專利名稱：一種基于滑模變結(jié)構(gòu)的ist控制系統(tǒng)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于滑模變結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)及其控制方法，尤其是涉及一種基于滑模變結(jié)構(gòu)的1ST控制系統(tǒng)及其控制方法。
背景技術(shù)：
滑模變結(jié)構(gòu)控制是在上世紀(jì)六十年代初由前蘇聯(lián)Emelyanov、Utkin和Itkin等學(xué)者提出，它是一種非線性控制方法?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制本質(zhì)上是一類特殊的非線性控制，且非線性表現(xiàn)為控制的不連續(xù)性.這種控制策略與其他控制的不同之處在于系統(tǒng)的“結(jié)構(gòu)”并不固定，而是可以在動態(tài)過程中，根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)(如偏差及其各階導(dǎo)數(shù)等)有目的地不斷變化，迫使系統(tǒng) 按照預(yù)定“滑動模態(tài)”的狀態(tài)軌跡運動。由于滑動模態(tài)可以進(jìn)行設(shè)計且與對象參數(shù)及擾動無關(guān)，這就使得滑?？刂凭哂锌焖夙憫?yīng)、對應(yīng)參數(shù)變化及擾動不靈敏、無需系統(tǒng)在線辨識、物理實現(xiàn)簡單等優(yōu)點。在系統(tǒng)控制過程中，控制器根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)時狀態(tài)，以躍變方式有目的地不斷變換，迫使系統(tǒng)按預(yù)定的“滑動模態(tài)”的狀態(tài)軌跡運動。變結(jié)構(gòu)是通過切換函數(shù)實現(xiàn)的，特別要指出的是，通常要求切換面上存在滑動模態(tài)區(qū)，故變結(jié)構(gòu)控制又常被稱為滑動模態(tài)控制。設(shè)計變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)基本可分為兩步(I)確定切換函數(shù)S(X)，即開關(guān)面，使它所確定的滑動模態(tài)漸近穩(wěn)定且有良好的品質(zhì)，開關(guān)面代表了系統(tǒng)的理想動態(tài)特性。(2)設(shè)計滑?？刂破?，使到達(dá)條件得到滿足，從而使趨近運動(非滑動模態(tài))于有限時間到達(dá)開關(guān)面，并且在趨近的過程中快速、抖振小?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制具有穩(wěn)定范圍寬、動態(tài)響應(yīng)快、對參數(shù)變化和擾動不敏感等優(yōu)點。研究對象涉及到離散系統(tǒng)、分布參數(shù)系統(tǒng)、非線性大系統(tǒng)等眾多復(fù)雜系統(tǒng)。滑?？刂埔灿衅淙秉c，如當(dāng)狀態(tài)軌跡到達(dá)滑動模態(tài)面后，難以嚴(yán)格沿著滑動模態(tài)面向平衡點滑動，而是在其兩側(cè)來回穿越地趨近平衡點，從而產(chǎn)生抖振?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制是采用一個切換函數(shù)作為決策規(guī)則來實現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的切換，利用可變控制，在有限時間內(nèi)將系統(tǒng)狀態(tài)驅(qū)動并維持在切換函數(shù)所確定的一個超平面上，如圖I表示系統(tǒng)在滑模面上的運動。迄今為止，已有多個控制系統(tǒng)采用了滑模變結(jié)構(gòu)控制策略，取得了良好的效果。這里列出部分典型的應(yīng)用。I、電機(jī)的應(yīng)用這是滑模變結(jié)構(gòu)一直以來最主要的一個應(yīng)用領(lǐng)域，由于無論直流電機(jī)、同步電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)都存在嚴(yán)重的非線性，十分適合滑模變結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。2、開關(guān)變換器的應(yīng)用開關(guān)變換器是一個強非線性系統(tǒng)，滑模變結(jié)構(gòu)的應(yīng)用可解決開關(guān)變換器不易穩(wěn)定、對擾動抑制能力差等問題。