摘 要

自电机问世以来，其在社会生产生活中起到了越来越重要的作用，大到国防、航空工业领域，小到家用电器，都可以看到电机的身影。随着矢量控制技术的发展，使得原本复杂的交流异步电动机的控制过程得到了极大的简化。而在矢量控制系统中，控制器的参数对于控制效果的影响非常大，往往人们都是根据经验来设置控制器参数，但是人工整定费时费力，效果也不稳定，因此，设计一种控制器参数在线自整定的算法就非常有必要了。

本文设计了一种以ISE为指标，基于梯度搜索即最速下降法的PI控制器参数在线自整定算法，梯度法原理简单，效果明显，而且十分适合在线整定。

本次设计中需要对矢量控制系统速度环PI控制器参数Kp，Ki进行在线自整定，从而使系统得到更好的动态响应。整定过程分为采样部分，整定部分和输出部分。采样部分利用指定数据长度的采样窗口，对转速误差进行实时采集，并对窗口内的误差依ISE公式计算，同时采样窗以系统采样频率为基准进行移动，使窗口能实时跟随最新采样结果；整定部分利用采样部分的数据通过梯度搜索法计算出待整定参数的梯度，并向负梯度方向对控制器参数Kp，Ki进行整定，得到更新后的控制器参数Kp，Ki值；输出部分按照指定的收敛精度，判断是否需要对控制器参数Kp，Ki进行更新，当满足精度要求时不更新数据。

本文在MATLAB/Simulink中对所设计的算法进行了编程，搭建了交流异步电机矢量控制PI参数在线自整定模型，检验了所设计的参数自整定算法的有效性。

关键词：矢量控制；交流异步电机；控制器；在线自整定

Abstract

Since the advent of the motor, it has played an increasingly important role in life. Whether in the defense industry and aviation industry, or household appliances, you can see the motor .With the development of vector control technology, the control process of the original AC asynchronous motor has been greatly simplified . In the vector control system, the parameters of the controller for the control effect is very large, often people are based on experience to set the controller parameters, but the manual operation will be a waste of time, and the effect is not stable ,therefore, it is necessary to design an algorithm for online self-tuning of controller parameters.

In this paper, an on-line self-tuning algorithm for PI controller parameters based on gradient search and ISE is proposed. The gradient method is simple and effective, and it is very suitable for online setting.

In this design, the vector control system speed loop PI controller parameters Kp, Ki need to be online self-tuning, so that the system to get a better dynamic response. The setting process is divided into sampling part, setting part and output part. The sampling part realizes the deviation by using the sampling window with the specified data length, and calculates the deviation according to ISE in the window, and the sampling window moves with the sampling frequency of the system so that the window can follow the latest sampling result in real time; The tuning part uses the data of the sampling part to calculate the gradient by the gradient search method and searches the controller parameters Kp and Ki according to the algorithm in the inverse gradient direction to obtain the updated controller parameters Kp and Ki values. The output section determines whether the controller parameters Kp and Ki need to be updated according to the specified convergence accuracy and does not update the data when the accuracy requirements are met.

In this paper, the algorithm is programmed in MATLAB / Simulink, and the on-line self-tuning model of PI parameters of AC induction motor is established, and the effectiveness of the proposed parameter self-tuning algorithm is proved.

Key Words：Vector control；AC induction motor；Controller；Online self-tuning

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究的目的与意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 交流电动机矢量控制技术概述 1

1.2.2 控制器参数自整定方法研究概述 2

1.3 研究的基本内容及论文结构安排 4

1.3.1 研究的基本内容 4

1.3.2 论文结构安排 4

第2章 交流异步电动机矢量控制原理研究 6

2.1 异步电动机三相坐标系模型 6

2.1.1 稳态等效电路 6

2.1.2 动态数学模型 8

2.2 异步电动机两相坐标系模型 10

2.2.1 坐标变换 10

2.2.2 静止坐标系下的数学模型 11

2.2.3 同步旋转坐标系下的数学模型 12

2.3 矢量控制原理 12

2.3.1 转子磁链定向的矢量控制基本原理 12

2.3.2 矢量控制特点 14

2.4 本章小结 14

第3章 PI控制器参数在线自整定算法设计 15

3.1 PI参数整定基本准则 15

3.1.1 参数整定原则 15

3.1.2 与系统响应相关的几种综合性能指标 15

3.2 参数整定算法基本原理 16

3.2.1 常用整定方法概述 16

3.2.2 梯度搜索参数自整定原理 17

3.3 算法方案设计与实现 18

3.4 本章小结 20

第4章 交流异步电动机矢量控制参数自整定系统仿真 21

4.1 Simulink仿真软件简介 21

4.2 仿真设计 21

4.2.1 异步电机模型 21

4.2.2 结合整定算法进行仿真 23

4.3 本章小结 28

第5章 总结与展望 29

5.1 总结分析 29

5.2 研究展望 29

参考文献 30

致 谢 32

第1章 绪论

1.1 研究的目的与意义

在现代社会，电机应用于社会生产生活中的各个领域，推动了社会的发展和生活水平的提高。异步电动机具有结构简单、制造容易、维修工作量小等优点^[32]。由于控制比较麻烦，初期异步电机的应用有限，随着现代电力拖动控制系统的发展，各种电力电子器件的诞生，感应电机也逐渐被广泛应用在各个场合^[1]。但是感应电机传动系统的控制结构和模型比直流电机麻烦得多，特别是高性能的交流传动，对控制系统的技术要求更高。复杂程度增加的主要原因在于这类系统需要频率可变的最佳功率变流器电源、交流电动机的复杂动态特性、电动机参数的变化以及对含有谐波的反馈信号的处理^[2]。通过应用针对感应电机的传动调速技术，如矢量控制或磁场定向控制技术等，交流电机相对于直流电机控制结构复杂的劣势会得到些许弥补。可以预见，未来将会有越来越多的交流电机采用交流传动技术应用于各种场合。

在交流异步电动机控制系统中，对控制器的选择依然广泛采用PI控制器，虽然传统PI控制器参数人工整定繁杂，但是该控制方案使用简单方便经济，具备一定程度上的抗干扰能力。目前，在实际工程应用中，为克服人工整定PI控制器参数缺陷，通常利用参数整定算法例如混沌粒子群算法，遗传算法，神经网络算法，梯度搜索算法等对PI控制器进行参数在线自整定，使控制系统的动态控制效果得到提升^[29]。