（控制理論與控制工程專業(yè)論文）感應(yīng)電機(jī)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng)控制的數(shù)字實(shí)現(xiàn).pdf

東南大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 本文針對(duì)基于精確模型的感應(yīng)電機(jī)高性能控制方法中存在的問題，將神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)與逆系統(tǒng)方法結(jié)合，以數(shù)字信號(hào)處理器和智能功率模塊為控制核心，數(shù)字實(shí)現(xiàn) 了感應(yīng)電機(jī)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆解耦控制方法，有效地克服了感應(yīng)電機(jī)的未建模動(dòng)態(tài)、 參數(shù)變化及負(fù)載擾動(dòng)對(duì)控制性能的影響，真正實(shí)現(xiàn)了感應(yīng)電機(jī)的線性化動(dòng)態(tài)解耦 控制，為高性能的感應(yīng)電機(jī)解耦控制提供了一種新方法。論文的主要研究工作及 取得的研究成果如下： 研究了感應(yīng)電機(jī)的矢量控制方法的原理及坐標(biāo)變換規(guī)律；簡(jiǎn)要說(shuō)明了感應(yīng)電 機(jī)逆系統(tǒng)控制方法的基本原理；為解決由于感應(yīng)電機(jī)因受未建模動(dòng)態(tài)、參數(shù)變化 和負(fù)載擾動(dòng)影響而使解析逆系統(tǒng)方法難以在實(shí)際中應(yīng)用的難題，采用了感應(yīng)電機(jī) 的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆解耦控制方法；給出了感應(yīng)電機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆模型的結(jié)構(gòu)形式、辨識(shí) 方法及實(shí)現(xiàn)步驟，使整個(gè)系統(tǒng)具有很強(qiáng)的參數(shù)魯棒性和良好的抗負(fù)載擾動(dòng)的能 力，為逆系統(tǒng)方法在高性能感應(yīng)電機(jī)控制中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。 為驗(yàn)證感應(yīng)電機(jī)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆解耦控制方法在實(shí)際應(yīng)用中的有效性，在基于 數(shù)字信號(hào)處理器和智能功率模塊的感應(yīng)電機(jī)數(shù)字控制裝置上，采用d s p 匯編語(yǔ)言 設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)的軟件，成功地進(jìn)行了感應(yīng)電機(jī)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng)動(dòng)態(tài)解耦控制 實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示系統(tǒng)具有良好的控制性能，表明感應(yīng)電機(jī)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng) 方法是一種有效和實(shí)用的高性能控制方法。 關(guān)健詞：感應(yīng)電機(jī)；矢量控制；逆系統(tǒng)；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；數(shù)字信號(hào)處理器；智能功率 模塊 第1 頁(yè) 東南太舉壩士學(xué)位論文 a b s t r a c t a b s t 警c t t h i sp a 口e rf o c u s e so ns o m ep r o b l e m si nc e n t r e ls t r a t e g i e so fi n d u c t i o nm o t o rw h i c h d e p e n do na c c u r a t em o d e l s ，s u c ha st h a to n l yc a l lr e a l i z es t a t i cd e c o u p l i n g ，r u ns h e r to fb o t h t h er o b u s t n e s so np a r a m e t e rv a r i a t i o na n dt | l ea 秭l & t or e s i s tl o a dd i s t u 痛a n c e b a s e do nt h e d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) a n di n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ( i p m ) ，t h en e u r a ln e t w o r k i n v e r s es v s t e mm e t h o df o ri n d u c t i o nm o t o rc o n g o li sr e a l i z e dd i g i t a l l y t h ei n f l u e n c ec a u s e d b yu n m o d e l i n gd y n a m i c s p a r a m e t e rv a r i a t i o na n d1 0 a dd i s t u r b a n t ei sd e c r e a s e de v i d e n t l y t h i sm e t h o da c h i e v e sl i n e a r i z a t i o na n dd y n a m i cd e c o u p l i n 2o fi n d u c t i o nm o t o ra n dp r o v i d e s an e wa p p r o a c hf o rh i g hp e r f o r m a n c ec e n t r e lo fi e d u c t i o nm o t o r , m a i nc o n t e n t sa n d p r o g r e s s e si nt h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： t h eb a s i cp r i n c i p l e sa n dc o o r d i n a t et r a n s f o r i l lr u l e so f v e c t o rc o n t r 0 1m e t h o do f i n d u c t i o n m o t o ra l ea n a l y z e d e m p h a t i e a l l 3 , a n dt h eb a s i ep r i n c i p l e so ft h ej n v e r s es y s t e mm e t h o da r e a n a l y z e ds i m p l y 玨o r d e rt oe l i m i n a t et h el n f l u e n c er e s u l t e df r o mu n m o d e l i n gd y n a m i c s 。 p a r a m e t e rv a r i a t i o na n dl o a dd i s t u r b a n c e n e u r a ln e t w o r ki n v e r s es y s t e mm e t h o di sp r o p o s e d t or e a l i z et h ed e c o u p l i n gc e n t r e lo fi n d u c t i o nm o t o r a n dt h es t r u c t u r ef o f l t lo fn ni n v e r s e s y s t e m t h ei d e n t i f i c a t i o na p p r o a c ha n dr e a l i z a t i o ns t e p st oo b t a i nt h en e u r a ln e t w o r k i n v e r s i o na l eg i v e n t h i sc o n t r 0 1s y s t e mh a sg o o dr o b u s t n e s s 幻p a r a m e t e rv a r i a t i o na n d s t r o n ga d a p t 曲i l i 童v 韜l o a dd i s t u r b a n c e 。