一種基於滑模變結構的ist控制系統及其控制方法
2023-06-02 11:05:26
專利名稱：一種基於滑模變結構的ist控制系統及其控制方法
技術領域：
本發明涉及一種基於滑模變結構的控制系統及其控制方法，尤其是涉及一種基於滑模變結構的1ST控制系統及其控制方法。
背景技術：
滑模變結構控制是在上世紀六十年代初由前蘇聯Emelyanov、Utkin和Itkin等學者提出，它是一種非線性控制方法。滑模變結構控制本質上是一類特殊的非線性控制，且非線性表現為控制的不連續性.這種控制策略與其他控制的不同之處在於系統的「結構」並不固定，而是可以在動態過程中，根據系統當前的狀態(如偏差及其各階導數等)有目的地不斷變化，迫使系統 按照預定「滑動模態」的狀態軌跡運動。由於滑動模態可以進行設計且與對象參數及擾動無關，這就使得滑模控制具有快速響應、對應參數變化及擾動不靈敏、無需系統在線辨識、物理實現簡單等優點。在系統控制過程中，控制器根據系統當時狀態，以躍變方式有目的地不斷變換，迫使系統按預定的「滑動模態」的狀態軌跡運動。變結構是通過切換函數實現的，特別要指出的是，通常要求切換面上存在滑動模態區，故變結構控制又常被稱為滑動模態控制。設計變結構控制系統基本可分為兩步(I)確定切換函數S(X)，即開關面，使它所確定的滑動模態漸近穩定且有良好的品質，開關面代表了系統的理想動態特性。(2)設計滑模控制器，使到達條件得到滿足，從而使趨近運動(非滑動模態)於有限時間到達開關面，並且在趨近的過程中快速、抖振小。滑模變結構控制具有穩定範圍寬、動態響應快、對參數變化和擾動不敏感等優點。研究對象涉及到離散系統、分布參數系統、非線性大系統等眾多複雜系統。滑模控制也有其缺點，如當狀態軌跡到達滑動模態面後，難以嚴格沿著滑動模態面向平衡點滑動，而是在其兩側來回穿越地趨近平衡點，從而產生抖振。滑模變結構控制是採用一個切換函數作為決策規則來實現閉環系統結構的切換，利用可變控制，在有限時間內將系統狀態驅動並維持在切換函數所確定的一個超平面上，如圖I表示系統在滑模面上的運動。迄今為止，已有多個控制系統採用了滑模變結構控制策略，取得了良好的效果。這裡列出部分典型的應用。I、電機的應用這是滑模變結構一直以來最主要的一個應用領域，由於無論直流電機、同步電機和感應電機都存在嚴重的非線性，十分適合滑模變結構的應用。2、開關變換器的應用開關變換器是一個強非線性系統，滑模變結構的應用可解決開關變換器不易穩定、對擾動抑制能力差等問題。根據開關工作周期，動態地對滑模誤差進行修正，補償了控制量的大小，有利於近似地保證系統沿著切換面運動，並可以減少系統穩態誤差，達到削弱抖振的目的。3、機器人控制的應用機器人近年來成為滑模變結構主要應用方面之一。機器人是典型的非線性系統，存在各種不可預見的外部幹擾，有大量關於此方面的研究。可側通過設計兩個滑模面，實現了帶有彈性力臂的雙關節機器人的研究。4、飛行器控制的應用滑模變結構控制本身的優良性能，適合飛行器的運動控制。而且在飛彈制導中發展神速。目前基於ST的控制主要是開環的，鮮有對其進行閉環控制的。這種控制方式反映 速度較慢，在抽頭投切過程中有可能造成ST抽頭的投切針振蕩，達不到正常補償的目標。本發明採用滑模變控制的ST輔以UPFC達到閉環控制的目的，可以對系統潮流得到極好的補償。
發明內容
本發明的上述技術問題主要是通過下述技術方案得以解決的一種基於滑模變結構的1ST控制系統，其特徵在於，包括連接在系統送端和受端之間的SEN變壓器和統一潮流控制器、分別設置在系統送端和受端的兩組用於測量電壓和電流的PT採集裝置以及CT採集裝置、與兩組PT採集裝置以及CT採集裝置連接的DSP及擴展模塊、與DSP及擴展模塊連接用於控制SEN變壓器的滑模變控制模塊、以及與DSP及擴展模塊連接用於控制統一潮流控制器的PI控制器。這裡SEN變壓器以下簡稱ST，統一潮流控制器以下簡稱UPFC ;這裡的1ST指採用SEN變壓器加上統一潮流控制器的混和控制方法，稱為改進型SEN變壓器。在上述的一種基於滑模變結構的1ST控制方法，其特徵在於，包括以下步驟步驟I，兩組PT採集裝置以及CT採集裝置採集系統線路的電壓電流，對比目標電壓電流，經過DSP及擴展模塊計算，確定1ST所需投入的有功功率和無功功率；步驟2，通過滑模變控制模塊，對照ST當前所處的位置，計算ST所需要投入到的位置，並控制ST的投切抽頭，投到目標位置；步驟3，ST投切到目標位置後，滑模變控制模塊計算剩下的所需UPFC投切的容量，並採用PI控制器控制UPFC實時跟蹤投入。因此，本發明具有如下優點1.閉環控制，可以極大的發揮ST和UPFC在系統潮流補償中的作用；2.響應速度快，可以極快的得到ST和UPFC各自所需補償到的目標點並快速投入到目標位置；3.補償容量大經濟性好，可以極大的發揮ST補償容量大但價格低廉的經濟優勢；4.控制效果好，對離散變化的ST，滑模變可以更好的符合它的變化趨勢，並給予準確控制。
