基于极限学习机的永磁同步电机改进滑模控制方法及系统

本发明涉及永磁同步电机控制，尤其涉及基于极限学习机的永磁同步电机改进滑模控制方法及系统。

背景技术：

1、永磁同步电机具有功率密度高、运行效率高、结构紧凑以及动态响应速度快等特点，广泛应用于工业机器人、数控机床、电动汽车及高性能伺服驱动等场景。在实际运行过程中，永磁同步电机的参考转速、负载转矩及运行状态可能持续变化，并可能受到参数摄动和外部负载扰动等因素影响，因此对转速控制的动态响应、稳态精度及抗扰性能提出了较高要求。

2、现有永磁同步电机速度控制通常采用比例积分控制、滑模控制等方式，其中，滑模控制具有较强的鲁棒性，适用于存在参数摄动和外部扰动的电机控制场景。滑模控制的控制效果与相关控制参数的设置密切相关，固定参数方式通常根据预设工况进行整定，也可采用模糊控制、神经网络等方式根据电机运行状态对相关控制参数进行调节，以改善不同工况下的控制性能。

3、但是，当永磁同步电机的参考转速、负载状态或运行状态发生变化时，不同运行阶段对滑模控制参数的需求存在差异。因此，如何提高永磁同步电机滑模控制参数对不同运行状态的适应能力，是现有技术中需要解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明实施例提供基于极限学习机的永磁同步电机改进滑模控制方法及系统，能够解决永磁同步电机运行状态变化时滑模控制参数适应性不足的问题。

2、为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

3、第一方面，提供基于极限学习机的永磁同步电机改进滑模控制方法，所述方法包括：获取永磁同步电机的参考转速和实际转速，根据所述参考转速和所述实际转速确定运行状态特征；将所述运行状态特征输入预先训练的极限学习机进行参数映射，得到滑模面参数的目标控制参数、趋近律参数的目标控制参数和抗扰调节参数的目标控制参数；根据所述运行状态特征确定系统性能评价指标，并根据所述系统性能评价指标和所述运行状态特征所处的状态范围确定参数更新率；基于所述参数更新率，分别根据上一控制周期的滑模面参数及其目标控制参数、上一控制周期的趋近律参数及其目标控制参数、上一控制周期的抗扰调节参数及其目标控制参数进行参数更新，对应得到当前控制周期的滑模面参数、当前控制周期的趋近律参数和当前控制周期的抗扰调节参数；其中，当前控制周期的滑模面参数、当前控制周期的趋近律参数和当前控制周期的抗扰调节参数构成当前控制周期的滑模控制参数；根据所述运行状态特征和当前控制周期的滑模面参数构造滑模面，并根据所述滑模面和当前控制周期的抗扰调节参数更新自适应抗扰项增益；根据所述滑模面、当前控制周期的趋近律参数和更新后的自适应抗扰项增益构造改进趋近律，并根据永磁同步电机机械运动关系、所述滑模面和所述改进趋近律确定交轴参考电流；根据所述交轴参考电流对所述永磁同步电机进行闭环控制，得到更新后的实际转速。

4、本发明的有益效果是：通过将永磁同步电机的运行状态特征输入预先训练的极限学习机，分别得到滑模面参数的目标控制参数、趋近律参数的目标控制参数和抗扰调节参数的目标控制参数，并根据系统性能评价指标和运行状态特征所处的状态范围确定参数更新率，使上一控制周期的滑模面参数按照所述参数更新率向所述滑模面参数的目标控制参数更新、上一控制周期的趋近律参数按照所述参数更新率向所述趋近律参数的目标控制参数更新、上一控制周期的抗扰调节参数按照所述参数更新率向所述抗扰调节参数的目标控制参数更新，而不直接采用极限学习机输出替换上一控制周期的参数，从而减小相邻控制周期之间滑模控制参数的直接跳变；同时，根据当前控制周期的滑模面参数构造滑模面，利用所述滑模面和当前控制周期的抗扰调节参数更新自适应抗扰项增益，并结合当前控制周期的趋近律参数构造改进趋近律以确定交轴参考电流，使滑模控制参数和自适应抗扰项增益能够随永磁同步电机运行状态进行调节，并用于永磁同步电机闭环控制。