秘l 璐h i g hp e r f o r m a n c ec e n t r e lo f 抽d 玨c l i o nm o t o ri s s i g n i f i c a n t l yi m p r o v e db vn ni n v e r s es y s t e mm e t h o d t op r o r et h ev a l i d i t yo ft h em e t h o dg i v e ni nt h i sp a d e lt h er e a l i z a t i o ns c h e m eo fd i g i t a i c o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p 、a n di n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ( i p m ) i sd e v e l o p e d 。t h ec o n t r o ls o f t w a r ei sp r o g r a m m e dw i 幽d s pa s s e m b l yl a n g u a g e 。t h eo v e r a l l d g i t a lc o n t r o lo fn e u r a ln e t w o r kl n v e r s es y s t e mf o rl n d u c t i o nm o t o ri sa c h i e v e d t h ec o n t r o l p e r f o r m a n c ei ss a t i s f a c t o r y , a n ds h o w st h a tt h en e u r a ln e t w o r ki n v e r s es v s t e mm e t h o di sa n e r i e c t i v ea n da p p l i e dm e t h o df o rt h ee o n t r o jo fi n d u c t i o nm o t o r k e y w o r d s ：i n d u c t i o nm o t o r , v e c t o rc o n t r o l ，i n v e r s es y s t e m ，n e u r a ln e t w o r k s ，d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o r , i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e 第1 i 頁(yè) 學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得 的研究成果。盡我所知，除了文中特剮加以標(biāo)注和致謝的媳方外，論文中不包含 其怨人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)豹研究艘果，巍不包含為獲褥東露大學(xué)或其它教彎規(guī)梭 的學(xué)位濺證書而使用過(guò)的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均 融在論文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。 簽名_ ! 睦趙e t 期：毫! 豎：曼：蘿 關(guān)于學(xué)位論文使用授權(quán)的說(shuō)瞬 東南大學(xué)、中國(guó)羊年學(xué)技術(shù)信惑研究所、國(guó)家圖書館有權(quán)保留本人所送交學(xué)使 論文的復(fù)印體稠電予文檔，可以袋用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文。本人 電子文檔的內(nèi)容和紙質(zhì)論文的內(nèi)容相一致。除在保密期內(nèi)的保密論文外，允許論 文被查黼和借闋，可以公布( 包括湖登) 論文的全部或部分肉容。論文的公布( 龜 始于| 登) 授權(quán)東南大學(xué)研炎生院辦理。 雄 鑫裁：毫竺主：主：! 燕妻叁囊壁主至璺縫查箜! 篷鱉壘 第l 章緒論 1 1 課題背景及研究意義 1 。1 ，1 研究課題的提出 在現(xiàn)代傳動(dòng)領(lǐng)域內(nèi)，交流感成電機(jī)以其具宵的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能耗小、制造維修 或本低鞠可靠戳高等誨多傀愨，德翻了越來(lái)越廣泛豹應(yīng)孺。然麗，卣子憋癱電毫毪 是一個(gè)多變量、強(qiáng)聯(lián)合、參數(shù)黠變瓣復(fù)雜囂線羧對(duì)象，痰藤；褰在大量豹來(lái)建摸狀 態(tài)，難以建立精確的數(shù)學(xué)模繳，實(shí)施高性能的控制。長(zhǎng)期以來(lái)，在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域 中仍然怒直流傳動(dòng)系統(tǒng)占據(jù)絞治圭| 曩位。近每來(lái)，睫羞電力電予技術(shù)及計(jì)算襁技術(shù) 的發(fā)展，特別爨禽慳能的數(shù)宰信號(hào)處理器、集成電路芯片及功率模塊的發(fā)展，一 鱉復(fù)雜豹控澍冀法，黧矢量控籟、交結(jié)穩(wěn)浚每、自適瘦控翎等，得戳在感應(yīng)宅梳 中運(yùn)用，感應(yīng)電機(jī)的控制性能不斷提高，正逐步取代直流電機(jī)成為電氣傳勸系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)怒瓿麓主流。 農(nóng)眾多懿感應(yīng)憊敬控毒l 皴零孛，矢量羧露l 麓應(yīng)零最簧逮漿一釋囊鏈黲豹控潮 方法。必量控制又稱為磁場(chǎng)定向控制，通過(guò)坐標(biāo)變換產(chǎn)生幅假和相位相同的旋轉(zhuǎn) 磁場(chǎng)矢爨，在三捐交浚毫動(dòng)捉上樓羧壹流奄動(dòng)蔽轉(zhuǎn)距控鑲l 熬簸律，激霹步旋轉(zhuǎn)坐 標(biāo)系下麴定子電流鼴相垂直分量分撮獨(dú)立控制轉(zhuǎn)距和磁鏈，搜得感應(yīng)電動(dòng)楓獲得 和贏流滾動(dòng)杌一樣裔譙能的調(diào)速措標(biāo)。矢囊控鍘假設(shè)磁鏈遮秘j 穩(wěn)態(tài)并保持恒定， 從控制方法上著，實(shí)際是一種近似的穩(wěn)態(tài)解耦控制。而簇于數(shù)學(xué)解析的逆解耦控 制黃是遴過(guò)建立感應(yīng)邀機(jī)數(shù)學(xué)模楚，著求出其遽模型( 細(xì)巢可逆的話) 霜，與電 瓿攘壁整會(huì)眷氆藏其蠢線牲關(guān)系羹暑簿勰豹耱痰蓬純?nèi)亟g，霉裂熙線磐妻系統(tǒng)夔 各種設(shè)計(jì)方法完成該系統(tǒng)的綜合。矢量控制和邋解耦控制都嫩建立在對(duì)象數(shù)學(xué)模 型藻礎(chǔ)上戇，要求模蘩結(jié)構(gòu)及參數(shù)煺礁已翹。感應(yīng)電楗作為一個(gè)復(fù)雜囂線瞧對(duì)象， 電枧參數(shù)隨工況變傀鼴著，系統(tǒng)存在一些不可預(yù)見的干擾幫來(lái)建模動(dòng)態(tài)，使得實(shí) 際釃感艨電梳鼗舉模澄無(wú)法精確建立，難叛獲褥預(yù)期靜控露8 性能。 為了克服基予數(shù)學(xué)模型的感應(yīng)電機(jī)控制方法存在的缺點(diǎn)，消除參數(shù)時(shí)變、不 可預(yù)見干擾和未建摸幼態(tài)等因素對(duì)控制性能的影響，近年淶，智能控制技術(shù)，尤 箕楚 串綴溺絡(luò)菠潮技零逐漸被靨予實(shí)溪蔫毪戇感應(yīng)毫稅的控黼”五”l 。茅掰享率經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)具脊良好的對(duì)非線性系統(tǒng)的逼近能力，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有的非線性遁i 瞳能力、 學(xué)習(xí)轆力與遂系統(tǒng)方法靜解藕線瞧純特點(diǎn)糖綴合，數(shù)毒串經(jīng)溺絡(luò) 乍秀一般的瓣諼模 型，充當(dāng)非線性系統(tǒng)的逆模型；剩煺禧經(jīng)麓終躲分布式莠行綏擒具鴦鼴容鐿性與 第1 賈 東南失學(xué)碩士學(xué)位論足第t 章緒論 魯糝性，并利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)綴強(qiáng)酌學(xué)習(xí)能力，邋過(guò)正確有效的 j | | 練，得到釋棒牲好、 抗干擾能力強(qiáng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的整體性能。出于這樣一種思考，我 們將課題組近年來(lái)提出的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的逆系統(tǒng)線性化熊禍控制方法【5 ，e 7 ，8 1 應(yīng)用 在舔嶷毫援夔瓣耩菠髑中，_ 并數(shù)字實(shí)瑗了憋疲毫程贅耱經(jīng)瓣絡(luò)遂艇禚戇裁方法。 