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基于自抗擾控制器的交流位置伺服系統(tǒng)

2011-06-21 08:33:02滕福林胡育文李宏勝葛紅宇
電氣傳動(dòng) 2011年11期
關(guān)鍵詞:慣量伺服系統(tǒng)調(diào)節(jié)器

滕福林,胡育文,李宏勝,葛紅宇

(1.南京工程學(xué)院 自動(dòng)化學(xué)院,江蘇 南京211167;2.南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院,江蘇 南京210016)

1 引言

PMSM交流位置伺服系統(tǒng)需求非常廣泛,是目前的一個(gè)研究熱點(diǎn)。PMSM在系統(tǒng)運(yùn)行期間電機(jī)參數(shù)發(fā)生的變化,負(fù)載的變動(dòng),以及控制模型中的非線性因素,這些未知擾動(dòng)會(huì)對(duì)伺服控制性能產(chǎn)生影響。高性能的交流位置伺服系統(tǒng),必須對(duì)系統(tǒng)的已知擾動(dòng)和未知擾動(dòng)都具有很強(qiáng)的魯棒性。

傳統(tǒng)交流位置伺服系統(tǒng)采用PID調(diào)節(jié)器,控制簡單容易。但PID調(diào)節(jié)器仍然是線性控制器,伺服系統(tǒng)抗干擾性能力不強(qiáng)?,F(xiàn)在也有很多種非線性控制策略在PMSM控制中有所應(yīng)用。自適應(yīng)控制[1]、變結(jié)構(gòu)控制[2]、模糊控制[3]等設(shè)計(jì)的條件是對(duì)象模型和擾動(dòng)模型已知?;谶z傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制策略不依賴于對(duì)象模型和擾動(dòng)模型,對(duì)未知擾動(dòng)具有較強(qiáng)魯棒性,但實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜,應(yīng)用困難。

ADRC 控制器[4-5]不依賴于擾動(dòng)模型,對(duì)系統(tǒng)總擾動(dòng)具有很強(qiáng)的魯棒性,實(shí)現(xiàn)方法簡單。AD-RC控制器在無刷直流電機(jī)調(diào)速[6]、異步電機(jī)調(diào)速[7]、同步電機(jī)調(diào)速[8]中都有應(yīng)用。本文通過仿真和實(shí)驗(yàn)嘗試將ADRC控制器應(yīng)用到PMSM交流位置伺服系統(tǒng)中。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,相同控制對(duì)象,當(dāng)PMSM的位置環(huán)調(diào)節(jié)器采用ADRC控制器代替PID控制器后,系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能,系統(tǒng)對(duì)電機(jī)電阻、電感、轉(zhuǎn)子慣量變化以及負(fù)載擾動(dòng)的魯棒性都更為優(yōu)良。

2 自抗擾控制器

PID控制器的優(yōu)點(diǎn)是通過控制目標(biāo)值和實(shí)際值之間的誤差來確定消除此誤差的控制策略,缺點(diǎn)是直接由目標(biāo)信號(hào)和反饋信號(hào)作差求取誤差的方法會(huì)造成很大的初始誤差,容易形成超調(diào);由誤差直接求取微分信號(hào),會(huì)引入噪聲干擾;加權(quán)和策略不是最優(yōu)的PID組合方式。ADRC是由跟蹤微分器TD、擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器ESO和非線性狀態(tài)誤差反饋律NLSEF共同組成的。

ADRC不僅繼承了PID的優(yōu)點(diǎn),ADRC還可以為目標(biāo)信號(hào)安排合適的過渡過程;合理提取微分信號(hào);實(shí)現(xiàn)PID非線性組合;利用擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器對(duì)系統(tǒng)總擾動(dòng)進(jìn)行估計(jì)和補(bǔ)償?shù)取?/p>

TD根據(jù)被控對(duì)象的承受能力,對(duì)目標(biāo)信號(hào)安排合適的過渡過程,同時(shí)提供一階導(dǎo)數(shù)的動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)。過渡過程及其微分作為NLSEF的輸入信號(hào)。過渡過程避免了跟蹤誤差的劇烈變化,從而解決了PID控制中快速性和超調(diào)之間矛盾。TD輸出的過渡過程及最優(yōu)綜合函數(shù)sat分別如下式:

式中:z11為過渡過程信號(hào);z12為z11的一階導(dǎo)數(shù);r為過渡過程跟蹤目標(biāo)信號(hào)快慢系數(shù);k為線性區(qū)長度。

