一种智能阀门电动执行机构的控制系统构建方法与流程

技术特征：
1.一种智能阀门电动执行机构的控制系统构建方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、建立基于电流环、速度环、位置环的三环控制系统；步骤2、采用变增益系数的mras对系统转动惯量进行在线辨识，以转动惯量作为观测器的输入对系统负载转矩进行在线观测，根据观测结果对系统控制器参数进行整定；步骤3、通过温度检测电路监测转子时间常数变化，根据转子时间常数与电磁转矩的关系，针对温度对控制系统负载转矩观测造成的误差，进行温度补偿。2.根据权利要求1所述的智能阀门电动执行机构的控制系统构建方法，其特征在于，步骤1所述的建立基于电流环、速度环、位置环的三环控制系统，具体如下：步骤1.1、将电流环作为控制系统最内环，实时跟踪给定电流，同时抑制系统直流母线电压的波动以及系统的转矩脉动，减弱反电动势给系统带来的干扰；步骤1.2、将速度环作为控制系统中间环，实现对给定速度的跟踪，并对干扰系统运行的负载扰动进行抑制；步骤1.3、将位置环作为控制系统最外环，对电机进行变速调节，同时对阀门位置进行控制。3.根据权利要求2所述的智能阀门电动执行机构的控制系统构建方法，其特征在于，步骤1.3所述的将位置环作为控制系统最外环，对电机进行变速调节，同时对阀门位置进行控制，具体如下：位置环控制器采用基于新型趋近律的滑模控制器，将目标位置作为位置环控制器的输入，根据目标位置和当前位置的偏差计算参考转速，实时调节速度环的输入转速，使得实际转速跟踪参考转速，随着当前位置逼近目标位置，参考转速和实际转速都趋于零；将目标位置与实际位置反馈值的偏差量作为控制量，得到：其中，x1，x2为切换函数的输入参数，θ
ref
为目标位置，θ
m
为实际位置；取滑模面：s＝cx1 cx2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)其中，s为滑模面、c为切换函数中的系数；将式(1)代入式(2)得：对式(3)进行求导，并建立滑模面和趋近律之间的联系，进而得到：其中，t为时间，ε、k为指数趋近律中的系数，根据系统需要确定；根据目标位置和当前位置的偏差得到速度环中的转速指令，根据式(4)，得到速度环指令为：
其中ω
ref
为输入给速度环的给定转速。4.根据权利要求1所述的智能阀门电动执行机构的控制系统构建方法，其特征在于，步骤2所述的采用变增益系数的mras对系统转动惯量进行在线辨识，以转动惯量作为观测器的输入对系统负载转矩进行在线观测，根据观测结果对系统控制器参数进行整定，具体如下：步骤2.1、采用结合变增益系数的mras模型，参考自适应算法和负载转矩观测器的混合观测模型，对系统的转动惯量进行在线辨识；步骤2.2、将转动惯量作为负载转矩观测器的输入，建立降阶负载转矩观测器的观测方程，实时观测系统的负载转矩；步骤2.3、建立系统转动惯量与控制器参数的函数关系，将转动惯量的辨识结果用于实时调节速度环控制器参数，实现pi参数的自整定，将负载转矩的观测结果用于给转矩电流进行前馈补偿。5.根据权利要求4所述的智能阀门电动执行机构的控制系统构建方法，其特征在于，步骤2.1所述采用结合变增益系数的mras模型，参考自适应算法和负载转矩观测器的混合观测模型，对系统的转动惯量进行在线辨识，具体如下：根据参考模型的结构，构建参数可变的自适应模型，用参考模型和自适应模型的误差，调整可调模型的可变参数，直至两者的输出误差最小；异步电机的机械运动学方程为：其中，ω
m
为转子机械角速度；j为电机的负载转矩惯量；b
m
为粘滞摩擦系数；t
e
为电磁转矩；t
l
为负载转矩；t为时间；忽略粘滞摩擦项，得到运动学方程的离散化差分方程为：忽略粘滞摩擦项，得到运动学方程的离散化差分方程为：式中，t
s
为控制算法采样时间；k、k-1、k-2为采样时刻；在一个采样周期内，负载转矩不变：t
l
(k-1)＝t
l
(k-2)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)由式(7)、式(8)得到参考模型：ω
m
(k)＝2*ω
m
(k-1) b*δt
e
(k-1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)其中，b为辨识参数、δt
e
(k-1)为k-1时刻与k-2时刻电磁转矩的差值；根据参考模型，构建自适应模型如下：其中为实际速度的估计值；为待辨识参数；δt
e
(k-1)＝[t
e