5、在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

6、在一种可能的实现方式中，所述将所述运行状态特征输入预先训练的极限学习机进行参数映射，得到滑模面参数的目标控制参数、趋近律参数的目标控制参数和抗扰调节参数的目标控制参数，包括：保持所述预先训练的极限学习机的网络参数不变，将所述运行状态特征输入所述预先训练的极限学习机进行前向计算，得到参数输出；根据所述参数输出确定滑模面积分增益的目标参数值、指数趋近项增益的目标参数值、等速趋近项增益的目标参数值、边界层厚度的目标参数值和自适应项系数的目标参数值；将所述滑模面积分增益的目标参数值确定为所述滑模面参数的目标控制参数，将所述指数趋近项增益的目标参数值、所述等速趋近项增益的目标参数值和所述边界层厚度的目标参数值确定为所述趋近律参数的目标控制参数，将所述自适应项系数的目标参数值确定为所述抗扰调节参数的目标控制参数。

7、本发明提供的方法通过在在线控制过程中保持预先训练的极限学习机的网络参数不变，并根据运行状态特征执行前向计算，使在线控制过程无需对极限学习机的网络参数进行迭代更新；同时，将参数输出分别确定为滑模面积分增益的目标参数值、指数趋近项增益的目标参数值、等速趋近项增益的目标参数值、边界层厚度的目标参数值和自适应项系数的目标参数值，并进一步形成滑模面参数的目标控制参数、趋近律参数的目标控制参数和抗扰调节参数的目标控制参数，从而为后续三类参数按照参数更新率进行更新提供明确的参数调整目标。

8、在一种可能的实现方式中，所述运行状态特征包括：实时转速误差、实时转速误差变化率和参考转速变化率；所述根据所述运行状态特征确定系统性能评价指标，包括：从所述运行状态特征中提取实时转速误差、实时转速误差变化率和参考转速变化率；根据所述实时转速误差、所述实时转速误差变化率和所述参考转速变化率构造所述系统性能评价指标。

9、本发明提供的方法通过将实际转速、参考转速、转速误差、转速误差变化率和参考转速变化率作为运行状态特征，并利用其中的转速误差、转速误差变化率和参考转速变化率构造系统性能评价指标，使所述系统性能评价指标同时反映实际转速相对于参考转速的偏离程度、转速误差的变化状态以及参考转速自身的变化状态，从而为运行状态特征所处状态范围的判定以及后续参数更新率的确定提供状态评价依据。

10、在一种可能的实现方式中，所述根据所述系统性能评价指标和所述运行状态特征所处的状态范围确定参数更新率，包括：

11、将所述实时转速误差分别与预设的转速误差动态状态条件和预设的转速误差稳定状态条件进行比较，并将所述实时转速误差变化率分别与预设的转速误差变化率动态状态条件和预设的转速误差变化率稳定状态条件进行比较，得到状态范围判定结果；根据所述状态范围判定结果，对上一控制周期的更新率增益系数进行增大处理或减小处理或保持处理，得到当前控制周期的更新率增益系数；根据当前控制周期的更新率增益系数和所述系统性能评价指标确定限幅前参数更新率，并对所述限幅前参数更新率进行范围约束，得到所述参数更新率。

12、本发明提供的方法通过分别比较转速误差与预设的转速误差动态状态条件、转速误差稳定状态条件，以及转速误差变化率与预设的转速误差变化率动态状态条件、转速误差变化率稳定状态条件，得到状态范围判定结果，并据此对上一控制周期的更新率增益系数进行增大处理、减小处理或保持处理，使当前控制周期的更新率增益系数能够随运行状态特征所处的状态范围变化；再结合系统性能评价指标确定限幅前参数更新率并进行范围约束，使参数更新率能够适应永磁同步电机的动态状态，同时避免参数更新率超出预设调节范围。

