一種針對船舶吊艙ssp推進器的高階mfac的方法及系統的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及船舶控制技術領域，具體涉及一種針對船舶吊艙SSP推進器的高階 MFAC的方法及系統。
【背景技術】
[0002] 船舶電力推進系統具有節能性、經濟性和良好的操縱性能等優點，電力推進系統 已成為船舶綜合控制研究領域的熱點。然而，電力推進系統為MMO非線性復雜系統，其電 站系統、電力系統和推進系統具有強交互性且難以建立系統精確的數學模型。因此以往基 于數學模型的控制技術在船舶電力推進控制系統中的應用具有一定的局限性，如自適應控 制、反推控制、滑模變結構控制等，它們不適合處理結構時變、參數時變、階數時變的具有較 強未建模動態的電力推進系統的控制問題。
[0003] 在實船應用中，內外環均采用自整定PI調節的矢量控制系統仍占主要地位，關于 這方面的研究，國內外學者做了大量工作。李亮亮等針對永磁同步電機矢量控制PI控制 器，運用ITAE最優控制方法對其進行參數整定，提高了矢量控制的性能。Angelo等研究了 永磁同步電機的無源控制控制策略，實現了全局穩定性控制，但對負載參數變化較敏感。孫 凱等將韓京清先生提出的自抗擾控制應用到永磁同步電機的矢量控制中，該方法提高了控 制系統的魯棒性，有效抑制參數波動及負載擾動的影響。
[0004] PI調節器是典型的無模型控制方法，其結構簡單，但在實船應用中當海況發生變 化時，需要重新整定調節器的參數，且存在超調等弱點。無模型自適應控制（Model-Free Adaptive C〇ntr〇l，MFAC)是指僅用受控系統的I/O數據設計控制器，而控制器不包含任何 受控系統數學模型信息的控制理論和方法。其基本思想是基于一種新的動態線性化方法， 設計控制性能指標函數，利用動態線性化模型來在線估計系統的偽梯度向量和計算系統的 控制輸入。
[0005] 在實船應用中，內外環均采用PI調節的矢量控制調速系統仍占主要地位，PI調 節器是典型的數據驅動控制方法，其結構簡單，穩定性好，國內外學者在這方面做了大量工 作。針對永磁同步電機矢量控制PI控制器，運用ITAE最優控制方法對其進行參數整定，提 高了矢量控制的性能。為使矢量控制系統工作在最佳狀態，現有技術中也提供了一種采用 基于模型的離線式整定與模糊PI在線整定相結合的混合整定法；以及以電磁轉矩誤差和 定子磁鏈誤差作為PI控制器輸入的矢量控制算法，并對電力推進系統的控制性能進行了 研究。將韓京清先生提出的自抗擾控制應用到永磁同步電機的矢量控制中，該方法提高了 控制系統的魯棒性，有效抑制參數波動及負載擾動的影響。這些方法使得系統的穩態性能 得到了改善，但是在實船應用中當海況發生變化，如遭遇惡劣海況時，需要重新對調節器的 參數進行整定，且要使電流能很好地跟隨，需要較大的比例增益系數，這會導致超調，另外 由于吊艙推進電機電流、逆變器驅動電壓較大，當速度階躍給定較大時，由于控制器積分飽 和還會出現windup現象，在實船應用中具有一定的局限性。通過本發明提出的控制器使速 度環控制器需整定的參數由原來的2個簡化為1個，簡化了推進電機控制器的設計，超調量 小、動態響應快，并具有較強的抗干擾性和魯棒性。
【發明內容】
[0006] 在船舶機動航行或者惡劣海況下，航行中的負載及工況存在很大不確定性，從而 使得船舶吊艙SSP推進電機的控制極具挑戰性。本發明針對船舶吊艙SSP推進電機這類多 變量、強耦合、參數時變的復雜非線性系統，首次提出了一種復合無模型自適應矢量控制方 法，并將其應用到船舶吊艙SSP推進電機控制系統中，該方法將高階無模型自適應控制推 廣到矢量控制中，控制器的設計和分析僅依賴于系統的I/O數據，并且在線調整參數少、計 算負擔小。該思想無需建立SSP推進電機控制系統的數學模型，忽略無法準確表達系統物 理含義的某些參數、數學模型，實現所需參數少、對參數變化的適應能力強的優點。該方法 使得控制器的設計更加靈活，控制性能有較明顯地提高，并具有較強的抗干擾性和魯棒性， 且該算法簡單，易于實船工程實現。
[0007] 本發明提供了一種針對船舶吊艙SSP推進器的高階MFAC的方法，包括如下步驟：