(k-1)-t
e
(k-2)]；为系统辨识出的转动惯量，δt
e
(k-1)为k-1时刻与k-2时刻电磁转矩的差
值；参考模型和可调模型输出的偏差δω
m
(k)为：根据landau提出的离散时间迭代参数辨识机制，设计自适应算法如下：式中，β为自适应的增益；b(k)、b(k-1)分别为k与k-1时刻系统的辨识参数；β＝β
min
[e(j)]2*β
max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)式(14)中，β
max
为在转动惯量辨识算法收敛情况下，系统收敛速度最快时自适应增益系数的取值；β
min
为在转动惯量辨识算法收敛情况下，辨识精度最高时的取值；e(j)为转动惯量实际值与辨识结果的偏差值。6.根据权利要求4所述的智能阀门电动执行机构的控制系统构建方法，其特征在于，步骤2.2所述将转动惯量作为负载转矩观测器的输入，建立降阶负载转矩观测器的观测方程，实时观测系统的负载转矩，具体如下：异步电机的机械运动学方程为：其中，ω
m
为转子机械角速度；j为电机的负载转矩惯量；b
m
为粘滞摩擦系数；t
e
为电磁转矩；t
l
为负载转矩；t为时间；负载转矩观测器用来估计未知的负载转矩t
l
；在采样周期内认为负载转矩为恒定值：根据式(15)、式(16)，得到如下的系统状态方程：其中：其中：根据式(17)，得到降阶的负载转矩观测器如下：
其中：式中，为被估计的状态变量，k为状态反馈增益矩阵，k1、k2为系数；由式(17)、式(18)得到观测器的系统状态误差方程为：其中，为状态误差矢量；系统的特征多项式f(λ)为：其中，λ为系数，i为单位矩阵；将状态方程的期望极点设计在负实轴上：λ
2-(α β) β＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(21)其中，α和β为状态方程的极点；根据式(20)、式(21)得到反馈增益矩阵：由式(18)得到负载转矩观测器离散化的差分方程：其中k、k 1为采样时刻，t
s
为采样时间，分别为k 1、k时刻的转速估计值，分别为k 1、k时刻的负载转矩估计值；ω
m
(k)为k时刻转子机械角速度；采用磁场定向矢量控制的异步电机，电磁转矩t
e
与转矩电流i
sq
的关系如下：其中n
p
为极对数，l
m
为定转子互感，l
r
为转子自感、ψ
r
转子磁链；当电机运行在恒定转速ω
m1
时，对应的q轴电流平均值为i
sq1
，由式(15)得：k*i
sq1-t
l-b
m
*ω
m1
＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(25)
当电机运行在恒定转速ω
m2
时，对应的q轴电流平均值为i
sq2
，由式(15)得：k*i
sq2-t
l-b
m
*ω
m2
＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(26)由式(25)、式(26)得不包含扰动转矩误差的负载转矩计算如下：由转动惯量和粘滞摩擦系数的误差引起的扰动转矩误差定义如下：采用mit自适应率参数辨识，得到转动惯量的辨识方程和粘滞摩擦系数的辨识方程如下：j(k 1)＝γ
j
*t
dis
*(ω
m
(k)-ω
m
(k-1)) j(k)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(29)b(k 1)＝t
dis
*γ
b
*t
dis
*ω
m
(k) b(k)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(30)式中，γ
j
为转动惯量调整率；γ
b
为粘滞摩擦系数调整率。7.根据权利要求4所述的智能阀门电动执行机构的控制系统构建方法，其特征在于，步骤2.3所述建立系统转动惯量与控制器参数的函数关系，将转动惯量的辨识结果用于实时调节速度环控制器参数，实现pi参数的自整定，将负载转矩的观测结果用于给转矩电流进行前馈补偿，具体如下：系统速度环控制器参数与转动惯量的函数关系为：式(31)中，k
t
为转矩常数，t
i
为电流环的等效时间常数；速度环pi调节器的k
p
、k
i