根據(jù)開關(guān)工作周期，動態(tài)地對滑模誤差進(jìn)行修正，補償了控制量的大小，有利于近似地保證系統(tǒng)沿著切換面運動，并可以減少系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，達(dá)到削弱抖振的目的。3、機(jī)器人控制的應(yīng)用機(jī)器人近年來成為滑模變結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用方面之一。機(jī)器人是典型的非線性系統(tǒng)，存在各種不可預(yù)見的外部干擾，有大量關(guān)于此方面的研究?？蓚?cè)通過設(shè)計兩個滑模面，實現(xiàn)了帶有彈性力臂的雙關(guān)節(jié)機(jī)器人的研究。4、飛行器控制的應(yīng)用滑模變結(jié)構(gòu)控制本身的優(yōu)良性能，適合飛行器的運動控制。而且在導(dǎo)彈制導(dǎo)中發(fā)展神速。目前基于ST的控制主要是開環(huán)的，鮮有對其進(jìn)行閉環(huán)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(dá)不到正常補償?shù)哪繕?biāo)。本發(fā)明采用滑模變控制的ST輔以UPFC達(dá)到閉環(huán)控制的目的，可以對系統(tǒng)潮流得到極好的補償。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的上述技術(shù)問題主要是通過下述技術(shù)方案得以解決的一種基于滑模變結(jié)構(gòu)的1ST控制系統(tǒng)，其特征在于，包括連接在系統(tǒng)送端和受端之間的SEN變壓器和統(tǒng)一潮流控制器、分別設(shè)置在系統(tǒng)送端和受端的兩組用于測量電壓和電流的PT采集裝置以及CT采集裝置、與兩組PT采集裝置以及CT采集裝置連接的DSP及擴(kuò)展模塊、與DSP及擴(kuò)展模塊連接用于控制SEN變壓器的滑模變控制模塊、以及與DSP及擴(kuò)展模塊連接用于控制統(tǒng)一潮流控制器的PI控制器。這里SEN變壓器以下簡稱ST，統(tǒng)一潮流控制器以下簡稱UPFC ;這里的1ST指采用SEN變壓器加上統(tǒng)一潮流控制器的混和控制方法，稱為改進(jìn)型SEN變壓器。在上述的一種基于滑模變結(jié)構(gòu)的1ST控制方法，其特征在于，包括以下步驟步驟I，兩組PT采集裝置以及CT采集裝置采集系統(tǒng)線路的電壓電流，對比目標(biāo)電壓電流，經(jīng)過DSP及擴(kuò)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(dāng)前所處的位置，計算ST所需要投入到的位置，并控制ST的投切抽頭，投到目標(biāo)位置；步驟3，ST投切到目標(biāo)位置后，滑模變控制模塊計算剩下的所需UPFC投切的容量，并采用PI控制器控制UPFC實時跟蹤投入。因此，本發(fā)明具有如下優(yōu)點1.閉環(huán)控制，可以極大的發(fā)揮ST和UPFC在系統(tǒng)潮流補償中的作用；2.響應(yīng)速度快，可以極快的得到ST和UPFC各自所需補償?shù)降哪繕?biāo)點并快速投入到目標(biāo)位置；3.補償容量大經(jīng)濟(jì)性好，可以極大的發(fā)揮ST補償容量大但價格低廉的經(jīng)濟(jì)優(yōu)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，并給予準(zhǔn)確控制。


圖I是負(fù)載系統(tǒng)在滑模面上的運動的示意圖。圖2是本發(fā)明的一種結(jié)構(gòu)及控制器原理示意圖。
圖3是本發(fā)明采用的ST-UPFC控制系統(tǒng)在滑模面上的運動示意圖。圖4是本發(fā)明的硬件結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是與圖4對應(yīng)的控制原理示意圖。
具體實施例方式下面通過實施例，并結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體的說明。實施例首先有必要介紹一下滑模變結(jié)構(gòu)控制的定義及存在性。 設(shè)一非線性系統(tǒng)i =/(W)(式 I)其中，XG Rn, u G Rm, t G R需要確定滑模函數(shù)向量S(X)，S G Rm,并尋求變結(jié)構(gòu)控制
{、 I Uri (x)S7. (x) > 0Uj(X) = ].,., (式 2)