ADRC的核心部分是擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器ESO。與經(jīng)典狀態(tài)觀測(cè)器不同,ESO把系統(tǒng)建模、建模動(dòng)態(tài)和外部擾動(dòng)同等考慮,ESO估計(jì)出擾動(dòng)實(shí)時(shí)作用量,并反饋到ADRC控制器的輸出中,利用“非光滑反饋效應(yīng)”來抑制未知擾動(dòng)的作用,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)擾動(dòng)的補(bǔ)償。ESO把未知擾動(dòng)用非線性狀態(tài)反饋化為“積分串聯(lián)型”,實(shí)現(xiàn)對(duì)非線性不確定對(duì)象的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)線性化,對(duì)一個(gè)較寬范圍內(nèi)的對(duì)象具有良好的適應(yīng)性和魯棒性。ESO進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)的方程與非線性函數(shù)fal分別如下式:

式中:e為跟蹤誤差的估計(jì)值;y為被控對(duì)象的輸出值;z21為y的估計(jì)值;z22為z21的微分信號(hào);z23為系統(tǒng)擾動(dòng)的估計(jì)值;β01,β02,β03分別為 ESO 的微分、比例和積分系數(shù);α1,α2分別為2個(gè)非線性函數(shù)的形狀參數(shù);δ為線性區(qū)長度;u(t)為ADRC輸出的實(shí)時(shí)值;b為擾動(dòng)補(bǔ)償系數(shù),是所有參數(shù)唯一一個(gè)與被控對(duì)象有關(guān)的參數(shù)。

把系統(tǒng)化為積分器串聯(lián)型后,就能對(duì)系統(tǒng)的輸入和反饋采用非線性狀態(tài)誤差反饋(NLSEF)來設(shè)計(jì)出理想的控制器。由于ESO能估計(jì)未知擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)模型的實(shí)時(shí)作用并加以補(bǔ)償,線性設(shè)計(jì)中內(nèi)模原理不再必要,在常值擾動(dòng)下為消除靜態(tài)誤差而采用的積分器就不再必要了。根據(jù)系統(tǒng)反饋,ESO同時(shí)估計(jì)出系統(tǒng)的實(shí)時(shí)值及其微分。TD的輸出作為輸入,ESO的輸出作為反饋,利用加權(quán)和線性組合就可以構(gòu)成比例微分調(diào)節(jié)器。這種途徑提取的微分信號(hào),不是放大了噪聲干擾,而是抑制噪聲干擾。此時(shí)的調(diào)節(jié)器已具有很好的效果。再利用非線性函數(shù)fal把這種加權(quán)和形式改造為非線性組合,形成非線性PD調(diào)節(jié)器。調(diào)整fal中決定非線性形狀的參數(shù)α<1,則調(diào)節(jié)器具有“大誤差小增益,小誤差大增益”的特性,減小了系統(tǒng)超調(diào)并改善了動(dòng)態(tài)特性,提高了系統(tǒng)的控制精度。NLSEF實(shí)現(xiàn)非線性控制的過程如下式:

式中:e1,e2,u0分別為 NLSEF的輸入、輸入微分和輸出;β1,β2分別為比例和微分系數(shù);αp,αd分別為比例和微分的非線性函數(shù)形狀參數(shù)。

對(duì)以上關(guān)于ADRC介紹進(jìn)行總結(jié)后,得到結(jié)論:ADRC控制器的本質(zhì)是設(shè)計(jì)一個(gè)非線性PD調(diào)節(jié)器并對(duì)擾動(dòng)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。

3 基于ADRC的交流位置伺服系統(tǒng)

高性能位置伺服系統(tǒng)要求無穩(wěn)態(tài)誤差,快速響應(yīng)并且無位置超調(diào),同時(shí)必須對(duì)系統(tǒng)的擾動(dòng)具有較強(qiáng)的魯棒性。

前面分析中,ADRC的TD解決了系統(tǒng)快速性和超調(diào)之間的矛盾,對(duì)要求快速響應(yīng)且無位置超調(diào)的位置伺服控制器設(shè)計(jì)尤為適用;ESO可以實(shí)現(xiàn)對(duì)擾動(dòng)的觀測(cè)和補(bǔ)償;NLSEF實(shí)現(xiàn)了非線性PID控制。從理論上看,ADRC可以提高位置伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和魯棒性能。