1 1 2 研究目的及意義 壤者鼴在魄諜題維提出懿囂線蛙系統(tǒng)戇毒孛經(jīng)霹終遂系統(tǒng)控裁方法跫一靜成 熟酌新方法，該璦研究工作是在圜家自然科學(xué)基金一“囂線性系統(tǒng)靜神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)程 階逆系統(tǒng)控制方法及其應(yīng)用研究( 6 9 7 8 4 0 0 1 ) ”的資助下避行的，在電力系統(tǒng)非 線性控常4 、機(jī)器人解耦控制、燧動(dòng)控制( 感廒電機(jī)解耦控制、多電機(jī)系統(tǒng)解耦控 裁等 、滾程控翱中褥裂充分熬驗(yàn)證秘運(yùn)薅，對(duì)復(fù)雜j 線瞧系統(tǒng)控裁鶼贛究泰送 一步發(fā)展意義重大。 本文的工作是在課題組已取得的許多研究成果上展開的，研究的目的在于以 工篷控涮詩(shī)算撬、數(shù)字售號(hào)處毽囂褰餐藐功攀模渙受控毒梭心，數(shù)字實(shí)溪一囂囂 時(shí)其肖逆系統(tǒng)線憾化解耦特點(diǎn)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)點(diǎn)的感應(yīng)電機(jī)控制的新方法，減小電 機(jī)參數(shù)時(shí)變、負(fù)載擾動(dòng)以及未讖模動(dòng)態(tài)對(duì)感威電機(jī)調(diào)速控制的影響，提高感應(yīng)電 機(jī)控制系統(tǒng)的調(diào)遮憷能、參數(shù)蟄棒性和抗干擾能力。該課題的工作，以實(shí)驗(yàn)的方 式驗(yàn)涎了棒經(jīng)網(wǎng)終逆系統(tǒng)控灝方法的有效毪秘實(shí)壤往，為菇往麓的感磁電祝控裁 尋找到一種新方法，應(yīng)用前景十分廣闊。 1 2 本文的皇要工作及態(tài)容安排 本文研究基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng)方法的感應(yīng)電機(jī)解耦控制的數(shù)字實(shí)現(xiàn)問題，主 要工作包括：首先，研究了基于磁場(chǎng)定向控制策略的矢量控制的基本原理和坐標(biāo) 交換麓律：討論了蘩予瓣輯遂系統(tǒng)方法鵑感淼毫輥線整純解藕控裁纛鍪予李孛經(jīng)弼 絡(luò)的艨應(yīng)電機(jī)逆解耦控制；此后，給出了感應(yīng)電機(jī)的神經(jīng)兩絡(luò)逆模型的結(jié)構(gòu)形式、 辨識(shí)方法及實(shí)現(xiàn)步驟，獲得了具有很強(qiáng)參數(shù)魯棒性和抗擾動(dòng)能力的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆解 耦控制系統(tǒng)；最愛，梅建鞋工監(jiān)控割詩(shī)算提、數(shù)字售號(hào)縫瓔器及磐能功搴模塊為 核心器件的感虛電機(jī)數(shù)字控制平臺(tái)，數(shù)字實(shí)黼了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)滋解耦控翎方法，并進(jìn) 行了棚應(yīng)的實(shí)驗(yàn)和研究。 論文共分為7 寒，具體盎察安排如下： 黧i 章為緒論，闡述了本文研究的目的和意義，及論文內(nèi)容的安攤。 第2 章首先對(duì)商性能的感成電機(jī)控制策略進(jìn)行了綜述，對(duì)恒壓頻比控制、矢 量控鍛、垂適應(yīng)控劍、智能控制等控制策略遴行了篾要的分緩；重點(diǎn)研突了墾蘸 應(yīng)爝疑為廣泛靜感應(yīng)電視矢量控制方法，分孛廳了矢量控鍘的基本樂理及英坐標(biāo)變 第2 頁(yè) 末南太嚳碩士學(xué)位論文第1 章緒論 摸斌律，并給密了一種按轉(zhuǎn)予磁場(chǎng)定向的壹接矢量控制的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)。 笫3 章介紹了非線性系統(tǒng)的逆系統(tǒng)方法的基本原理，針對(duì)基于精確模型的感 應(yīng)電褫矢量控制秘解亳蜃逆系統(tǒng)線性 七解藕控制方法的缺點(diǎn)，提出了感應(yīng)泡枧茲神 經(jīng)弼絡(luò)逆解藕控鍘方法，繪出了基予不同感應(yīng)電輥模型靜猙經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆模濺的結(jié)擒 形式、辨識(shí)方法及實(shí)現(xiàn)步驟，為消除參數(shù)時(shí)變、不可預(yù)見干擾和未建模動(dòng)態(tài)等因 素的影響，提高感應(yīng)電機(jī)控制系統(tǒng)的調(diào)速性能、參數(shù)魯棒性和抗干擾能力找到了 耱蠢效豹藪方法。 篇4 章研究了感應(yīng)電機(jī)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆解耦控制方法的數(shù)字實(shí)現(xiàn)的硬件部分。 詳細(xì)介紹了系統(tǒng)硬件的總體結(jié)構(gòu)，以及數(shù)字控制單元、功率變換單元、數(shù)據(jù)采集 單元孵愿理移硬件魄路，蒡棱逡了基于d s p 秘i p m 的感應(yīng)邀橇數(shù)字按籬l 平臺(tái)。 箱5 章研究了感應(yīng)電機(jī)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆解禍控制方法的數(shù)字實(shí)現(xiàn)的軟件部分。 詳細(xì)介紹了系統(tǒng)軟件的總體結(jié)構(gòu)及各功能模塊的設(shè)計(jì)，研究了變量的數(shù)據(jù)格式和 數(shù)德詩(shī)冀技術(shù)，并剃魘d s p 茳綻語(yǔ)言編寫了系統(tǒng)的控裁較捧。 第6 章在感贏電機(jī)的數(shù)字控制平臺(tái)上，對(duì)感應(yīng)電梳的恒壓頻曉控制、矢量控 制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆解耦控制方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和比較，以實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆 系統(tǒng)控制方法的實(shí)用性和有效憾。 第7 章對(duì)本文麴研究工律送行了總結(jié)及展望。 第3 頁(yè) 末南太學(xué)碩士學(xué)位論支 第2 瘴感應(yīng)電機(jī)的是營(yíng)控裁方法 第2 章感應(yīng)電機(jī)的矢量控制方法 2 1 高- 性能的感應(yīng)電機(jī)控制策略 2 。1 。1 整壓凝魄控裁 憾壓頻比( v f ) 控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)，實(shí)際上是一種標(biāo)量控制( s c a l a r c o u t r 0 1 ) ，其控制擻是感應(yīng)電機(jī)的定予電壓蟠值和頻率( 憊壓控制型) 殘是定予 電流福蓬幫頻率( 泡流控麓墅) 。瀲如圖2 1 。1 掰示懿電基控制鍪髂懂疆頻斃控翩 系統(tǒng)為例，電機(jī)運(yùn)行時(shí)保持定予電壓幅值與頻率的比值不變，則定子磁鏈幅值將 恒定不變，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)距與給定的頻率無(wú)燕。由于忽略了定子電阻壓降，在電 掇褰瀵運(yùn)行對(duì)杏怒輕豹控裁效慕；當(dāng)轉(zhuǎn)速綴低眩，必須對(duì)寵子電壓送行棗 繕，適 當(dāng)提升電機(jī)的定子電壓。恒壓頻比控制適用于感應(yīng)電機(jī)穩(wěn)態(tài)下的工作情況，可以 進(jìn)行簡(jiǎn)單的變頻調(diào)速，但無(wú)法控制空間電壓矢量或空間電流矢量的方向及其相對(duì) 位置，因此，轉(zhuǎn)距按毒性能較麓。當(dāng)電機(jī)負(fù)載擾動(dòng)或參數(shù)突變時(shí)，無(wú)法突時(shí)調(diào)節(jié) 速愛并改交毫輥運(yùn)行狡態(tài)，可簸造成電輥麓= ；蕊電流、過(guò)熱袋過(guò)受載，及褥降彳氛電 機(jī)的使用效率，甚至損壞電機(jī)。 頻 2 1 2 矢量控制 圖2 1 1 電壓控制型的恒壓頻比控制系統(tǒng)結(jié)橡 隨著機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展，矢量控n t 9 , , o l 在感應(yīng)電機(jī)高性能控制中得到相 當(dāng)普遮豹應(yīng)爆。矢麓控裁本質(zhì)上是一靜近似鶼穗態(tài)解糕控鍥，它懿基本思想是按 照產(chǎn)生相同的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)這一等效原則，通過(guò)空閥坐標(biāo)交換的方法，把交流電機(jī)定 子電流矢量分解成掖磁場(chǎng)定向的兩相垂直直流分量，在感應(yīng)電機(jī)上模擬崴流電動(dòng) 機(jī)的轉(zhuǎn)距控制規(guī)律。 壤據(jù)坐標(biāo)交換中參考矢量產(chǎn)生方式翡不藺，矢量控翻可分為聞接矢最控翻和 第4 頁(yè) 東南太萼碩士學(xué)位論文 第2 帝感應(yīng)電機(jī)的炙鷺控制方法 直接矢量控鑭。