基于改进非奇异终端滑模算法的交流伺服系统控制策略研究

作     者：冯斯玥 

作者单位：北京化工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李大字

授予年度：2024年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 0835[工学-软件工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：永磁同步电机 不匹配干扰 非奇异快速终端滑模控制 滑模趋近律 干扰观测器 

摘      要：随着科技的迅速发展,交流伺服控制系统已广泛应用于多种高科技领域。其中,永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)作为交流伺服电机的代表,凭借其结构精简、高效能以及高可靠性等特点,在电力驱动、医疗设备以及航空航天等领域占据重要地位。然而,PMSM系统本质上具有非线性、时变性和复杂性,且经常受到外部干扰和参数摄动的影响。当这些扰动不满足匹配条件时,系统控制性能将受到较为严重的影响。因此,本文针对PMSM调速控制系统在存在不匹配的参数摄动和外部干扰时会导致系统性能严重下降这一问题进行了相关研究,提出了一种改进的非奇异快速终端滑模控制方法,并与干扰观测器理论相结合,以提供有效解决方案。具体的研究内容如下: (1)在对包含匹配与不匹配扰动的PMSM调速控制系统进行建模的基础上,基于高阶滑模微分器原理构建了非线性干扰观测器(Nonlinear Disturbance Observer,NDO),以观测系统中的匹配和不匹配扰动。此外,针对传统非奇异快速终端滑模控制难以在提升收敛速度和抑制抖振之间取得平衡的问题,提出了一种新的能够根据滑模面函数和系统状态进行参数自适应调整的滑模趋近律。在此基础上,进一步设计了基于自适应滑模趋近律的改进非奇异快速终端滑模控制方法(Improved Non-singular Fast Terminal Sliding Mode Control,INFTSMC)。最终,将NDO的干扰观测值通过前馈补偿的方式引入INFTSMC中,构造了一种复合控制策略。仿真结果表明,该控制策略在PMSM系统存在不匹配干扰的情况下,不仅具有抑制抖振的特性,而且具有良好的动态响应性能、抗扰性以及对模型参数摄动的鲁棒性。 (2)针对基于高阶滑模微分器原理构造的NDO参数选取条件过于苛刻的缺点,提出了一种参数自适应更新的改进滑模干扰观测器(Adaptive Sliding-mode Disturbance Observer,ASDO)。该ASDO的参数能够根据系统状态等信息进行自适应调整,并且同样可以在扰动及其导数的上界均为未知的条件下进行观测。在此基础上,构造基于自适应滑模干扰观测器的改进非奇异快速终端滑模复合控制策略。仿真结果表明,该改进的控制策略能够进一步提升PMSM调速控制系统在存在不匹配干扰情况下的动态响应性能、对参数摄动的鲁棒性以及对外部干扰的抵抗能力,尤其是对时变干扰的抵抗性相较于上述基于NDO的复合控制策略更是有了较大提高。