； ⑷ <0這里W;+(X)矣(X) , (i=l, 2，使得切換面Si(X) = 0以外的相軌跡于有限時間內(nèi)進(jìn)入切換面，這樣的控制系統(tǒng)稱為滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)主要有兩個設(shè)計目標(biāo)選擇滑模面Si (X)，求取控制⑷::滑模變結(jié)構(gòu)控制存在的條件Iim .V < 0 Iim 彳 > 0 (式 3)
S^O+S—0—或Iirruts <0(式 4)
S^O即切換函數(shù)要滿足可微和過原點的要求。這時，滑模變結(jié)構(gòu)控制存在且收斂。然后介紹本發(fā)明的混合式1ST控制方法的原理。如圖2所示，K為系統(tǒng)送端電壓，K為系統(tǒng)受端電壓，Xs, Xl, &依次為系統(tǒng)送端電抗、線路電抗和系統(tǒng)受端電抗，匕和^為系統(tǒng)等效送端電壓和等效受端電圧h力ST串聯(lián)部分補償系統(tǒng)的電壓，為UPFC串聯(lián)部分補償系統(tǒng)的電壓?？刂撇糠滞ㄟ^采集系統(tǒng)線路的電壓和電流，然后比較目標(biāo)電壓和電流，確定ST和UPFC各自所需投入補償?shù)挠泄β屎蜔o功功率。ST和UPFC都是調(diào)節(jié)系統(tǒng)潮流的裝置，但是，由于ST和UPFC分別有各自的優(yōu)點和缺點，此處把兩者結(jié)合組成1ST (Improved ST)控制系統(tǒng)的潮流可以彌補兩者的不足達(dá)到最優(yōu)的調(diào)節(jié)效果，如響應(yīng)速度快、調(diào)節(jié)容量大、成本低、調(diào)節(jié)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(xiàn)兩者的協(xié)同工作。接下來介紹本發(fā)明的控制方法流程I.選擇滑模面。由于ST的控制目標(biāo)有兩個，一個是線路傳輸?shù)挠泄，一個為無功Q，實際控制時也為P、Q的分步控制，在此系統(tǒng)中滑模面有兩個
權(quán)利要求
1.一種基于滑模變結(jié)構(gòu)的1ST控制系統(tǒng)，其特征在于，包括連接在系統(tǒng)送端和受端之間的SEN變壓器和統(tǒng)一潮流控制器、分別設(shè)置在系統(tǒng)送端和受端的兩組用于測量電壓和電流的PT采集裝置以及CT采集裝置、與兩組PT采集裝置以及CT采集裝置連接的DSP及擴(kuò)展模塊、與DSP及擴(kuò)展模塊連接用于控制SEN變壓器的滑模變控制模塊、以及與DSP及擴(kuò)展模塊連接用于控制統(tǒng)一潮流控制器的PI控制器。
2.—種權(quán)利要求I所述的一種基于滑模變結(jié)構(gòu)的1ST控制方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟I，兩組PT采集裝置以及CT采集裝置采集系統(tǒng)線路的電壓電流，對比目標(biāo)電壓電流，經(jīng)過DSP及擴(kuò)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，這里1ST變壓器表示改進(jìn)型SEN變壓器； 步驟2，通過滑模變控制模塊，對照SEN變壓器當(dāng)前所處的位置，計算ST所需要投入到的位置，并控制SEN變壓器的投切抽頭，投到目標(biāo)位置； 步驟3，ST投切到目標(biāo)位置后，滑模變控制模塊計算剩下的所需統(tǒng)一潮流控制器投切的容量，并采用PI控制器控制統(tǒng)一潮流控制器實時跟蹤投入。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于滑模變結(jié)構(gòu)的IST控制系統(tǒng)及其控制方法。首先，采集系統(tǒng)線路的電壓電流，對比目標(biāo)電壓電流，經(jīng)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；然后，通過滑模變控制模塊，對照ST當(dāng)前所處的位置，計算ST所需要投入到的位置，并控制ST的投切抽頭，投到目標(biāo)位置；最后，ST投切到目標(biāo)位置后，控制模塊計算剩下的所需UPFC投切的容量，并采用PI控制UPFC實時跟蹤投入。本發(fā)明實現(xiàn)了對IST的閉環(huán)控制，通過滑模變控制離散變化的ST可以更快更準(zhǔn)確的到達(dá)補償點，然后采用PI控制的UPFC實時跟蹤控制，不僅可以極大的發(fā)揮ST大容量低價格的優(yōu)勢，還可以實現(xiàn)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(yōu)先權(quán)日2012年8月9日
發(fā)明者岳夢奎, 田翠華, 袁佳歆, 費雯麗, 陳柏超 申請人:武漢大學(xué)