[0008] 先將車鐘速度指令信號f和螺旋槳轉速反饋信號η的偏差信號送至無模型自適 應矢量控制高階MFAC控制器，高階MFAC控制器的輸出為轉矩給定指令值<，經計算得到轉 矩電流給定值^速度環具有增強SSP推進電機系統抗負載擾動能力；
[0009] 電流環為雙環結構，檢測到的定子三相電流ia、ib、i。在經過Clark變換和Park變 換后，得到電流檢測反饋信號，電流轉矩分量和電流勵磁分量給定值ζ、<分別與實際值id、 iq相比較，然后經兩個電流環PI控制器，輸出交直流電壓值％、以，之后經過Park-I坐標 變換，生成α-β坐標系的電壓值?/l、 *
[0010] 在經過空間電壓矢量脈寬調制模塊（SVPffM)后，合成為一個電壓矢量，作 為三相逆變器驅動控制信號，產生頻率和幅值可變的三相正弦電流ia、ib、i。，用以驅動推進 電機定子。
[0011] 相應的，本發明還提供了一種針對船舶吊艙SSP推進器的高階MFAC的系統，速度 外環由高階MFAC控制器構成，用來生成期望的交軸參考電流< ^內環電流調節仍由PI控制 器實現，生成旋轉坐標系下的兩個電壓分量叫和u q，速度及轉矩反饋值由STF觀測器獲得。
[0012] 所述STF觀測器中的STF算法通過S-function函數實現。
[0013] 所述系統的偽偏導數Θ (t)通過新型參數估計算法，根據推進電機控制中給出的 永磁同步電機非線性系統模型的輸入輸出信息在線導出的。
[0014] 該發明的有益效果在于：本發明將高階無模型自適應控制（High Order Model-free Adaptive Control，高階MFAC)的基本思想和分析手段引入到矢量控制過程 中，提出了船舶吊艙SSP推進電機的高階無模型自適應矢量控制方法。無模型自適應控制 理論是侯忠生教授提出的一種新的非參數動態線性化方法，目前已在各個領域得到了廣泛 的應用。無模型自適應控制是一種新型的數據驅動控制方法，它擺脫了對受控系統數學模 型的依賴及未建模動態對控制系統的影響，僅用系統的1/0數據設計控制器，并且無模型 自適應控制的計算量很小，響應速度快。通過對船舶吊艙SSP推進電機的離散時間系統描 述，引入"偽偏導數"概念，提出了相應的動態線性化定理，并利用最優技術設計了 SSP推進 電機的無模型自適應矢量控制方案。進一步，從理論上來看，如果借鑒高階學習律的基本思 想，設計一個新的控制輸入準則函數，就可以充分利用更多船舶航行過程中的控制信息，而 控制器的設計將會更加靈活，由此可以進一步提高系統的控制性。本發明基于前期工作，提 出了一種基于高階無模型自適應矢量控制方法實現的船舶吊艙推進電機控制系統，并同時 給出了所提出方法與自整定PI矢量控制的仿真比較結果，詳細分析了不同航行及海況下 的仿真情況，進一步驗證了高階無模型自適應矢量控制算法應用于船舶吊艙SSP推進電機 控制系統的有效性，表明提出的控制器超調量小、動態響應快，并具有較強的抗干擾性和魯 棒性。
【附圖說明】
[0015] 為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現 有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以 根據這些附圖獲得其它的附圖。
[0016] 圖1是本發明實施例中的針對船舶吊艙SSP推進器的高階MFAC的系統結構示意 圖。
【具體實施方式】
[0017] 下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于 本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其它 實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0018] 在船舶機動航行或者惡劣海況下，航行中的負載及工況存在很大不確定性，從而 使得船舶吊艙SSP推進電機的控制極具挑戰性。本發明針對船舶吊艙SSP推進電機這類多 變量、強耦合、參數時變的復雜非線性系統，首次提出了一種復合無模型自適應矢量控制方 法，并將其應用到船舶吊艙SSP推進電機控制系統中，該方法將無模型自適應控制推廣到 矢量控制中，控制器