13、在一种可能的实现方式中，所述基于所述参数更新率，分别根据上一控制周期的滑模面参数及其目标控制参数、上一控制周期的趋近律参数及其目标控制参数、上一控制周期的抗扰调节参数及其目标控制参数进行参数更新，对应得到当前控制周期的滑模面参数、当前控制周期的趋近律参数和当前控制周期的抗扰调节参数，包括：确定上一控制周期的滑模面参数与其目标控制参数之间的滑模面参数差值，确定上一控制周期的趋近律参数与其目标控制参数之间的趋近律参数差值，并确定上一控制周期的抗扰调节参数与其目标控制参数之间的抗扰调节参数差值；根据所述参数更新率分别调节所述滑模面参数差值、所述趋近律参数差值和所述抗扰调节参数差值，得到滑模面参数变化量、趋近律参数变化量和抗扰调节参数变化量；根据所述滑模面参数变化量更新上一控制周期的滑模面参数，根据所述趋近律参数变化量更新上一控制周期的趋近律参数，并根据所述抗扰调节参数变化量更新上一控制周期的抗扰调节参数；对更新后的滑模面参数、更新后的趋近律参数和更新后的抗扰调节参数分别进行参数范围约束，得到包含滑模面积分增益、指数趋近项增益、等速趋近项增益、边界层厚度和自适应项系数的当前控制周期的滑模控制参数。

14、本发明提供的方法通过分别确定滑模面参数的目标控制参数与上一控制周期的滑模面参数之间的滑模面参数差值、趋近律参数的目标控制参数与上一控制周期的趋近律参数之间的趋近律参数差值以及抗扰调节参数的目标控制参数与上一控制周期的抗扰调节参数之间的抗扰调节参数差值，并利用参数更新率分别调节三类参数差值形成三类参数变化量，使滑模面参数、趋近律参数和抗扰调节参数按照受参数更新率控制的变化幅度进行更新，而非直接以目标控制参数替换上一控制周期的参数；再对更新后的三类参数分别进行参数范围约束，使当前控制周期的滑模控制参数保持在预设调节范围内。

15、在一种可能的实现方式中，所述运行状态特征包括：实时转速误差、实时转速误差变化率和实时转速误差积分值；所述根据所述运行状态特征和当前控制周期的滑模面参数构造滑模面，包括：从所述运行状态特征中提取实时转速误差、实时转速误差变化率和实时转速误差积分值；根据所述实时转速误差、所述实时转速误差变化率、所述实时转速误差积分值和当前控制周期的滑模面积分增益构造所述滑模面。

16、本发明提供的方法通过将转速误差、转速误差变化率和转速误差积分值共同引入滑模面，并采用当前控制周期的滑模面积分增益参与滑模面构造，使所述滑模面同时反映当前转速偏差、转速偏差变化状态和转速偏差累积状态，并使滑模面的积分作用由当前控制周期的滑模面积分增益进行调节，为后续根据滑模面状态更新自适应抗扰项增益以及构造改进趋近律提供状态量基础。

17、在一种可能的实现方式中，所述根据所述滑模面和当前控制周期的抗扰调节参数更新自适应抗扰项增益，包括：根据所述滑模面与预设滑模面区域的位置关系，确定滑模面区域判定结果；其中，所述滑模面区域判定结果包括区域外判定结果和区域内判定结果，所述区域外判定结果表征所述滑模面位于所述预设滑模面区域外，所述区域内判定结果表征所述滑模面位于所述预设滑模面区域内；当所述滑模面区域判定结果为所述区域外判定结果时，根据当前控制周期的自适应项系数和所述滑模面确定抗扰增益变化量，并根据所述抗扰增益变化量更新上一控制周期的自适应抗扰项增益，得到更新后的自适应抗扰项增益；当所述滑模面区域判定结果为所述区域内判定结果时，对上一控制周期的自适应抗扰项增益进行衰减，得到更新后的自适应抗扰项增益。

18、本发明提供的方法通过根据滑模面与预设滑模面区域的位置关系选择自适应抗扰项增益的更新方式，使滑模面位于预设滑模面区域外时，利用当前控制周期的自适应项系数和滑模面确定抗扰增益变化量并更新上一控制周期的自适应抗扰项增益，以增强滑模面偏离预设区域时的抗扰作用；当滑模面位于预设滑模面区域内时，对上一控制周期的自适应抗扰项增益进行衰减，以减少稳定阶段持续采用较大抗扰增益造成的控制量波动，从而使自适应抗扰项增益随滑模面区域判定结果进行切换调节。