兩者的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本相同，榷一的區(qū)掰憝瘸于坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換豹磁 鏈角的獲得方式不同。間接矢爨控制的磁鏈角由轉(zhuǎn)子速度及轉(zhuǎn)差增益計(jì)算得出， 具有綴寬的調(diào)速范圍，目前在工業(yè)上應(yīng)用最為普遍；但由于轉(zhuǎn)差增益與電機(jī)參數(shù) 有關(guān)，使褥電疆調(diào)速戇凌靜態(tài)浚裁受至l 穰大影嫡，控制囂參數(shù)難鞋鏊定。壹蘞矢 量控制的磁鏈角由磁鏈觀測(cè)器估計(jì)得出，控制性能很大程度上取決于磁鏈觀測(cè)器 的估計(jì)精度，存在對(duì)測(cè)量誤差敏感、低速性能差等缺陷；假磁鏈角直接通過(guò)觀測(cè) 器獲繕，無(wú)露通過(guò)復(fù)雜的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)形式更為篾單。 根據(jù)選擇的用于定向的參考矢量的不同，又可以分為按定子磁場(chǎng)定向的矢量 控制和按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制。前者的最大優(yōu)點(diǎn)在于，由定子磁鏈觀測(cè)器導(dǎo) 出的磁鏈危僅與電予參鼗有關(guān)，控制系統(tǒng)受魄機(jī)參數(shù)變化的影響較小；兩按轉(zhuǎn)子 磁場(chǎng)寵囪靜矢量藏麓的結(jié)構(gòu)筒肇，容荔工敦實(shí)現(xiàn)，反兩褥潮更多的應(yīng)麓。 2 1 3 自適應(yīng)控制 鑫逶痤控裁系絞是一器塞羧縫懿復(fù)雜控鍘系統(tǒng)，它戇狻整薅象及冀坯緩夔數(shù) 學(xué)模測(cè)無(wú)法完全確定，其中包禽一些未知困繁和隨機(jī)因素。根據(jù)調(diào)節(jié)器的參數(shù)調(diào) 節(jié)是褥需要經(jīng)過(guò)估計(jì)辨識(shí)和修正，可以分為敷接自適應(yīng)和問接自適應(yīng)控制。直接 自遁殿控制的典型例子是模型參考自適應(yīng)控制f “l(fā) ，麗自校正調(diào)節(jié)系統(tǒng)大多數(shù)采用 靜蹩瀾接自適應(yīng)羧鑲l 結(jié)構(gòu)。 作為一個(gè)復(fù)雜的多變量、強(qiáng)耦合、參數(shù)時(shí)變的非線性系統(tǒng)，感應(yīng)電機(jī)的內(nèi)部 存在大量的未知的淶建模狀態(tài)，當(dāng)它的電氣參數(shù)受到飽和現(xiàn)蒙、溫度變化及趨膚 效應(yīng)豹彩穩(wěn)瑟交純，或撬轅參數(shù)受裂受載轉(zhuǎn)鞭、電弱撬魂瓣影確瑟變佬辯，簧統(tǒng) 的控制方法要么過(guò)于復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)，要么出現(xiàn)較大的偏麓，無(wú)法實(shí)施有效控制。 利用自適應(yīng)控制技術(shù)對(duì)控制器的在線實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的能力，在感應(yīng)電機(jī)的模型參數(shù)未 知或變純教媾凝下，實(shí)孵調(diào)整控囊l 器黲參數(shù)絨結(jié)擒，獲褥期望的穩(wěn)定性、魯薅性 及良好的動(dòng)靜態(tài)響斑特性。 2 1 4 智能控制 磐貔控魏【疆邋過(guò)模掇入藏靜悉維幫蓿怠楚理麓力寒實(shí)現(xiàn)對(duì)鋈標(biāo)對(duì)象的控涮， 一般而言，智能控制包括專家系統(tǒng)、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。在電氣傳渤領(lǐng)域中， 由于控制對(duì)象模型常常是未知的或是不精確的，研究的系統(tǒng)可能是復(fù)雜的非線性 系統(tǒng)，傳統(tǒng)匏基于精確模型的羧裁方法難以聯(lián)褥滾意的控糕效栗。智熊控制系統(tǒng) 以其自適應(yīng)、自組織及自學(xué)習(xí)的熊力，克服了傳統(tǒng)控毒l 方法對(duì)數(shù)學(xué)模型的依賴幢， 通過(guò)引入智能控制技術(shù)，可以脊效地提高系統(tǒng)的魯棒性和適應(yīng)性，提升按制系統(tǒng) 的綜合性能。 較之專家系統(tǒng)翻模灝控鍘，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整涮是一種更一般豹人工智熊形式。由 第5 _ 頁(yè) 東南趕攀碩士學(xué)拉論交第2 竄感應(yīng)電機(jī)的是量控錨方法 于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)大規(guī)模鞠分布式并行處理的非線性系統(tǒng)，便萁能在甏高的層次 上模擬人腦的智能行為。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的類型主舞有前向多層網(wǎng)絡(luò)、反饋網(wǎng)絡(luò)、徑向 基函數(shù)網(wǎng)絡(luò)等。目前廣泛應(yīng)用的類型是前向多層網(wǎng)絡(luò)，包括一個(gè)輸入艨，一個(gè)輸 遺豢，戮及一個(gè)藏多令隱層。壤論上基經(jīng)涎翳，一個(gè)三蘑耱經(jīng)霜終可以經(jīng)意精度 逼近一個(gè)非線性映射，本文的采用就是這樣的前向多層嘲絡(luò)結(jié)構(gòu)。目前，神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)技術(shù)的研究越來(lái)越受到重視，在系統(tǒng)控制、模式時(shí)變、信息工程等許多方面得 至l 廣泛應(yīng)鼴，在電力電子及電力傳動(dòng)領(lǐng)域中，享孛經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已應(yīng)鷹予j 線性綴數(shù)逼近、 系統(tǒng)襖態(tài)估計(jì)和參數(shù)辨識(shí)u 3 , 1 4 , 1 秘、p w m 控制婀等許多方蕊。在高縫麓豹感應(yīng)電 機(jī)控制中，主要鼴利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)很強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力，以充分豐富的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò) 對(duì)網(wǎng)絡(luò)的合適訓(xùn)練來(lái)獲取具有足夠精度的對(duì)象模型或逆模型，實(shí)現(xiàn)離性能的控 裁。文章魏囂續(xù)謄節(jié)將重熹分緩基于耱經(jīng)弱終戇感應(yīng)電瓢逆解藕控裁捩零。 2 2 感應(yīng)電機(jī)的矢量控制方法1 9 1 本章首先籍介緩的是矢量撩鍘策臻靜基本原理和一般攘鍘規(guī)律，接著將給蠢 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的矢量變換控制方程式，最后將討論一個(gè)經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明具有良好控制性 能的绱應(yīng)電動(dòng)機(jī)矢爨控制系統(tǒng)。 2 2 。l 矢量控糕豹基本囂瀵 矢量變換控制( t r a n s v e c o rc o n t r 0 1 ) 是在1 9 7 1 年由聯(lián)邦德國(guó)的b l a s c h k e 等 人營(yíng)繩提出的。這張技術(shù)的采髑，使褥感應(yīng)魄動(dòng)機(jī)獲得毒鞋纛流電動(dòng)楓一襻贏性能 的調(diào)德指標(biāo)。 根據(jù)力學(xué)定櫸知，電機(jī)拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)遵循的基本運(yùn)動(dòng)方程式 1 7 , 1 8 1 為 r 嗄= ( 羆2 害 叫) 式中的t 、t l 分別為電動(dòng)機(jī)和負(fù)載轉(zhuǎn)距，h 為轉(zhuǎn)速，g d 2 為飛輪力矩。 睡0 2 1 ) 式可見，要獲褥糙度毫、響應(yīng)浚黲速度控制憋愛，就要磚毫磁轉(zhuǎn)距 有努的控制性能。贏流電動(dòng)機(jī)之所以具有商鏈能的調(diào)速指標(biāo)和運(yùn)行將瞧，豫了采 用轉(zhuǎn)遮、電流的雙閉環(huán)負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)外，主繇是由于其電磁轉(zhuǎn)距為t = c 。c d l 。 當(dāng)勵(lì)磁電流保持不變( 不考慮峨機(jī)參數(shù)變化，即保持轉(zhuǎn)距系數(shù)c m 恒定) 時(shí)，轉(zhuǎn) 距與魄樞宅流或正跑，囂魏，控制電摳電流幫可達(dá)委控制轉(zhuǎn)距，薺最終控制宅輥 轉(zhuǎn)速的目的。 