利用ADRC控制器設(shè)計(jì)位置伺服系統(tǒng),應(yīng)該采用怎樣的控制結(jié)構(gòu)呢?首先分析控制對(duì)象的特性。采用id=0的矢量控制策略,根據(jù)PMSM的運(yùn)動(dòng)方程可以推出被控對(duì)象的狀態(tài)方程為

式中:θ為轉(zhuǎn)子實(shí)際位置;JΔ為轉(zhuǎn)子慣量;B為摩擦系數(shù);ωr為轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度;pn為電機(jī)極對(duì)數(shù);TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩;Ψf為轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì);iq為轉(zhuǎn)矩電流;w(t)為未知擾動(dòng)。

由式(6)可以看出轉(zhuǎn)子實(shí)際位置的變化規(guī)律,從而得到被控對(duì)象的輸入信號(hào)為轉(zhuǎn)矩電流參考值i*q,輸出信號(hào)為轉(zhuǎn)子實(shí)際位置信號(hào)θ。該被控對(duì)象為二階系統(tǒng),利用ADRC設(shè)計(jì)位置伺服系統(tǒng)就是設(shè)計(jì)二階系統(tǒng)的自抗擾控制器。

設(shè)系統(tǒng)的已知擾動(dòng)為f0(θ,ωr,t)=-[TL/JΔ+Bωr/JΔ],未知擾動(dòng)為f1(θ,ωr,t)=-w(t)。令A(yù)DRC的輸入信號(hào)為x=θ*,輸出信號(hào)為u(t)=i*q,反饋信號(hào)為y=θ,擾動(dòng)補(bǔ)償系數(shù)b=1.5pnΨf/JΔ,采用ADRC設(shè)計(jì)的位置閉環(huán)非線性PID調(diào)節(jié)器,得到了基于ADRC的位置和電流兩閉環(huán)結(jié)構(gòu)的位置伺服系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖,如圖1所示。

圖1 基于ADRC的位置伺服系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Control diagram of position servo system based on ADRC

傳統(tǒng)位置伺服系統(tǒng)的電流環(huán)調(diào)節(jié)器ACR采用PI調(diào)節(jié)器,一般為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩的性能,都增加電流濾波環(huán)節(jié)1/(Tis+1)。為了和傳統(tǒng)位置伺服系統(tǒng)作對(duì)比,基于ADRC的位置伺服系統(tǒng)中,電流環(huán)的設(shè)計(jì)不變。

4 仿真結(jié)果

為了驗(yàn)證ADRC在PMSM位置伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用效果,本文利用 Matlab/Simulink進(jìn)行了數(shù)字仿真,仿真中使用的電機(jī)參數(shù)為:極對(duì)數(shù)4,額定功率550W,額定轉(zhuǎn)速3 000r/min,額定電壓220V,額定轉(zhuǎn)矩1.6N·m,轉(zhuǎn)子慣量8.43×10-5kg·m2,d-q軸電感9.675mH,定子電阻4.68Ω;無軸端同軸連接2 500個(gè)脈沖/轉(zhuǎn)的增量式光電編碼器(也稱碼盤),作為位置和速度傳感器;電流環(huán)控制周期為125μs,位置環(huán)控制周期為425μs。傳統(tǒng)位置伺服系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)由外環(huán)位置環(huán),中間環(huán)速度環(huán)和內(nèi)環(huán)電流環(huán)組成,每個(gè)閉環(huán)均采用線性PID調(diào)節(jié)器。為了比較說明ADRC用于位置伺服系統(tǒng)中的控制效果,本文同時(shí)給出了傳統(tǒng)位置伺服系統(tǒng)的仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

線性PID控制器和ADRC控制器均能實(shí)現(xiàn)無穩(wěn)態(tài)誤差的位置伺服系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上,調(diào)節(jié)兩個(gè)控制器參數(shù),分別達(dá)到最優(yōu)動(dòng)態(tài)跟蹤效果,得到圖2所示的位置伺服系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)波形。線性PID控制器中為保證穩(wěn)態(tài)精度,并且實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的抗干擾能力,位置環(huán)使用了積分環(huán)節(jié),這種調(diào)節(jié)器容易造成位置超調(diào)。ADRC控制器實(shí)現(xiàn)了快速無超調(diào)的位置階躍響應(yīng)。