圖I是負載系統在滑模面上的運動的示意圖。圖2是本發明的一種結構及控制器原理示意圖。
圖3是本發明採用的ST-UPFC控制系統在滑模面上的運動示意圖。圖4是本發明的硬體結構示意圖。圖5是與圖4對應的控制原理示意圖。
具體實施例方式下面通過實施例，並結合附圖，對本發明的技術方案作進一步具體的說明。實施例首先有必要介紹一下滑模變結構控制的定義及存在性。 設一非線性系統i =/(W)(式 I)其中，XG Rn, u G Rm, t G R需要確定滑模函數向量S(X)，S G Rm,並尋求變結構控制
{、 I Uri (x)S7. (x) > 0Uj(X) = ].,., (式 2)
； ⑷ <0這裡W;+(X)矣(X) , (i=l, 2，使得切換面Si(X) = 0以外的相軌跡於有限時間內進入切換面，這樣的控制系統稱為滑模變結構控制系統。系統主要有兩個設計目標選擇滑模面Si (X)，求取控制⑷::滑模變結構控制存在的條件Iim .V 0 (式 3)
S^O+S—0—或Iirruts <0(式 4)
S^O即切換函數要滿足可微和過原點的要求。這時，滑模變結構控制存在且收斂。然後介紹本發明的混合式1ST控制方法的原理。如圖2所示，K為系統送端電壓，K為系統受端電壓，Xs, Xl, &依次為系統送端電抗、線路電抗和系統受端電抗，匕和^為系統等效送端電壓和等效受端電圧h力ST串聯部分補償系統的電壓，為UPFC串聯部分補償系統的電壓。控制部分通過採集系統線路的電壓和電流，然後比較目標電壓和電流，確定ST和UPFC各自所需投入補償的有功功率和無功功率。ST和UPFC都是調節系統潮流的裝置，但是，由於ST和UPFC分別有各自的優點和缺點，此處把兩者結合組成1ST (Improved ST)控制系統的潮流可以彌補兩者的不足達到最優的調節效果，如響應速度快、調節容量大、成本低、調節更精確、抑制抽頭動作振蕩等。需要注意的是，兩者有不同的工作原理和運行方式，不能用同一種控制方法同時控制，必須要尋找一種有效的控制手段實現兩者的協同工作。接下來介紹本發明的控制方法流程I.選擇滑模面。由於ST的控制目標有兩個，一個是線路傳輸的有功P，一個為無功Q，實際控制時也為P、Q的分步控制，在此系統中滑模面有兩個
權利要求
1.一種基於滑模變結構的1ST控制系統，其特徵在於，包括連接在系統送端和受端之間的SEN變壓器和統一潮流控制器、分別設置在系統送端和受端的兩組用於測量電壓和電流的PT採集裝置以及CT採集裝置、與兩組PT採集裝置以及CT採集裝置連接的DSP及擴展模塊、與DSP及擴展模塊連接用於控制SEN變壓器的滑模變控制模塊、以及與DSP及擴展模塊連接用於控制統一潮流控制器的PI控制器。
2.—種權利要求I所述的一種基於滑模變結構的1ST控制方法，其特徵在於，包括以下步驟 步驟I，兩組PT採集裝置以及CT採集裝置採集系統線路的電壓電流，對比目標電壓電流，經過DSP及擴展模塊計算，確定1ST變壓器所需投入的有功功率和無功功率，這裡1ST變壓器表示改進型SEN變壓器； 步驟2，通過滑模變控制模塊，對照SEN變壓器當前所處的位置，計算ST所需要投入到的位置，並控制SEN變壓器的投切抽頭，投到目標位置； 步驟3，ST投切到目標位置後，滑模變控制模塊計算剩下的所需統一潮流控制器投切的容量，並採用PI控制器控制統一潮流控制器實時跟蹤投入。
全文摘要
本發明涉及一種基於滑模變結構的IST控制系統及其控制方法。首先，採集系統線路的電壓電流，對比目標電壓電流，經過計算模塊(DSP)計算，確定IST所需投入的有功功率和無功功率；然後，通過滑模變控制模塊，對照ST當前所處的位置，計算ST所需要投入到的位置，並控制ST的投切抽頭，投到目標位置；最後，ST投切到目標位置後，控制模塊計算剩下的所需UPFC投切的容量，並採用PI控制UPFC實時跟蹤投入。本發明實現了對IST的閉環控制，通過滑模變控制離散變化的ST可以更快更準確的到達補償點，然後採用PI控制的UPFC實時跟蹤控制，不僅可以極大的發揮ST大容量低價格的優勢，還可以實現對潮流的快速精確控制。
文檔編號G05B13/00GK102778840SQ20121028154
公開日2012年11月14日 申請日期2012年8月9日 優先權日2012年8月9日
發明者嶽夢奎, 田翠華, 袁佳歆, 費雯麗, 陳柏超 申請人:武漢大學