異步電動(dòng)機(jī)非線性解耦控制器的設(shè)計(jì)

1、的誤差; k =(d k -z k z k (1-z k , z k 是輸出層中第k 個(gè)節(jié)點(diǎn)的實(shí)際輸出, d k 是該節(jié)點(diǎn)的期望值。當(dāng)使用沖量時(shí), 則利用下式來調(diào)整權(quán)值:W ij (n+1 =W ij (n + j X i + W ij (n -W ij (n -1 式中: 為動(dòng)量因子, 0< <1。(5 按上述公式計(jì)算總誤差E, 并返回(2 步重復(fù)計(jì)算, 直至誤差E ! , 滿足要求為止。4 仿真與結(jié)論考慮到輸油系統(tǒng)是一個(gè)非線性、時(shí)變和大滯后的過程, 給出了基于流量反饋控制的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的設(shè)計(jì)方案, 并給出了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)算法。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)能力, 不斷修改網(wǎng)絡(luò)權(quán)值和

2、隸屬度函數(shù)的參數(shù), 以達(dá)到在線修改模糊推理規(guī)則的目的, 能夠滿足系統(tǒng)控制的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。針對(duì)流量反饋閉環(huán)控制的方程G(S , 進(jìn)行了仿真, 通過一組樣本對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了離線訓(xùn)練, 網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過6000次訓(xùn)練, 誤差<0. 02。通過仿真可以知道, FNNC 控制比FC 上升速度快, 且無超調(diào); 消除了FC 的靜態(tài)誤差, 具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和靜態(tài)特性。同時(shí), 由于采用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來記憶規(guī)則和進(jìn)行模糊推理, 因此, 可以利用更多的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則, 由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有容錯(cuò)能力, 所以, 即使有少量的錯(cuò)誤信息也能在訓(xùn)練過程中自動(dòng)排除。由仿真可知, 計(jì)算值的誤差較小, 得到了令人滿意的結(jié)果, 因而證明了前面建立的

3、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制模型的可行性和正確性。該系統(tǒng)在應(yīng)用中可不斷提高精度, 具有較高的使用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn):1 李士勇. 模糊控制 神經(jīng)控制和智能控制論M . 哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社, 1998.2 章衛(wèi)國(guó), 楊向忠. 模糊控制理論與應(yīng)用M . 西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社, 1999.3 孫增圻. 智能控制理論與技術(shù)M . 北京:清華大學(xué)出版社, 1997.4 張立明. 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型及其應(yīng)用M .上海:復(fù)旦大學(xué)出版社, 1992.5 焦李成. 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)理論M .西安:西安電子科技大學(xué)出版社, 1991.第1期 2006年2月工礦自動(dòng)化Industr y and M ine

4、 A utomationNo. 1 Feb. 2006文章編號(hào):1671-251X(2006 01-0007-04異步電動(dòng)機(jī)非線性解耦控制器的設(shè)計(jì)陳愛麗, 李 明, 倪紅軍(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信電學(xué)院, 江蘇徐州 221008摘要:文章針對(duì)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向d -q 坐標(biāo)系下的4階異步電動(dòng)機(jī)的模型, 運(yùn)用非線性解耦線性化理論, 把異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)分解成磁鏈和轉(zhuǎn)速兩個(gè)子系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)了磁鏈和轉(zhuǎn)速的完全解耦。采用調(diào)節(jié)器最佳整定方法, 設(shè)計(jì)了磁鏈和轉(zhuǎn)速控制器。仿真結(jié)果證明該控制器具有良好的穩(wěn)、動(dòng)態(tài)性能, 能對(duì)磁鏈和轉(zhuǎn)速進(jìn)行高性能的控制。關(guān)鍵詞:異步電動(dòng)機(jī); 非線性; PI 控制器中圖分類號(hào):TM343; TP2