對(duì)于三相交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)距表達(dá)式棚對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)復(fù)雜得多，為 t = 巳c b l 2c o st p 2 ( 2 2 2 ) 第6 萌 東南太學(xué)碩士學(xué)位論文第2 章惑應(yīng)電機(jī)的炙量控制方法 其中氣隙磁通審、轉(zhuǎn)子電流 和轉(zhuǎn)予葫率因素c o s q 9 z 都是轉(zhuǎn)差率s 的函數(shù)， 且都是難以直接控制的。比較釋易直接控制的是定子電流，。，而它是轉(zhuǎn)予電流，： 的手斥臺(tái)值與勵(lì)磁嗷流矗的矢量粒。因此，鼗在動(dòng)態(tài)過(guò)程中準(zhǔn)確地控锘轉(zhuǎn)距，解決 魏方法是在普通駒三穗交流穗溺祝上，設(shè)法摸掇毫直流激動(dòng)撬鵑轉(zhuǎn)距靛豢l 規(guī)律。 矢量變換控制就怒實(shí)現(xiàn)這種控制思想的技術(shù)。 矢量變換控制的基本思路是按照產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)這一等效原則建立起 來(lái)瀚，搿需魏交羧窺律毒囂耱：三穗一穗穩(wěn)變換；矢蠡旋轉(zhuǎn)變撩。 2 2 2 三相兩相變換 霾2 2 。1 表示三鞠繞縫、覡、黟耪與之等效懿溪穩(wěn)繞縫滋、夔各穩(wěn) 脈動(dòng)磁勢(shì)矢量的窳間位置。為了簡(jiǎn)單起見，令三相繞組的彬，軸與兩糊繞組的彬 軸重合。磁通勢(shì)的大小隨時(shí)間變化，任何時(shí)刻的各相磁通勢(shì)幅值一般不相等，因 此，豳中表示的磁迢勢(shì)僅是其鏊波分量的空閣矢量方囪。按照合成旋轉(zhuǎn)磁通勢(shì)穩(wěn) 等酌變換原劉，掰套繞組的瓣時(shí)磁通勢(shì)在彰、職軸上靜投影應(yīng)相等，即 f ， 。 。 。f 。 甏2 2 。 三穩(wěn)繞綞鞫等效舞搖繞繳豹磁逶勢(shì)熬空瓣矢量位置 。= e ec 。s 6 。一凡c 。s 6 0 4 = e 一言只一三兄 易：= 曩s i n 6 0 4 - 疋s i n 6 0 = - - 2 - 巧f ，一巫2 f w 設(shè)兩套繞組每相等效的集中熬距匝數(shù)相同，則 麓使兩套繞繕電流豹標(biāo)么餐( 標(biāo)么值顫上標(biāo)；表示) 襁等，蔣囂鞠亳流靜驀 第7 頁(yè) 仨 卜扛 ，一2 卜石丁 f l = 和 ，h 東南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第2 章感應(yīng)電機(jī)的矢量控制方法 值定為三相電流基值的1 5 倍，則 o ，= 詈( c 一吉f ：一j 1f ：) 0 ，= ( c 一寺卜i f ：) 2 ，4 3 。3 ，、 h z2 了【- t o 一了o ) 寫成矩陣形式為 嘲= 詈 1 1 o 魚 經(jīng)反變換得兩相一三相變換方程式 l 1 2 1 2 ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) 對(duì)于三相y 形無(wú)零線的接法，i 。+ i ，+ i ，= 0 ，即i 。i ui ，則( 2 2 5 ) 式簡(jiǎn) 鼢 獅 臥一鼢隧磅 仁2 刃 2 2 3 矢量旋轉(zhuǎn)變換 在交流繞組、和與之等效的直流繞組、之間的變換屬于矢量旋 第8 頁(yè) j 0 j 0 j 0 卜j i i i i i i 且 。：壓一： 一埽 h lljijiijirj 。魚：塵： 東南是舉碩士學(xué)位論文第2 幸感應(yīng)電機(jī)盼矢蚤控糕方法 磁邋國(guó)，終為這一麓準(zhǔn)磁通。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，嘞和互都班同步轉(zhuǎn)速挪。旋轉(zhuǎn)著，它們 之間有一個(gè)空間相位差o i 。以咖為基準(zhǔn)，把分解成與m 軸重臺(tái)和正交的兩個(gè)分 量i 蚌，和0 。，它們相當(dāng)于等效纛流繞組歌、崴的電流( 實(shí)際是磁通勢(shì)) ，稱為電 流豹融磁分量秘轉(zhuǎn)距努量。交流繞組磁、溉在空滴上豹經(jīng)置是蘑定靜，麗審文 轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，因此0 和暇軸的夾角伊隨時(shí)間而變化。m 沿彬、軸的分解， 相當(dāng)于黻、繞綴磁通勢(shì)的瞬時(shí)值。 |w 2 1 i i m確i w 4 貅、 0 i w l 、 嘲2 2 2 旋轉(zhuǎn)矢嫩夏抉 由圖2 2 2 可以看出，i w ，、l w 2 和0 ，、瓴之問存在以下關(guān)系 磊 = 匆3c o s ( p 一知4s i n p i w 2 。i 3s i n f o + i 4c o s 其矩贍形式為 阱出毒t 遨裁是從旋轉(zhuǎn)艇標(biāo)系變換戮靜止坐標(biāo)系黲矢量旋轉(zhuǎn)交換方程式。愛之，投攥 矩陣邋交換可褥，豳靜止坐標(biāo)系到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的交換方程式為 盼i w 3 留意妒州三s i 蚓nq b v i v e ：1 ， 國(guó)于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸是由磁通矢撬的方向決定的，所以旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)甄、又叫做 磁場(chǎng)定向坐標(biāo)，矢掇變換控制系統(tǒng)又稱磁場(chǎng)定i f i l ( f i e l do r i e n t a t i o n ) 控制系統(tǒng)。 2 2 ，4 按磁場(chǎng)定翔鰉感應(yīng)惑懿矢量控穰系統(tǒng) 綴過(guò)幾十年的研究，感應(yīng)電機(jī)矢量控制的理論基礎(chǔ)已經(jīng)相當(dāng)成熟，實(shí)際系統(tǒng) 種類繁多，各有千秋，且發(fā)展方興未艾。本文采用的是一種按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的直 接矢爨控裁方案，系統(tǒng)結(jié)梅強(qiáng)鬻2 2 1 3 輯示。磁場(chǎng)定憊蕊矢量交換茬翻，是爨焉 第9 頁(yè) 東南大學(xué)碩士學(xué)位論文第2 章感壓電機(jī)的矢量控制方法 坐標(biāo)變換規(guī)律把感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的定子電流i 分解為以轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的勵(lì)磁分量f ， 和垂直于定向磁場(chǎng)且產(chǎn)生轉(zhuǎn)距的轉(zhuǎn)距分量f 。的兩個(gè)分量，在感應(yīng)電動(dòng)機(jī)上模擬直 流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)距控制規(guī)律。矢量控制通過(guò)坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)了類似于直流電動(dòng)機(jī)的雙 閉環(huán)負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)，所不同的是其控制信號(hào)要從直流量變換到交流量，而反饋 信號(hào)則必須從交流量反變換成直流量。 系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)為電流負(fù)反饋。空間坐標(biāo)系下的三相電流f 。、“f ，經(jīng)三相一 兩相變換，得到等效的靜止直角坐標(biāo)系下的兩相電流、i 。，再經(jīng)矢量旋轉(zhuǎn)變換， 得到等效的旋轉(zhuǎn)直角坐標(biāo)系下的定子電流勵(lì)磁分量f ，。和轉(zhuǎn)矩分量i 。實(shí)現(xiàn)解耦。 再將f ，。、f 。及轉(zhuǎn)速腳，輸入磁鏈觀測(cè)器，即可求出表示旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系在靜止坐標(biāo)系 下相對(duì)位置的轉(zhuǎn)子磁鏈角曰。 系統(tǒng)的外環(huán)為速度負(fù)反饋。通過(guò)正交解碼q e p 方式獲得的速度反饋信號(hào)腳， 經(jīng)弱磁控制得到額定勵(lì)磁電流f 卅：并與額定轉(zhuǎn)速國(guó)：比較，經(jīng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器得到額 定轉(zhuǎn)距電流。