一种基于数据驱动的永磁同步电机PID控制器参数整定方法技术

本发明专利技术公开了一种基于数据驱动的永磁同步电机PID控制器参数整定方法，将数据驱动控制理论与永磁同步电机控制器参数自整定相结合，提出了针对永磁同步电机的控制器参数自整定方法，本发明专利技术方法只需人工设定目标控制性能，即可对控制器参数进行自整定，仿真和实验结果证明该方法正确、有效、高效，性能极佳，可完全取代人工凑试PID参数。本发明专利技术方法解决了业界普遍采用的永磁同步电机控制参数凑试法无法得到优化结果的难题，具有很好的理论价值和应用意义。和应用意义。和应用意义。

【技术实现步骤摘要】
一种基于数据驱动的永磁同步电机PID控制器参数整定方法


[0001]本专利技术涉及电机控制的
，尤其涉及一种基于数据驱动的永磁同步电机PID控制器参数整定方法。

技术介绍

[0002]永磁同步电机(Permanent
‑
Magnet Synchronous Motor，PMSM)具有功率密度高、效率高等特点，已经成为许多工业应用的最佳选择，尤其在先进制造领域、电力驱动领域具有巨大的发展潜力。许多先进的控制策略不断被应用在各种控制系统，如预测控制、神经网络控制等。但是PID控制凭借其鲁棒性强、可靠性高等优点在控制领域经久不衰。有报告显示，在工业控制系统中，有超过95％的控制系统采用PID控制。由于永磁同步电机具有非线性、不确定性、时变性等典型特征，PID控制器难以获得令人满意的参数，在实际的应用中，永磁同步电机控制系统的参数整定主要由技术人员通过试凑法完成的，而试凑法的整定过程是非常繁琐费时的，其整定效果也与技术人员的经验相关，这对永磁同步电机控制系统的使用是十分不利的。PID控制器的参数限制了永磁同步电机控制系统的总体性能，因此研究永磁同步电机控制系统控制器参数整定具有非常高的实际意义和应用价值。
[0003]按照参数整定的工作原理分类，可以将PID的参数整定方法分为基于模型的PID参数整定方法和基于规则的PID参数整定方法。基于模型的PID参数整定方法的整定效果完全取决于数学模型是否精确，而数学模型是在很多假设条件下建立的。实际PMSM系统中不存在理想的假设条件，系统模型简化时存在近似处理，且电机的参数也会发生变化，从而导致基于模型整定的控制器参数在实际系统的控制效果并不好，无法达到令人满意的性能。基于规则的参数自整定策略能避开参数变化影响及被控系统控制结构改变的影响，但其在线计算量大，算法效率低，对于响应速度快的电流环来说实时性要求高，使用基于规则的在线控制器参数整定方法能难在短时间内获得参数整定的结果，无法保证控制参数优化过程中快速收敛到稳定值。

