一种推进变频器的滑模控制方法及系统与流程

本发明涉及船舶变频器控制，尤其涉及一种推进变频器的滑模控制方法及系统。

背景技术：

1、船舶通常采用柴油机作为原动机直接带动螺旋桨的推进方式，虽然柴油机的控制精度偏低、响应时间较慢、推进效率较低，但其作为船舶的主推进器时，可以基本满足船舶航行工况下的推进需求。随着上个世纪电力电子技术、半导体技术、变频器的交流调速技术和各种微机系统的快速发展，交流推进电机作为船舶推进器，已经从最初的设想变为现实，船舶电力推进技术得到了飞速发展。电力推进技术主要有反应速度快、调速性能优、推进噪声小、推进效率高、消耗功率少、对环境污染更小等多种优点。然而作为主推进器采用电力推进方式时，相比于柴油机带动螺旋桨推进，上述的优势并不明显。伴随着更为复杂的海洋环境和深海远海作业任务，推进变频器的推进性能还需要进一步增强，因此对推进变频器的控制方式进行研究，一方面使推进变频器能够更快的响应频繁变化的转速输入，另一方面在风、浪、流等外界干扰力下，使船舶纵荡、横荡及螺旋桨出水、入水时对预定转速的影响更小。从而使得推进变频器定转速推进和变转速跟踪能力更强，抗海洋环境干扰能力更高。现有的推进变频器在启动时和负载发生变化时抖动较大，且不能平稳快速的恢复。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种推进变频器的滑模控制方法，包括：

2、步骤s1，根据预设的变速指数趋近律构造滑模转速控制器，随后通过所述滑模转速控制器控制推进变频器加速至指定转速；

3、所述变速指数趋近律为

4、

5、其中，为所述变速指数趋近律,s为滑模面函数，k>0，ε>0，α为常数；

6、步骤s2，以所述推进变频器的角速度和负载转矩为观测对象，以负载转矩的观测值为输出，构造负载转矩观测器，随后通过所述负载转矩观测器观测所述负载转矩得到负载转矩观测值；

7、步骤s3，所述滑模转速控制器根据所述负载转矩观测值控制所述推进变频器调整所述指定转速。

8、优选的，所述步骤s1中的所述滑模转速控制器为

9、

10、其中,j,pn,ψf,k,ε,β,q,α,p,lg为常数,为所述滑模转速控制器的输出电流，为角速度参考值，为的一阶导数，为的二阶导数，ωm为所述角速度,s为滑模面函数。

11、优选的，所述步骤s1中的所述滑模转速控制器的构造过程包括：

12、步骤a1，选取滑模面函数为

13、

14、其中，e为状态误差；α﹥0、β﹥0、a/b﹥1，p、q为正奇数，且满足2﹥p/q﹥1；

15、步骤a2，根据所述滑模面函数和所述变速指数趋近律,设计所述滑模转速控制器。

16、优选的，所述步骤s2中的所述负载转矩观测器的构造过程包括：

17、步骤b1，将所述负载转矩作为扩展状态变量，结合所述推进变频器的电磁转矩方程式和变频器运动方程，构造扩展状态方程

18、步骤b2，以所述角速度和所述负载转矩为观测对象，以所述负载转矩的观测值为输出，根据所述扩展状态方程构造所述滑模负载转矩观测器。

19、优选的，所述构造扩展状态方程为：

20、

21、其中，tl为所述负载转矩，ω为所述角速度，iq为所述滑模转速控制器的输出电流，b，j，pn，ψf为常数；

22、优选的，所述步骤s2中的所述滑模负载转矩观测器为：

23、

24、其中，tl为所述负载转矩，ω为所述角速度，为所述负载转矩观测值，为所述角速度的观测值，b，j，pn，ψf，k1，k2为常数，s为滑模面函数。

25、本发明还提供一种推进变频器的滑模控制系统，应用于上述的滑模控制方法，包括：

26、转速控制器构造模块，用于根据预设的变速指数趋近律构造滑模转速控制器，随后通过所述滑模转速控制器控制推进变频器加速至指定转速；

27、所述变速指数趋近律为

28、

29、其中，为所述变速指数趋近律,s为滑模面函数，k>0，ε>0，α为常数；

30、负载转矩观测模块，连接所述转速控制器构造模块，用于以所述推进变频器的角速度和负载转矩为观测对象，以负载转矩的观测值为输出，构造负载转矩观测器，随后通过所述负载转矩观测器观测所述负载转矩得到负载转矩观测值；