將獲得的、f ：分別與由電流環(huán)獲得的、相比較，將差值 輸入電流內(nèi)環(huán)的誤差自矯正p i 調(diào)節(jié)器，經(jīng)積分運(yùn)算求出吃、眨，再經(jīng)矢量旋 轉(zhuǎn)反變換求出吃、嘭，輸入s v p w m 發(fā)生模塊，產(chǎn)生感應(yīng)電機(jī)矢量控制所需的 六路空間向量調(diào)制波形，經(jīng)濾波放大后驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行。 碼盤 圖2 2 3 按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的直接矢量控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu) 2 3 本章小結(jié) 本章簡(jiǎn)要介紹了幾種高性能的感應(yīng)電機(jī)控制策略，重點(diǎn)研究了感應(yīng)電機(jī)矢量 控制的基本原理及其坐標(biāo)變換規(guī)律，給出了一種按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的感應(yīng)電機(jī)直接 矢量控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，為后續(xù)章節(jié)的進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。 第l o 頁(yè) 東南大學(xué)碩士學(xué)位論文第3 章感應(yīng)電機(jī)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng)控制方法 第3 章感應(yīng)電機(jī)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng) 控制方法 3 1 逆系統(tǒng)方法基本原理 考慮由如下方程描述的非線性方系統(tǒng) ：丘= 廠( 圳) 【j ，= h ( x ，) ( 3 1 _ 1 ) 其中工m c 尺”，h u c r ”，y r p , 肌= p ，f ( x ，) 、h ( x ，盯) 是局部解析的 多元向量值映射。 對(duì)于式( 3 1 1 ) 描述的非線性系統(tǒng)， f = 戶( 善，x ，p ) 腳= f 停，x ，v ) 將式( 3 1 2 b ) 代入式( 3 1 1 ) 消去即， 構(gòu)造 r 3 1 2 a ) ( 3 1 2 b ) 與式( 3 1 2 a ) 聯(lián)立得復(fù)合系統(tǒng) ( 3 1 3 ) 對(duì)于以上的復(fù)合系統(tǒng)，若有乃( ，) = v 。( d ( f p ) 成立，則稱系統(tǒng)( 3 1 2 ) 式描述 的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)為非線性系統(tǒng)( 3 1 1 ) 式的動(dòng)態(tài)單位右逆系統(tǒng)；若存在自然數(shù)口n ( f p ) 使得y 嚴(yán)= v ，則稱( 3 1 2 ) 式為( 3 1 1 ) 式的動(dòng)態(tài)1 2 階積分右逆系統(tǒng) ( 口= a i ，一，口。) ) 。右逆系統(tǒng)的作用是由系統(tǒng)的期望輸出，來(lái)產(chǎn)生需要加到系統(tǒng)輸 入端的控制，因此右逆系統(tǒng)相當(dāng)于個(gè)控制器。對(duì)于由( 3 1 2 ) 式描述的非線性 系統(tǒng)，若加善= 0 ，j j ( 3 1 2 ) 式退化為 ”= r ( x ，p ) ( 3 1 4 ) 相應(yīng)的右逆系統(tǒng)是一個(gè)靜態(tài)的非線性映射，稱( 3 1 4 ) 式為( 3 1 1 ) 式的靜態(tài)右 逆系統(tǒng)( 單位逆或口階積分逆) 。將右逆系統(tǒng)( 靜態(tài)或動(dòng)態(tài)) 與原系統(tǒng)復(fù)合，組成 的新系統(tǒng)，其輸入輸出是一對(duì)一的線性積分關(guān)系( 單位逆是一對(duì)一的恒等映 射) ，這樣的復(fù)合系統(tǒng)稱為偽線性系統(tǒng)。顯然，復(fù)合后的新系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)原系 統(tǒng)的輸入輸出的線性化解耦。逆系統(tǒng)與原系統(tǒng)復(fù)合后的結(jié)構(gòu)如圖3 1 1 及圖 3 1 2 所示。 基于單位逆系統(tǒng)的偽線性系統(tǒng)具有輸入輸出恒等映射的能力，因此單位逆系 第1 1 面 d d f x k弛少婚 = | | = 童f y 東南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第3 章感應(yīng)電機(jī)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng)控制方法 統(tǒng)是最理想的控制器。然而，由于一般非線性系統(tǒng)可視為由若干積分環(huán)節(jié)和一個(gè) 非線性映射構(gòu)成，因此要構(gòu)造單位逆系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)合系統(tǒng)的輸入輸出恒等映射，逆 系統(tǒng)中常常包含有微分環(huán)節(jié)，其輸入與輸出之間不滿足因果關(guān)系，單位逆系統(tǒng)是 非正則的。然而，對(duì)于口階積分逆系統(tǒng)，只要合理選擇a ，就可以保證逆系統(tǒng)的 正則性，從而易于實(shí)現(xiàn)，更具有工程應(yīng)用價(jià)值。 對(duì)于一個(gè)m i m o 非線性系統(tǒng)，通過(guò)構(gòu)造右逆系統(tǒng)，將右逆系統(tǒng)( 單位逆或口 階積分逆) 與原系統(tǒng)復(fù)合成一個(gè)偽線性系統(tǒng)，在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的輸入輸出線性化的同 時(shí)也實(shí)現(xiàn)了解耦。一個(gè)復(fù)雜的非線性控制器的設(shè)計(jì)問題被簡(jiǎn)化為對(duì)各解耦子系統(tǒng) 設(shè)計(jì)線性控制器的問題，這樣，就可利用各種線性綜合方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)原系統(tǒng)的有 效控制。 m 托叫二卜 咒 ，卜：； ：；： 1 ：。 刊二卜斗y ， ：j 圖3 11 單位右逆系統(tǒng) 臣卜y ， ! ；! 叫五卜斗蚱 圖3 1 2 口階積分右逆系統(tǒng) 3 2 感應(yīng)電機(jī)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆解耦控制 將逆系統(tǒng)方法用于感應(yīng)電機(jī)這類的非線性對(duì)象，獲得系統(tǒng)的逆模型后與原系 統(tǒng)復(fù)合補(bǔ)償成具有線性關(guān)系且已解耦的一種規(guī)范化系統(tǒng)( 偽線性系統(tǒng)) ，可以實(shí) 現(xiàn)輸入輸出的線性化解耦控制。一般而言，獲得系統(tǒng)的逆模型有數(shù)學(xué)解析和系統(tǒng) 辨識(shí)的兩類方法。由于非線性系統(tǒng)極其復(fù)雜，難以建立能完全表征系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性 的精確數(shù)學(xué)模型。即使得到了一個(gè)數(shù)學(xué)模型，也很難通過(guò)數(shù)學(xué)解析求出逆系統(tǒng)。 對(duì)于非線性系統(tǒng)而言，逆系統(tǒng)存在而不能求出其解析解的問題時(shí)常遇見。因此在 逆系統(tǒng)方法的工程運(yùn)用中，采用辨識(shí)的方法更具有普遍意義。將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 2 2 , 2 3 , 2 4 作為一般的辨識(shí)模型，利用其很強(qiáng)的非線性逼近能力和學(xué)習(xí)能力，通過(guò)充分合理 的訓(xùn)練，可以構(gòu)造出性能良好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng)，從而避免了逆系統(tǒng)方法中極其 困難的求解析逆的過(guò)程，拓展了逆系統(tǒng)方法的應(yīng)用范圍。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng)方法融合了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性逼近能力與逆系統(tǒng)方法的解 第1 2 頁(yè) m日蚱 東南太擘碩士學(xué)位論爻第3 章感應(yīng)電機(jī)的神經(jīng)瞬絡(luò)逆系統(tǒng)控鍘方法 藕線性化特點(diǎn)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng)方法來(lái)對(duì)非線往對(duì)象進(jìn)行控制，并不要求系 統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型精確已知。