評(píng)價(jià)一個(gè)位置伺服系統(tǒng)的魯棒性,主要看突加或者突卸轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí),由負(fù)載擾動(dòng)引起的位置變化。圖3給出了系統(tǒng)在t=0.05s時(shí)突加額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)的位置波動(dòng)。圖3顯示突加突卸轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí),基于ADRC控制器的位置伺服系統(tǒng)比基于線性PID控制器的位置伺服系統(tǒng)的位置抖動(dòng)幅值小,恢復(fù)時(shí)間短。

圖2 單位階躍響應(yīng)Fig.2 Responses of uint step command

圖3 突加額定負(fù)載時(shí)位置抖動(dòng)Fig.3 Position swings when rating load is added

位置伺服系統(tǒng)的擾動(dòng)分為外部擾動(dòng)和內(nèi)部擾動(dòng)。外部擾動(dòng)主要指負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化以及作用在負(fù)載轉(zhuǎn)矩上的隨機(jī)擾動(dòng);內(nèi)部擾動(dòng)包括電機(jī)定子繞組電阻或電感的變化,轉(zhuǎn)子軸上轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的變化,以及電機(jī)強(qiáng)耦合引起的非線性因素的影響等。

圓弧加工類場(chǎng)合,單個(gè)軸的位置目標(biāo)是正弦信號(hào),加工過程中,由于材質(zhì)的不同,也會(huì)產(chǎn)生正弦信號(hào)的負(fù)載擾動(dòng)。圖4給出了位置伺服系統(tǒng)在正弦輸入信號(hào)θ*=1×sin(5πt)作用下工作時(shí),t=1s時(shí)出現(xiàn)峰值為31.25%額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩的正弦擾動(dòng)w(t)=0.5×sin(5πt),位置伺服系統(tǒng)的位置跟蹤誤差波形。圖4顯示出現(xiàn)負(fù)載轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)后,基于ADRC控制器的位置伺服系統(tǒng)比基于線性PID控制器的位置伺服系統(tǒng)的位置跟蹤誤差的幅值變化小。圖3和圖4說明ADRC控制器的抗轉(zhuǎn)矩負(fù)載擾動(dòng)的能力更強(qiáng)。

為了分析ADRC控制器對(duì)內(nèi)部擾動(dòng)的魯棒性,與圖4的仿真條件中位置目標(biāo)信號(hào)和干擾信號(hào)一致,把定子電阻、d-q軸電感以及轉(zhuǎn)子軸上轉(zhuǎn)動(dòng)慣量都增加1倍。得到位置跟蹤誤差和擾動(dòng)估計(jì)的仿真波形如圖5所示。圖5說明,基于ADRC控制器的位置伺服系統(tǒng)在內(nèi)部參數(shù)變化前后位置跟蹤性能幾乎沒有發(fā)生變化,而基于線性PID控制器的位置伺服系統(tǒng),在電機(jī)參數(shù)變化后位置跟蹤誤差明顯增加。

圖4 外部擾動(dòng)下位置跟蹤誤差及擾動(dòng)估計(jì)Fig.4 Position error and disturbance estimation in the external disturbance

圖5 變電機(jī)參數(shù)后正弦干擾下位置跟蹤誤差及擾動(dòng)估計(jì)Fig.5 Position error and disturbance estimation in sin command responses when motor parameter is changed

從圖4和圖5的仿真結(jié)果可以得到結(jié)論:基于ADRC的位置伺服系統(tǒng)比基于線性PID調(diào)節(jié)器的位置伺服系統(tǒng),對(duì)系統(tǒng)外部擾動(dòng)和內(nèi)部擾動(dòng)都具有更強(qiáng)的魯棒性。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 線性 ADRC[9-10]

將基于自抗擾控制器的PMSM位置伺服系統(tǒng)的仿真結(jié)果應(yīng)用到實(shí)際中,在數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)中實(shí)現(xiàn)自抗擾控制時(shí),遇到如下困難:

1)因?yàn)棣梁挺沂强烧{(diào)的,非線性函數(shù)fal在DSP中很難實(shí)現(xiàn);

2)ESO中的β01數(shù)值很大,并且β02和β03參數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過65 536。所以在定點(diǎn)運(yùn)算的DSP中很難給這幾個(gè)參數(shù)以及與它們有運(yùn)算關(guān)系的參數(shù)定標(biāo);

3)非線性ADRC近10個(gè)參數(shù),在實(shí)際工程應(yīng)用中調(diào)節(jié)起來困難,很難取到最優(yōu)值。為此,專門設(shè)計(jì)了一套交流伺服調(diào)試軟件。