技术实现思路

[0004]为了解决现有技术问题，本专利技术的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种基于数据驱动的永磁同步电机PID控制器参数整定方法，能够解决现有永磁同步电机控制系统PID控制器参数整定问题，本专利技术方法只需简单设定目标控制性能，即可对控制器参数进行自整定，仿真和实验结果证明本专利技术方法正确、有效、高效，性能极佳，可完全取代人工凑试PID参数，智能化程度高。
[0005]为达到上述专利技术创造目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]一种基于数据驱动的永磁同步电机PID控制器参数整定方法，包括以下操作步骤：
[0007](1)利用虚拟参考反馈整定方法整定永磁同步电机控制系统中的PID控制器参数；
[0008](2)通过对被控对象施加激励信号，获取被控对象的输入输出数据，用于PID参数的离线整定；
[0009](3)根据目标控制性能，结合被控对象的特性，设计合适的参考模型，将参考模型作为PID参数整定的基准；
[0010](4)运用虚拟参考反馈整定方法，对PID控制器参数进行整定，使被控系统的动态性能逼近参考模型的动态性能，完成PID控制器参数整定。
[0011]优选地，在所述步骤(2)中，被控对象的输入输出数据包括：
[0012]在永磁同步电机矢量控制系统中，被控对象的输入输出数据为{u
q
(t),i
q
(t)}
t＝1,2,
…
,N
；对转速环，被控对象的输入输出数据为{i
qref
(t),n(t)}
t＝1,2,
…
,N
；
[0013]其中，u
q
为q轴电压，i
q
为q轴电流，i
qref
为q轴电流给定值，n为电机转速，t为为对系统的采样序号，表示第t次采样，N为最大采样次数。
[0014]优选地，在所述步骤(3)中，合适的参考模型包括：
[0015]参考模型选择为一阶系统、二阶系统或者高阶系统，参考模型的表达式为：
[0016][0017]其中，a0,a1,
…
,a
n
表示分母多项式系数；n为系统阶次，n≤2，s参考模型传递函数复频域下的算子。对于高阶系统来说，其可调参数多，动态性能指标的确定比较复杂，因此本专利技术将高阶系统作为参考模型将增加动态性能指标的确定的复杂度，因此优选设定n≤2。
[0018]优选地，在所述的步骤(4)中，虚拟参考反馈整定方法为：
[0019](4
‑
1)首先获得被控对象的一组输入输出数据；
[0020](4
‑
2)根据先验知识方法设计一个参考模型M(z)，z参考模型在z域的算子；
[0021](4
‑
3)计算虚拟误差信号
[0022][0023][0024]其中，y0(t)为从被控系统采集的一组输出数据，为被控系统虚拟的给定信号，t为对系统的采样序号，表示第t次采样，M
‑1(z)为参考模型的逆变换；
[0025](4
‑
4)设计合适的滤波器L(z)，利用滤波器对和u0(t)进行滤波处理；
[0026][0027]其中，e
L
(t)为滤波后的误差信号，u
L
(t)为滤波后的输入信号，u0(t)为从被控系统采集的一组输入数据；
[0028](4
‑
5)根据性能指标式确定期望的控制器参数：
[0029][0030]其中，N为最大采样次数，t为对系统的采样序号，表示第t次采样，θ为控制器参数，z为参考模型在z域的算子，u
L
(t)为滤波后的输入信号，C(z；θ)为控制器z域的传递函数，e
L
(t)为滤波后的误差信号，L为设计的滤波器；
[0031]优选地，在所述步骤(4
‑
4)中，滤波器的设计包括：
[0032]首先，假设被控系统的输入输出数据不含噪声，有
[0033][0034]其中，J
MR
(θ)为控制器参数优化指标，θ为控制器参数，PC(θ)为被控系统与控制器的串联模型传递函数，M为参考模型，W为权重函数，z为参考模型在z域的算子，ω为积分变量；
[0035]考虑性能指标将系统的输入输出信号视为平稳和遍历随机过程的实现，则当可用数据量增加足够多时，即N
→
∞时，则：
[0036][0037]J
VR
(θ)是的渐进值，当N足够大时，的最小值将收敛到J
VR
(θ)的最小值；根据Parseval定理，可得到频域表达式：
[0038][0039]其中，Φ
u
为信号u(t)的功率谱密度；L(z)为设计的滤波器在z域的传递函数，P(z本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于数据驱动的永磁同步电机PID控制器参数整定方法，其特征在于，包括以下操作步骤：(1)利用虚拟参考反馈整定方法整定永磁同步电机控制系统中的PID控制器参数；(2)通过对被控对象施加激励信号，获取被控对象的输入输出数据，用于PID参数的离线整定；(3)根据目标控制性能，结合被控对象的特性，设计合适的参考模型，将参考模型作为PID参数整定的基准；(4)运用虚拟参考反馈整定方法，对PID控制器参数进行整定，使被控系统的动态性能逼近参考模型的动态性能，完成PID控制器参数整定。2.根据权利要求1所述基于数据驱动的永磁同步电机PID控制器参数整定方法，其特征在于：在所述步骤(2)中，被控对象的输入输出数据包括：在永磁同步电机矢量控制系统中，被控对象的输入输出数据为{u
q
(t),i
q
(t)}
t＝1,2,
…
,N
；对转速环，被控对象的输入输出数据为{i
qref
(t),n(t)}
t＝1,2,
…
,N
；其中，u
q
为q轴电压，i
q
为q轴电流，i
qref
为q轴电流给定值，n为电机转速，t为对系统的采样序号，表示第t次采样，N为最大采样次数。3.根据权利要求2所述基于数据驱动的永磁同步电机PID控制器参数整定方法，其特征在于，在所述步骤(3)中，合适的参考模型包括：参考模型选择为一阶系统、二阶系统或者高阶系统，参考模型的表达式为：其中，a0,a1,
…
,a
n
表示分母多项式系数；n为系统阶次，n≤2，s为参考模型传递函数复频域下的算子。4.根据权利要求1所述基于数据驱动的永磁同步电机PID控制器参数整定方法，其特征在于：在所述的步骤(4)中，虚拟参考反馈整定方法为：(4
‑
1)首先获得被控对象的一组输入输出数据；(4
‑
2)根据先验知识方法设计一个参考模型M(z)，z为参考模型在z域的算子；(4
‑
3)计算虚拟误差信号3)计算虚拟误差信号3)计算虚拟误差信号其中，y0(t)为从被控系统采集的一组输出数据，为被控系统虚拟的给定信号，t为对系统的采样序号，表示第t次采样，M
‑1(z)为参考模型的逆变换；(4
‑
4)设计合适的滤波器L(z)，利用滤波器对和u0(t)进行滤波处理；其中，e
L
(t)为滤波后的误差信号，u
L
(t)为滤波后的输入信号，u0(t)为从被控系统采集的一组输入数据；
(4
‑
5)根据性能指标式确定期望的控制器参数：其中，N为最大采样次数，t为对系统的采样序号，表示第t次采样，θ为控制器参数，z为参考模型在z域的算子，u
L
(t)为滤波后的输入信号，C(z；θ)为控制器z域的传递函数，e
L
(t)为滤波后的误差信号，L为设计的滤波器。5.根据权利要求4所述基于数据驱动的永磁同步电机PID控制器参数整定方法，其特征在于：在所述步骤(4
‑
4)中，滤波器的设计包括：首先，假设被控系统的输入输出数据不含噪声，有其中，J
MR
(θ)为控制器参数优化指标，θ为控制器参数，PC(θ)为被控系统与控制器的串联模型传递函数，M为参考模型，W为权重函数，z为参考模型在z域的算...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵定国，黄彦斌，邵家懿，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：