理論上講，如果非線性系統(tǒng)的逆是存在的，則總可以用 神綴網(wǎng)絡(luò)去逼近這個(gè)逆系統(tǒng)。遴常這種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng)出一個(gè)靜態(tài)神綴網(wǎng)絡(luò)( 狀 態(tài)葳鑲遂系統(tǒng)) 載楚一個(gè)靜態(tài)耱經(jīng)霹終熱蓉予積分器搦藏( 輸入獲分滋系統(tǒng)) ， 其中靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于逼近逆系統(tǒng)的非線性靜態(tài)映射關(guān)系，積分器則表征逆系統(tǒng) 的動(dòng)力學(xué)特性。如圖3 2 1 所示的狀態(tài)反饋形式的逆系統(tǒng)滔用于所有的可逆系統(tǒng) ( 靜愨可逆系統(tǒng)，憊括具有不霹褒測(cè)鮑內(nèi)部溯態(tài)，但其隱溯態(tài)蹩海運(yùn)舔定豹一類 菲線餓系統(tǒng)以及韻態(tài)可逆系統(tǒng)) ，通常其復(fù)合系統(tǒng)是一個(gè)偽線性系統(tǒng)。而如圖3 2 2 所示的輸入積分彤式的逆系統(tǒng)，僅適用于可以由逆系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)完全線性化的非線性 系統(tǒng)( 具有完備棚對(duì)階的系統(tǒng)) 。兩種實(shí)現(xiàn)形式各有優(yōu)缺點(diǎn)，狀態(tài)反饋形式需要 在線檢測(cè)或采瑟戲溺器信囂系統(tǒng)麓獲態(tài)，瑤大了系統(tǒng)實(shí)袋瓣難度i 瑟輸入積分形 式由于使用了積分器，存在著初始積分的問題。 圖3 2 1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng)的狀態(tài)反饋實(shí)現(xiàn) j 門。c 習(xí)、 ：“l(fā) 。 + 笆 ： 7 神經(jīng) 1 i 1 7 瓣終逆 ： 硭。堡 系統(tǒng) ；： 覆系綾 ： i “p 。 ： 7 圖3 2 2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng)的輸入積分實(shí)現(xiàn) 應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遒系統(tǒng)方法構(gòu)造出非線性系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆模型，與原系統(tǒng)串 接復(fù)食戲羧入輸出嬤藕筑偽線戇系統(tǒng)，進(jìn)露霹髑線性系絞中戇各移綜臺(tái)方法，露 p i d 控制、率并聯(lián)校正、極點(diǎn)醚鼴等，設(shè)計(jì)出滿足系統(tǒng)要求的控制器，淶實(shí)現(xiàn)對(duì) 原系統(tǒng)的有效控制。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng)方法將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)能力、容錯(cuò)性、魯棒 性及逆系統(tǒng)方法的解耦線性化特點(diǎn)相結(jié)合，譙保持逆系統(tǒng)方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、物理概 念妻躐等猶點(diǎn)靜嗣辯，還聚入了稽麓控裁戇憨懲。 第1 3 頁(yè) 末南太棼碩士學(xué)位論文 第3 章感應(yīng)電機(jī)的神經(jīng)踴絡(luò)逆系統(tǒng)控制方法 本文實(shí)現(xiàn)的感應(yīng)電楓神經(jīng)嗣絡(luò)逆系統(tǒng)解搦控制方法就是基予上述聰想，籍神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng)方法應(yīng)用于高性能的感應(yīng)電機(jī)控制，解決了感應(yīng)電機(jī)因受來(lái)建模動(dòng) 態(tài)、參數(shù)變化和負(fù)載擾動(dòng)影響，使得基于精確數(shù)學(xué)模型的解析逆系統(tǒng)方法難以在 實(shí)辯孛應(yīng)矮戇難越，在實(shí)臻感寢穗凝貔輸入羧窶線連位筑藕豹目靖，大大壤強(qiáng)了 系統(tǒng)對(duì)于參數(shù)變化和負(fù)載擾動(dòng)的魯棒性。 3 3 感應(yīng)電機(jī)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及辨識(shí) 3 3 1 感應(yīng)電機(jī)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 壤據(jù)所采用瓣感應(yīng)電枧模黧不圍，其褥綴霹絡(luò)逆系統(tǒng)戇實(shí)瑰形式瓷不霆。在 按轉(zhuǎn)予磁鏈定向熬艇標(biāo)系下，以定子電壓的兩相分量為拄鍘量的四階模型，其輸 入積分逆系統(tǒng)由四個(gè)積分器和一個(gè)靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組成，輸出為定子電壓的兩相分 量，網(wǎng)絡(luò)的輸入節(jié)點(diǎn)數(shù)為6 。輸 毽節(jié)點(diǎn)數(shù)為2 。而以定予電流兩相分量為控制量 鏨靄倦二除接鍪，蒸輸久積分邋系統(tǒng)壺囂令菝分器蟊一個(gè)靜態(tài)享?xiàng)椊?jīng)網(wǎng)終綴殘，輸 出為窳子電流的勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)躐分量，網(wǎng)絡(luò)的輸入節(jié)點(diǎn)數(shù)為4 ，輸出節(jié)點(diǎn)數(shù)為2 。 這兩種模型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入積分逆系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖3 3 1 和3 3 2 所示 ：“冊(cè) 鵠 靜淼 感廊 i 神經(jīng) 電機(jī) 瓣終 橫擻 山石 - “j ， ： 一。_ 十n _ _ 砷” 致 蘑3 3 感應(yīng)毫撬囂除模型茲耪經(jīng)程絡(luò)轉(zhuǎn)入璦勢(shì)逆系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 解耦毒噸那 k _ 。一， 目4 礎(chǔ)r 上州r “卜+ ； 匿3 3 ，2 惑疰毫撬二除模型爨辯經(jīng)網(wǎng)絡(luò)竣天積分遂系統(tǒng)結(jié)筠 譙辨識(shí)感應(yīng)電機(jī)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆模型時(shí)，本文選擇的是目前應(yīng)用最廣泛的神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)類型，即三層前n 0 - e k n 絡(luò)。三層前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包括個(gè)輸入層、一個(gè)隱層 秘一個(gè)輸出屢。爨終蘩秘磐整3 。3 。3 贗示 第1 4 貞 東南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第3 章感應(yīng)電機(jī)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng)控制方法 圈3 3 3 三層前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱層神經(jīng)元的激勵(lì)函數(shù)選用的是雙曲正弦函數(shù)，第i 個(gè)隱層神經(jīng) 元的輸出y ? 的表達(dá)式為 y ? = t a n s 轡( 一) = ；蕓 籌r = - ，一，膽。 ( 3 3 1 ) m 其中一是第f 個(gè)隱層神經(jīng)元的輸入，表達(dá)式為一= p ，+ b j ，p 。為第_ ，個(gè) j = l 輸入層神經(jīng)元的規(guī)范化輸入。由于隱層激勵(lì)函數(shù)包含有指數(shù)和除法運(yùn)算，在綜合 考慮算法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜程度和運(yùn)算精度后，本系統(tǒng)中采用的是分段多項(xiàng)式插值的方 法來(lái)逼近，該方法將在軟件實(shí)現(xiàn)部分予以詳細(xì)的介紹。 輸出層神經(jīng)元的激勵(lì)函數(shù)為線性函數(shù)，第t 個(gè)輸出層神經(jīng)元的規(guī)范化輸出y ： 的表達(dá)式為 以= v 。