19、在一种可能的实现方式中，所述根据所述滑模面、当前控制周期的趋近律参数和更新后的自适应抗扰项增益构造改进趋近律，并根据永磁同步电机机械运动关系、所述滑模面和所述改进趋近律确定交轴参考电流，包括：根据所述滑模面和当前控制周期的指数趋近项增益确定指数趋近项；根据所述滑模面和当前控制周期的边界层厚度确定连续饱和函数输出，并结合当前控制周期的等速趋近项增益确定等速趋近项；根据所述滑模面和更新后的自适应抗扰项增益确定自适应抗扰项；组合所述指数趋近项、等速趋近项和自适应抗扰项，得到所述改进趋近律；根据所述永磁同步电机机械运动关系、所述滑模面和所述改进趋近律求解，得到所述交轴参考电流。

20、本发明提供的方法通过采用连续饱和函数输出并结合当前控制周期的等速趋近项增益确定等速趋近项，使滑模面处于边界层范围内时等速趋近项能够随滑模面连续变化，减少不连续切换在滑模面附近引起的控制量变化；同时，将更新后的自适应抗扰项增益引入自适应抗扰项，并与指数趋近项、等速趋近项组合形成改进趋近律，使趋近控制作用和随滑模面状态变化的抗扰控制作用共同参与交轴参考电流的确定，从而将当前控制周期的趋近律参数和更新后的自适应抗扰项增益作用于永磁同步电机的闭环控制。

21、在一种可能的实现方式中，所述对更新后的滑模面参数、趋近律参数和抗扰调节参数分别进行参数范围约束，得到包含滑模面积分增益、指数趋近项增益、等速趋近项增益、边界层厚度和自适应项系数的当前控制周期的滑模控制参数，包括：获取滑模面扰动上界和等速趋近项的预设波动上限；根据当前控制周期的等速趋近项增益、所述滑模面扰动上界和所述预设波动上限确定边界层厚度下限；根据所述边界层厚度下限约束更新后的边界层厚度，并分别对更新后的滑模面积分增益、更新后的指数趋近项增益、更新后的等速趋近项增益和更新后的自适应项系数进行参数范围约束，得到所述当前控制周期的滑模控制参数。

22、本发明提供的方法通过利用当前控制周期的等速趋近项增益、滑模面扰动上界和等速趋近项的预设波动上限确定边界层厚度下限，并利用所述边界层厚度下限约束更新后的边界层厚度，使边界层厚度的下限与滑模面扰动可能引起的等速趋近项波动建立约束关系，从而限制边界层厚度过小导致的等速趋近项响应灵敏度增加；同时，分别对更新后的滑模面积分增益、指数趋近项增益、等速趋近项增益和自适应项系数进行参数范围约束，使当前控制周期的五项滑模控制参数处于预设调节范围内。

23、第二方面，本发明提供基于极限学习机的永磁同步电机改进滑模控制系统，所述系统包括：

24、运行状态确定模块，用于获取永磁同步电机的参考转速和实际转速，根据所述参考转速和所述实际转速确定运行状态特征；

25、目标参数生成模块，用于将所述运行状态特征输入预先训练的极限学习机进行参数映射，得到滑模面参数的目标控制参数、趋近律参数的目标控制参数和抗扰调节参数的目标控制参数；

26、更新率确定模块，用于根据所述运行状态特征确定系统性能评价指标，并根据所述系统性能评价指标和所述运行状态特征所处的状态范围确定参数更新率；

27、参数更新模块，用于基于所述参数更新率，分别根据上一控制周期的滑模面参数及其目标控制参数、上一控制周期的趋近律参数及其目标控制参数、上一控制周期的抗扰调节参数及其目标控制参数进行参数更新，对应得到当前控制周期的滑模面参数、当前控制周期的趋近律参数和当前控制周期的抗扰调节参数；其中，当前控制周期的滑模面参数、当前控制周期的趋近律参数和当前控制周期的抗扰调节参数构成当前控制周期的滑模控制参数；

28、滑模状态处理模块，用于根据所述运行状态特征和当前控制周期的滑模面参数构造滑模面，并根据所述滑模面和当前控制周期的抗扰调节参数更新自适应抗扰项增益；

29、控制量确定模块，用于根据所述滑模面、当前控制周期的趋近律参数和更新后的自适应抗扰项增益构造改进趋近律，并根据永磁同步电机机械运动关系、所述滑模面和所述改进趋近律确定交轴参考电流；

30、闭环控制模块，用于根据所述交轴参考电流对所述永磁同步电机进行闭环控制，得到更新后的实际转速。

31、本发明第二方面的有益效果可参考上述第一方面及其任一种可能的实现方式中的有益效果，此处不再赘述。