都与系统的转动惯量j成正比，控制系统实时辨识转动惯量及负载转矩，其中转动惯量用于实现速度环pi的参数自整定，负载转矩用于给转矩电流进行前馈补偿。8.根据权利要求1所述的智能阀门电动执行机构的控制系统构建方法，其特征在于，步骤3所述的通过温度检测电路监测转子时间常数变化，根据转子时间常数与电磁转矩的关系，针对温度对控制系统负载转矩观测造成的误差，进行温度补偿，具体如下：步骤3.1、分析转子时间常数与电动执行机构电磁转矩的函数关系；步骤3.2、建立转子时间常数与定子温度间的函数关系，根据转子时间常数的变化修正电磁转矩，对控制系统的负载转矩观测结果进行修正。9.根据权利要求8所述的智能阀门电动执行机构的控制系统构建方法，其特征在于，步骤3.1所述的分析转子时间常数与电动执行机构电磁转矩的函数关系，具体如下：电动执行机构的电磁转矩t
e
为：式中n
p
为极对数，l
m
为气隙漏感，i
d
为励磁电流分量，ψ
r
为磁链，l
r
为转子电感；转子时间常数变化时，电磁转矩变化：
式中t
r
为转子时间常数，i
q
为转矩电流分量；t
e
'为实际温度下的电磁转矩；t
e
为电磁转矩理论值；l'
m
、l'
r
、i'
q
、ψ'
r
分别为实际温度下的气隙漏感、转子电感、励磁电流分量、磁链；令：根据定转子的电压方程，将式(7)简化为：其中i'
d
为实际温度下的转矩电流分量，t
r
为转子时间常数，t'
r
为实际温度下的转子时间常数；令当α
→
0时，电磁转矩与转矩时间常数成正比；当α
→
∞时，电磁转矩与转矩时间常数成反比。10.根据权利要求8所述的智能阀门电动执行机构的控制系统构建方法，其特征在于，步骤3.2所述的建立转子时间常数与定子温度间的函数关系，根据转子时间常数的变化修正电磁转矩，对控制系统的负载转矩观测结果进行修正，具体如下：步骤3.2.1、测量异步电机定转子的温度数值，采用曲线拟合的方式，得到定转子温度的函数关系：t
转子
＝f1(t
定子
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(35)其中t
转子
、t
定子
为测量得到的异步电机转子、定子温度；f1为定转子温度之间的函数关系；步骤3.2.2、转子电阻会随着温度的变化而发生变化，转子电阻的变化引起转子时间常数的变化，设定转子时间常数与转子温度的变化关系为：t
r
＝f2(t
转子
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(36)其中t
r
、f2为转子时间常数与转子温度的函数关系，t
转子
为测量得到的异步电机转子的温度数值；步骤3.2.3、由式(35)和式(36)得转子时间常数与定子温度之间的关系：t
r
＝f2(f1(t
定子
))
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(37)步骤3.2.4、设定定转子温度的函数关系为：t
转子
＝f1(t
定子
) δf1(t
定子
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(38)式中δf1(t
定子
)是定转子温度函数关系的偏差；则转子时间常数表示为：t
r
＝f2(f1(t
定子
) δf1(t
定子
))＝f2[f1(t
定子
)] δf2(t
定子
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(39)式(39)中：δf2(t
定子
)是定转子温度函数关系的偏差；
当δf2(t
定子
)＞0时：引起理论计算的转子时间常数偏大，即控制系统用的转子时间常数比电机实际的转子时间常数大；当δf2(t
定子
)＜0时：引起理论计算的转子时间常数偏小，即控制系统用的转子时间常数比电机实际的转子时间常数小；步骤3.2.5、根据转子时间常数与电磁转矩的函数关系，对电磁转矩进行修正。

技术总结
本发明公开了一种智能阀门电动执行机构的控制系统构建方法。该方法为：建立基于电流环、速度环、位置环的三环控制系统，将电流环、速度环、位置环分别作为控制系统的最内环、中间环、最外环；采用变增益系数的MRAS对系统转动惯量进行在线辨识，以转动惯量作为观测器的输入对系统负载转矩进行在线观测，根据观测结果对系统控制器参数进行整定；通过温度检测电路监测转子时间常数变化，根据转子时间常数与电磁转矩的关系，针对温度对控制系统负载转矩观测造成的误差，进行温度补偿。本发明提高了智能阀门电动执行机构的定位精度、控制灵敏度以及稳定性。以及稳定性。以及稳定性。


技术研发人员：胡文斌 杜梦婷 哈进兵 吕建国 王阳 瞿仁杰
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：2020.02.28
技术公布日：2021/9/16