y ? + b kk = l ， ( 3 3 | 2 ) 根據(jù)k o l m o a g o r o v 定理 2 4 ( 連續(xù)函數(shù)表示定理) ，這樣的三層前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 可以任意精度逼近任意一個(gè)非線性映射。同時(shí)，為了使訓(xùn)練后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值及 閥值在一定的數(shù)值范圍內(nèi)，讓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入具有相同的數(shù)量級(jí)，提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 的泛化能力，本文對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入及輸出信號(hào)進(jìn)行了規(guī)范化處理。 3 3 2 感應(yīng)電機(jī)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng)的辨識(shí) 在設(shè)計(jì)感應(yīng)電機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)類型選擇為三層前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，輸 入輸出節(jié)點(diǎn)數(shù)由感應(yīng)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型決定，隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)一般為輸入層和輸出層節(jié) 點(diǎn)數(shù)兩倍左右，網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練時(shí)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的效果適當(dāng)調(diào)整。剩下的工作就是對(duì) 系統(tǒng)通過(guò)正確有效的辨識(shí)，確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng)的隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)及連接權(quán)值，這一 環(huán)節(jié)直接關(guān)系到系統(tǒng)控制性能的好壞，是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng)控制實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。 第i 5 頁(yè) 東南火警碩士學(xué)位論文 第3 幸感應(yīng)電機(jī)的砷經(jīng)鼴絡(luò)逆系統(tǒng)拄制方法 通常系統(tǒng)的瓣識(shí)問題有三個(gè)基本要素：數(shù)據(jù)、模型類及準(zhǔn)粥。其中，數(shù)據(jù)是 辨識(shí)的基礎(chǔ)：準(zhǔn)則是辨識(shí)的優(yōu)化目標(biāo)；模型類是尋找模型的范圍。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆 系統(tǒng)的辨識(shí)過(guò)程中，數(shù)據(jù)是用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的訓(xùn)練樣本，要求這些數(shù)據(jù)覆蓋系 統(tǒng)懿蘩個(gè)工 擘區(qū)域，著麓滋藏系統(tǒng)豹瑟壽穰恣，完全撼述系統(tǒng)蠹部豹溺態(tài)行為。 模型爽即為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的類型。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)依照一定的準(zhǔn)則辨識(shí)模型的參數(shù)，即網(wǎng)絡(luò) 的連接權(quán)值。通過(guò)適當(dāng)?shù)挠?xùn)練，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以任意精度j 鼠j 鹺任一非線性映射。其 中，蹶依照鮑準(zhǔn)則一般是選擇瓣終鮑期望輸滋與實(shí)際輸曳瞧均方差為綴小篷。 在確定了神綴網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和神經(jīng)元的激勵(lì)函數(shù)后，按一定的訓(xùn)練冀法和訓(xùn)練 數(shù)據(jù)對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，即可獲取神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型參數(shù)，模型參數(shù)決定了最終 控制性能的好壞。一方覆選擇含逶的權(quán)值訓(xùn)練算法，可以提高網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)盼效率， 本文選擇靜是基予償?shù)⊥峤粋麇c誤差反淘傳播漂瑾的b p 算法；另方蟊調(diào)練 數(shù)據(jù)的有效性，則決定了網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的速度、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度和網(wǎng)絡(luò)的邋近精度， 本文的訓(xùn)練數(shù)據(jù)的獲取可以由數(shù)字仿真獲得，也可由矢量控制實(shí)驗(yàn)中獲得。 一毅囂言，瓣經(jīng)溺絡(luò)遂系緩豹擒遙，哥黻依蘸爨下爹驟透囂： 1 ) 確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)類型和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，本文選擇的是三屎前向網(wǎng)絡(luò)： 2 ) 輸入與輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)與實(shí)際逆系統(tǒng)的輸入與輸出個(gè)數(shù)相同，隱屢節(jié)點(diǎn)數(shù) 一般為竣入層積輸爨層節(jié)點(diǎn)數(shù)黲囂薅，并逶囊謖整： 3 ) 根據(jù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)分布范豳及網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)靜軟、硬件要求，選擇合逶豹輸入信 號(hào)比例系數(shù)，規(guī)范化輸入信號(hào)，并選擇合適的輸出信號(hào)比例系數(shù)，還原輸出信號(hào)； 4 ) 通過(guò)矢量控制實(shí)驗(yàn)或數(shù)字仿真獲取原始訓(xùn)練，并緦成訓(xùn)練樣本熬； 5 ) 選擇靜經(jīng)瓣絡(luò)開發(fā)系統(tǒng)，本文中走m a t l a b 豹r m e t 王其龜，著選攆合適豹 權(quán)值訓(xùn)練算法，本文中為帶動(dòng)壁項(xiàng)和變學(xué)習(xí)速率的b p 算法； 6 ) 選擇合適的執(zhí)行硬件或軟件，載入杈使，構(gòu)造并實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng)。 3 4 感應(yīng)電橇的神經(jīng)翳絡(luò)逆系統(tǒng)豹實(shí)現(xiàn) 3 4 1 四階模型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆解耦控制的實(shí)現(xiàn) 對(duì)于感應(yīng)電楓的四階模型露“，復(fù)合系統(tǒng)的輸入與輸出之聞是一對(duì)釃二階積 分關(guān)系，相當(dāng)于傳函為1 幾2 的兩個(gè)獨(dú)立的線性予系統(tǒng)，按照線性系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法， 選用p d 調(diào)節(jié)器或超前滯后聿 償器作為轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)予磁鏈控制囂，均可得到良好的 控翻效萊。壺予p d 調(diào)節(jié)器孛程在鐓努環(huán)節(jié)，麓反襲輸入信號(hào)鵑交純趨勢(shì)，產(chǎn)生 有效的早期預(yù)報(bào)修正信號(hào)，可增加系統(tǒng)的阻尼程度，改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此本 文采用的是p d 調(diào)節(jié)器。轉(zhuǎn)速與