5、71 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:ADesign of Nonlinear Decoupling Cont roller of Induction M ot orCH EN Ai li, LI M ing , NI H ong jun(College o f Inform ation and E lectr ical Engineering of CUM T. , Xuzhou 221008, ChinaAbstract :In this paper, ex act decoupling o f the flux linkage and speed w as realized by the method of

6、收稿日期:2005-10-21作者簡(jiǎn)介:陳愛麗(1982- , 女, 江蘇鹽城人, 碩士研究生, 研究方向?yàn)殡娏﹄娮?、智能控制。no nlinear decoupling based on the four order m odel of an induction motor under the field o riented d q coor dinate fram e. T he inductio n m otor m odel w as decoupled into tw o independent linear subsy stems o f flux linkage and spee

7、d subsystem. Optim al controllers for flux linkage and speed lo ops w er e desig ned to achieve desired dy namic and steady state responses. Simulation results sho wed that a goo d perform ance of the drive system w ith the designed controllers.Key words :induction motor, nonlinear , PI contro ller

8、0 引言為了能得到與直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)相似的控制性能, F. Blaschke 等人于20世紀(jì)70年代提出了基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制方法, 實(shí)現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)速的部分解耦。但該控制方法只是實(shí)現(xiàn)了磁鏈和轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)時(shí)的部分解耦, 而且電壓與電流之間仍存在較強(qiáng)的耦合1。這些耦合不但影響了系統(tǒng)性能的提高, 同時(shí)也造成了PI 控制器的參數(shù)整定困難。目前, 國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量的研究, 提出了許多解耦控制方法, 以實(shí)現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)速的完全解耦。例如, 基于微分幾何的非線性狀態(tài)反饋線性化方法, 輸入-輸出解耦控制方法24等。但這些方法中, 有些理論工具復(fù)雜, 不便掌握; 有些控制器設(shè)計(jì)復(fù)雜, 計(jì)算量較大。在簡(jiǎn)化控

9、制器設(shè)計(jì)的前提下, 本文針對(duì)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向d -q 坐標(biāo)系下的4階異步電動(dòng)機(jī)的模型, 運(yùn)用非線性解耦線性化理論, 把異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)分解成磁鏈和轉(zhuǎn)速兩個(gè)子系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)了磁鏈和轉(zhuǎn)速的完全解耦。采用調(diào)節(jié)器最佳整定方法, 設(shè)計(jì)了磁鏈和轉(zhuǎn)速控制器。仿真結(jié)果表明該控制器具有良好的穩(wěn)、動(dòng)態(tài)性能, 能對(duì)磁鏈和轉(zhuǎn)速進(jìn)行高性能的控制。1 異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型異步電動(dòng)機(jī)的特性可以用在磁場(chǎng)定向d -q 坐標(biāo)系下的4階模型來描述。其狀態(tài)方程為X =Ax +Bu(1式中:x =i sd , i sq , r d , rq T u =u d , u q TA B =#L s 0000s電磁轉(zhuǎn)矩方程為T e =p m2L

10、r (rd i sq -rq i sd (2轉(zhuǎn)速方程為w r =pJ(T e -T L (3式(13 中:i sd 、i sq 為定子電流在d 、q 軸上的分量; u d 、u q 為定子電壓在d 、q 軸上的分量; r d 、r q 是轉(zhuǎn)子磁鏈d 、q 軸上的分量; R s 、R r 為定、轉(zhuǎn)子電阻; L s 、L r 和L m 為定、轉(zhuǎn)子電感及互感; n p 為極對(duì)數(shù); 1、r 為同步角速度、電角速度; J 為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量; #為漏感系數(shù), #=1-L 2m L s L r。如果實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)完全定向, 則轉(zhuǎn)子磁鏈q 軸分量為0, 即rq =0, 且rq =0。則式(1 中的第4式可簡(jiǎn)化為1=r