遇到以上問題后,為實(shí)現(xiàn)ADRC的實(shí)際應(yīng)用,把實(shí)驗(yàn)工作分為兩步:第1,采用線性化ADRC;第2,采用多個(gè)表格來近似模擬非線性函數(shù),并且用標(biāo)幺數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)給所有參數(shù)定標(biāo),以近似達(dá)到非線性ADRC控制效果。目前,工作的第1步已經(jīng)完成。實(shí)驗(yàn)中采用線性ADRC時(shí),TD,ESO和LSEF的運(yùn)算方程依次如下:

5.2 實(shí)驗(yàn)裝置

與仿真中的實(shí)驗(yàn)條件一樣,實(shí)驗(yàn)中必須具有轉(zhuǎn)矩負(fù)載干擾和轉(zhuǎn)子軸上轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及定子電阻和電感的變化。為了實(shí)現(xiàn)以上干擾,建立了如圖6所示的實(shí)驗(yàn)裝置,其中伺服電動(dòng)機(jī)與轉(zhuǎn)矩傳感器、磁粉離合器以及作為慣量負(fù)載的飛輪慣量同軸連接,其中磁粉離合器額定轉(zhuǎn)矩6N·m,轉(zhuǎn)矩傳感器額定轉(zhuǎn)矩10N·m。合上閘,磁粉離合器的輸出軸不轉(zhuǎn),通過控制磁粉離合器的手動(dòng)控制器輸出電流可以模擬伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩負(fù)載;手動(dòng)控制器輸出0A,伺服電機(jī)、轉(zhuǎn)矩傳感器和磁粉離合器的輸入端慣量作為運(yùn)行慣量,閘打開瞬間,通過手動(dòng)控制器輸出1A電流,使磁粉離合器的輸入端和輸出端剛性連接,伺服電機(jī)突加轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,突加的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量包括磁粉離合器的輸出端慣量和可以調(diào)節(jié)的飛輪慣量。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是基于FreeScale公司DSP芯片MC56F8346的全數(shù)字交流伺服驅(qū)動(dòng)器,實(shí)驗(yàn)中電機(jī)參數(shù)和各個(gè)閉環(huán)的控制周期與仿真中相同。

圖6 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.6 Experiment equipment schematics

5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

第1個(gè)實(shí)驗(yàn)是為了驗(yàn)證,分別基于線性PID和線性ADRC的PMSM位置伺服系統(tǒng),對(duì)外部擾動(dòng)的抗干擾能力。無位置給定信號(hào)時(shí),在轉(zhuǎn)子軸上突加100%伺服電機(jī)額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩,轉(zhuǎn)子軸位置變化情況如圖7所示。

圖7 突加額定轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置Fig.7 The rotor′s actual position when rating load is added

第2個(gè)實(shí)驗(yàn),在目前實(shí)驗(yàn)設(shè)備的基礎(chǔ)上,驗(yàn)證兩種交流位置伺服系統(tǒng)對(duì)內(nèi)部參數(shù)變化的魯棒性。在突加轉(zhuǎn)動(dòng)慣量實(shí)驗(yàn)中,DSP程序?qū)嶒?yàn)正弦信號(hào)的位置給定,突加的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等于100%運(yùn)行慣量,則突加轉(zhuǎn)動(dòng)慣量前后的位置跟蹤誤差如圖8所示。

圖8 突加100%轉(zhuǎn)動(dòng)慣量前后位置跟蹤誤差Fig.8 Change of position tracking error when 100%interia is added

圖7和圖8的實(shí)驗(yàn)波形均來自于FreeScale的DSP編譯環(huán)境自帶的調(diào)試軟件Free Master。圖7和圖8說明,基于線性ADRC的交流位置伺服系統(tǒng)比基于線性PID的交流位置伺服系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)擾動(dòng)的魯棒性更強(qiáng)。

6 結(jié)論

本文將自抗擾控制器應(yīng)用在PMSM交流位置伺服系統(tǒng)中。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在相同控制對(duì)象和相同擾動(dòng)的條件下,較之基于線性PID控制器的位置伺服系統(tǒng),基于自抗擾控制器的PMSM位置伺服系統(tǒng)具有更優(yōu)良的動(dòng)態(tài)性能,且無位置超調(diào),對(duì)負(fù)載擾動(dòng)、電機(jī)參數(shù)的變化具有更強(qiáng)的魯棒性。

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