准则函数，就可以充分利用更多船舶航行过程中的控制信息，而控制器的设计将会更加灵活，由此可以进一步提高系统的控制性。本发明基于前期工作，提出了一种基于高阶无模型自适应矢量控制方法实现的船舶吊舱推进电机控制系统，并同时给出了所提出方法与自整定PI矢量控制的仿真比较结果，详细分析了不同航行及海况下的仿真情况，进一步验证了高阶无模型自适应矢量控制算法应用于船舶吊舱SSP推进电机控制系统的有效性，表明提出的控制器超调量小、动态响应快，并具有较强的抗干扰性和鲁棒性。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM，ReadOnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccessMemory)、磁盘或光盘等。另外，由于SiemensScout编程软件并未提供有关无模型自适应矢量控制的相关模块或函数语句，因此，在船舶电力推进控制系统中，高阶无模型自适应矢量控制基于Matlab来实现，通过建立Matlab与Excel的读写通道，应用西门子Scout软件的ST语言编程直接读写Excel中的数据，然后经过Sinamics控制系统驱动推进电机，以实现无模型自适应矢量控制算法在SIMOTION系统上的应用。
Claims (4)
1.一种针对船舶吊舱SSP推进器的高阶MFAC的方法，其特征在于，包括如下步骤：
先将车钟速度指令信号n*和螺旋桨转速反馈信号n的偏差信号送至无模型自适应矢量控制高阶MFAC控制器，高阶MFAC控制器的输出为转矩给定指令值经计算得到转矩电流给定值速度环具有增强SSP推进电机系统抗负载扰动能力；
电流环为双环结构，检测到的定子三相电流ia、ib、ic在经过Clark变换和Park变换后，得到电流检测反馈信号，电流转矩分量和电流励磁分量给定值分别与实际值id、iq相比较，然后经两个电流环PI控制器，输出交直流电压值之后经过Park-1坐标变换，生成α-β坐标系的电压值
在经过空间电压矢量脉宽调制模块(SVPWM)后，合成为一个电压矢量，作为三相逆变器驱动控制信号，产生频率和幅值可变的三相正弦电流ia、ib、ic，用以驱动推进电机定子。
2.一种针对船舶吊舱SSP推进器的高阶MFAC的系统，其特征在于：速度外环由高阶MFAC控制器构成，用来生成期望的交轴参考电流内环电流调节仍由PI控制器实现，生成旋转坐标系下的两个电压分量ud和uq，速度及转矩反馈值由STF观测器获得。
3.如权利要求2所述的针对船舶吊舱SSP推进器的高阶MFAC的系统，其特征在于：所述STF观测器中的STF算法通过S-function函数实现。
4.如权利要求3所述的针对船舶吊舱SSP推进器的高阶MFAC的系统，其特征在于：所述系统的伪偏导数通过新型参数估计算法，根据推进电机控制中给出的永磁同步电机非线性系统模型的输入输出信息在线导出。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20160106 |