11、 +m r L r sqrd(4將式(4 代入式(1 和式(2 , 得到轉(zhuǎn)子磁鏈完全定向后的方程:i sd =-(s s +2m rs 2ri sd +r i sq +m r 2sq L r r d +m r s r rd +su di sq =-(s s +2m r s 2ri sq-(r +m r sq L r r d i sd -ms r r rd +su qr L r rd +m r L r i sdp m2L rrd i sq(5可知, 轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向后, 轉(zhuǎn)子磁鏈只與; 轉(zhuǎn)子磁鏈穩(wěn)定時(shí), 轉(zhuǎn)速只與q 軸電制。但是, i sd sq 8 工礦自動(dòng)化2006年2月耦合關(guān)系。利用輸入輸出線

12、性化可以解決電流i sd 、i sq 中存在的非線性和耦合關(guān)系。2 解耦控制器的設(shè)計(jì)2. 1 輸入輸出線性化運(yùn)用非線性解耦控制理論, 通過外部的控制作用使異步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)分解成磁鏈和轉(zhuǎn)速2個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng), 輸出量磁鏈和轉(zhuǎn)速分別由2個(gè)輸入電壓u d1、u q1獨(dú)立控制, 從而實(shí)現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)速的解耦控制。對(duì)轉(zhuǎn)矩方程左右兩邊求導(dǎo)得到轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)方程:T e =p m2L r(rd i sq +rd i sq =-(r L r +s s +2mr#L s L rT e -p m 2L r r d (r i sd +ms r r rd -su q (6 令:u d 1=r i sq +m r 2sqL r r

13、d +m r s r rd +s u d(7u q1=-p m 2L r rd (r i sd +m r s r rd -su q(8 將式(7 、(8 分別代入電流和轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)方程i sd 、T e 中, 原系統(tǒng)便分解為2個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng), 即磁鏈子系統(tǒng)和轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)。磁鏈子系統(tǒng)的方程為i sd =-(s #L s +2m r#L s L r i sd +u d 1rd =-r L r rd +m rL ri sd (9轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)的方程為T e =-(R r L r +R s s +R r L 2ms rT e +u q1w r =pJ(T e -T L (102. 2 PI 控制器的設(shè)計(jì)由式(

14、9 、(10 可知, 磁鏈和轉(zhuǎn)速已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了完全解耦, 按照線性控制理論控制器的設(shè)計(jì)方法便可以獲得異步電動(dòng)機(jī)期望的穩(wěn)、動(dòng)態(tài)性能。根據(jù)磁鏈子系統(tǒng)方程和轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)方程, 分別得到磁鏈和轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖, 如圖1、圖2所示。將電流環(huán)校正成典型的I 型系統(tǒng), 選擇I 電流調(diào)節(jié)器, 其表達(dá)式為i2s, 則電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為W icl (s =i2s 2+(s s +2m r #L s L rs +k i2。圖1 磁鏈系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖G 1(s =i (su d1(s=1s +R s s +L 2m R rs L 2rG 2(s =rd (s sd =L m R rr r圖2 轉(zhuǎn)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖G 3

15、(s =T e (sq1=s +R L r +R s +L R s L 2rG 4(s =r (s T e(s -T L (s =n pJ s根據(jù)調(diào)節(jié)器最佳整定設(shè)計(jì)法! ! ! 二階最佳整定5, 得:%=s s +2m rs r 2i2=0. 707(11磁鏈調(diào)節(jié)器選擇PI 調(diào)節(jié)器, 其表達(dá)式為p1i1s , 磁鏈環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為W cl (s =p1i1W icl (s G 2(s 1+p1i1sW icl (s G 2(s。令:p1k i1=rR r(12則調(diào)節(jié)器PI 1的零點(diǎn)可以用G 2(s 的極點(diǎn)對(duì)消。簡(jiǎn)化后的閉環(huán)傳遞函數(shù)為W cl (s =m i1k i2s 3+s s +2m r