31、转速调整模块，连接所述负载转矩观测模块，用于所述滑模转速控制器根据所述负载转矩观测值控制所述推进变频器调整所述指定转速。

32、优选的，所述转速控制器构造模块中的所述滑模转速控制器为

33、

34、其中,j,pn,ψf,k,ε,β,q,α,p,lg为常数,为所述滑模转速控制器的输出电流，为角速度参考值，为的一阶导数，为的二阶导数，ωm为所述角速度,s为滑模面函数。

35、优选的，所述负载转矩观测模块中的所述负载转矩观测器的构造过程包括：

36、扩展状态方程构造单元，用于将所述负载转矩作为扩展状态变量，结合所述推进变频器的电磁转矩方程式和变频器运动方程，构造扩展状态方程；

37、负载转矩观测器构造单元，连接所述扩展状态方程构造单元，用于以所述角速度和所述负载转矩为观测对象，以所述负载转矩的观测值为输出，根据所述推展状态方程构造所述滑模负载转矩观测器。

38、优选的，所述负载转矩观测模块中构造的所述滑模负载转矩观测器为：

39、

40、其中，tl为所述负载转矩，ω为所述角速度，为所述负载转矩观测值，为所述角速度的观测值，b，j，pn，ψf，k1，k2为常数，s为滑模面函数。

41、上述技术方案具有如下优点或有益效果：根据设计的可以根据状态变量自适应调整实现指数趋近律和变幂次指数趋近律效果的变速指数趋近律构造滑模转速控制器，且设计负载转矩观测器实时观测推进变频器的负载转矩并反馈给滑模转速控制器，推进变频器在启动时和负载发生变化时，滑模转速控制器控制推进变频器的转速平稳且迅速恢复到指定转速，明显减少抖动现象。

技术特征：

1.一种推进变频器的滑模控制方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的滑模控制方法，其特征在于，所述步骤s1中的所述滑模转速控制器为

3.根据权利要求1所述的滑模控制方法，其特征在于，所述步骤s1中的所述滑模转速控制器的构造过程包括：

4.根据权利要求1所述的滑模控制方法，其特征在于，所述步骤s2中的所述负载转矩观测器的构造过程包括：

5.根据权利要求4所述的滑模控制方法，其特征在于，所述构造扩展状态方程为：

6.根据权利要求1所述的滑模控制方法，其特征在于，所述步骤s2中的所述滑模负载转矩观测器为：

7.一种推进变频器的滑模控制系统，其特征在于，应用于所述权利要求1-6中任意一项所述的滑模控制方法，包括：

8.根据权利要求7所述的滑模控制系统，其特征在于，所述转速控制器构造模块中的所述滑模转速控制器为

9.根据权利要求7所述的滑模控制系统，其特征在于，所述负载转矩观测模块中的所述负载转矩观测器的构造过程包括：

10.根据权利要求7所述的滑模控制系统，其特征在于，所述负载转矩观测模块中构造的所述滑模负载转矩观测器为：

技术总结
本发明提供一种推进变频器的滑模控制方法及系统，涉及船舶变频器控制技术领域，包括：根据预设的变速指数趋近律构造滑模转速控制器，随后通过滑模转速控制器控制推进变频器加速至指定转速，变速指数趋近律为其中，为变速指数趋近律,s为滑模面函数，k>0，ε>0，α为常数；以推进变频器的角速度和负载转矩为观测对象，以负载转矩的观测值为输出，构造负载转矩观测器，随后通过负载转矩观测器观测负载转矩得到负载转矩观测值；滑模转速控制器根据负载转矩观测值控制推进变频器调整指定转速。有益效果是设计趋近律构造滑模转速控制器和负载转矩观测器控制推进变频器的转速平稳迅速恢复到指定转速，明显减少抖振现象。

技术研发人员：胡金杭,苗亚,雍定涛,王磊,田毓
受保护的技术使用者：澄瑞电力科技（上海）有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11