16、s r k i2s 2+s +L m k i1。根據(jù)三階最佳整定法, 有:12-2s s +2m rs 2r k i2L m k i1=0(13調(diào)節(jié)器參數(shù)k p1、k i1和k i2可以從式(1113 中解得。對(duì)轉(zhuǎn)速子系統(tǒng), 采用同樣的整定方法可得到:%=r r +s s +2m r s 2r=0. 707(149 2006年第1期陳愛麗等:異步電動(dòng)機(jī)非線性解耦控制器的設(shè)計(jì)p 4k i4=h r L r +s s +2m rs rk i3(15式(15 中:h 為中頻寬, 一般取h =4; 調(diào)節(jié)器參數(shù)k p3、k i3和k i4可以從式(14 及(15 中解得。3 仿真試驗(yàn)為驗(yàn)證上述所設(shè)計(jì)的控

17、制器的性能, 進(jìn)行了仿真試驗(yàn)。仿真所用電動(dòng)機(jī)為2. 2kW 的異步電動(dòng)機(jī), 參數(shù)如下:R s =0. 435&, R r =0. 816&, L s =L r =0. 0713H, L m =0. 0693H, J =0. 089kg m 2, n p =2。圖3為磁鏈給定為0. 7Wb 、負(fù)載轉(zhuǎn)矩為1N m 、轉(zhuǎn)速在t =0. 5s 時(shí)從1000r/min 階躍到1400r/min 的試驗(yàn)波形。從圖3中可以看出, 在轉(zhuǎn)速突變的過程中, 轉(zhuǎn)速響應(yīng)迅速, 超調(diào)在允許范圍內(nèi), 穩(wěn)態(tài)誤差幾乎為0, 磁鏈曲線不受轉(zhuǎn)速突變的影響, 基本維持在0. 7Wb 。(a 磁鏈曲線(b 轉(zhuǎn)速曲線圖

18、3 轉(zhuǎn)速突變時(shí)的仿真曲線圖4為轉(zhuǎn)速給定在1000r/min 、負(fù)載轉(zhuǎn)矩在t =0. 5s 時(shí)從1N m 增加到3N m 、磁鏈給定在0. 7Wb 上疊加一個(gè)幅值為0. 05、頻率為20rad/s 的正弦信號(hào)的試驗(yàn)波形。從圖4中可以看出, 轉(zhuǎn)速除了在突加負(fù)載(t =0. 5s 時(shí)有很小的誤差外, 幾乎沒有穩(wěn)態(tài)誤差, 魯棒性較強(qiáng); 當(dāng)磁鏈變化時(shí), 轉(zhuǎn)速已經(jīng)不受影響。上述試驗(yàn)結(jié)果表明磁鏈和轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)了完全解耦, 該控制器的調(diào)速系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)、動(dòng) 態(tài)性能。(a 磁鏈曲線(b 轉(zhuǎn)速曲線圖4 磁鏈疊加正弦信號(hào)時(shí)的仿真曲線4 結(jié)語運(yùn)用非線性解耦線性化理論, 實(shí)現(xiàn)了磁鏈和轉(zhuǎn)速的完全解耦。采用調(diào)節(jié)器最佳整定方法

19、, 設(shè)計(jì)了磁鏈和轉(zhuǎn)速控制器。仿真結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 穩(wěn)、動(dòng)態(tài)性能良好, 具有一定的應(yīng)用前景。采用該控制器的三電平逆變器異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)正在實(shí)驗(yàn)調(diào)試中。參考文獻(xiàn):1 林 飛, 張春朋. 基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的異步電動(dòng)機(jī)輸入輸出解耦控制J.清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版 , 2003, 43(9 :11531156.2 R M ar ino, P Vag ili. N onlinear Contro l of I nductionM oto rs:A Simulat ion Study C. In:P ro c. Euro pean Co ntr. Co nf. Gr eno ble Fr ance, 1991, (7 :10571062.3 Z Kr zeminski. N o nlinear Feedback and Co n