一種新型的免疫pid控制在無刷直流電機中的應用

一種新型的免疫pid控制在無刷直流電機中的應用

1基于模糊調(diào)整的免疫反饋pid控制器隨著現(xiàn)代能源電子和計算機科學的快速發(fā)展，無刷直流電機結構簡單，產(chǎn)量高，在能源領域得到廣泛應用。由于無刷直流電機是一種多變量、非線性的系統(tǒng)，如電樞反應的非線性、轉動慣量和相電阻的變化等，使經(jīng)典PID控制器難以滿足控制系統(tǒng)的性能要求。現(xiàn)代控制理論如模型參考自適應控制和滑模變結構理論可以有效提高電機的運行性能，神經(jīng)網(wǎng)絡技術對無刷直流電機這種非線性系統(tǒng)的控制也獲得了較好的效果。免疫反饋PID控制器是借鑒生物免疫系統(tǒng)的反饋機理而設計出的一種非線性控制器。免疫系統(tǒng)是一個高度進化而完善的復雜系統(tǒng)，它能自適應地識別異物，并控制和排除入侵肌體的抗原性異物，且具有學習、記憶和自適應調(diào)節(jié)能力，在處理動態(tài)變化環(huán)境中起主要作用。因此，對于無刷直流電機系統(tǒng)，本文提出了一種基于模糊調(diào)整的免疫反饋PID控制，既繼承傳統(tǒng)PID控制不依賴于對象模型、控制結構簡單、可靠性高、易于工程實現(xiàn)等優(yōu)點，又克服了傳統(tǒng)PID控制器在強干擾或具有高度非線性和不確定性時調(diào)節(jié)隨動性差的缺點，大大改善了控制器的性能。系統(tǒng)具有控制靈活、控制算法簡單、參數(shù)適應性廣的優(yōu)點，具有較好的靜態(tài)和動態(tài)性能，更加適合工業(yè)應用的要求。2免疫反應系統(tǒng)結構2.1t細胞規(guī)則回路免疫是生物體的一種特性生理反應。生物的免疫系統(tǒng)由淋巴細胞和抗體分子組成，淋巴細胞又由胸腺產(chǎn)生的T細胞和骨髓產(chǎn)生的B細胞組成。免疫系統(tǒng)存在兩種應答方式：體液免疫應答（humoral）和細胞免疫應答（cellular）。T細胞在兩種應答形式中都起著關鍵的作用。生物免疫系統(tǒng)中的互相作用如圖1所示。圖1中，當外界物質（抗原，細菌細胞或受感染細胞）被抗原提呈細胞（APCs:AntigenPresentingCells）吸收，APCs將抗原的信息傳遞給T輔助細胞，并激活它們。然后，T輔助細胞活化B細胞、殺傷T細胞和T抑制細胞。通過激活B細胞來應答抗原認為是免疫系統(tǒng)的主反饋作用。輔助性T細胞所活化的細胞中，也包括T抑制細胞，而T抑制細胞又抑制其他細胞的活化，并穩(wěn)定整個免疫系統(tǒng)。這是免疫系統(tǒng)另一個反饋作用，這種抑制作用和主反饋作用結合起來，使免疫系統(tǒng)對于外界干擾可以迅速反應并快速穩(wěn)定下來。雖然整個免疫系統(tǒng)非常復雜而且目前對它的整個機制的研究仍不是很清晰，但其抵御抗原的自適應能力卻是十分明顯的。故設計中作了些假設來簡化整個免疫反饋系統(tǒng)，最后得出T細胞規(guī)則回路如圖2所示。當抗原侵入機體并經(jīng)周圍細胞消化后，將信息傳遞給T細胞，即傳遞給T輔助細胞和T抑制細胞，然后刺激B細胞。B細胞產(chǎn)生殺傷T細胞以消除抗原。所以，當抗原較多時，機體內(nèi)的T輔助細胞也較多，而T抑制細胞較少，從而產(chǎn)生較多的B細胞。隨著抗原的減少，體內(nèi)T抑制細胞增多，它抑制了B細胞，使其隨之減少。這樣一段時間后，免疫反饋系統(tǒng)迅速趨于平衡。2.2t細胞數(shù)量的k基于上述簡化的免疫反饋原理，定義第k代的外來物質即抗原數(shù)量為式中α——抗原增殖系數(shù)Tkill——殺傷T細胞數(shù)量d——細胞死亡時間由抗原激發(fā)的輔助性T細胞對(k-d)B細胞的作用為式中K——激發(fā)系數(shù)，為正數(shù)雖然抑制性T細胞對所有細胞活動都有抑制作用，但這種作用的細節(jié)目前還不清楚。所以，在對該反饋控制的運用中，我們只取抑制T細胞對B細胞的抑制作用，而對其他細胞的抑制作用忽略，假定抑制性T細胞對B細胞的作用為式中K′——抑制系數(shù)，為正數(shù)f(·)——一個選定的非線性函數(shù)，表示細胞抑制刺激能力的大小B細胞受到的總刺激可表示為B細胞總的活動變化可以由對B(k)的積分得到。假定殺傷T細胞的數(shù)量由對B細胞的活動變化的微分得到，則殺傷T細胞的數(shù)量Tkill為其中η=K′/K。K決定應答速度，而η決定穩(wěn)定效果。3基于免疫機的反饋管理系統(tǒng)3.1模糊控制設計基于上述機理，可為無刷直流電機系統(tǒng)設計一個免疫反饋控制器。將第k代抗原數(shù)量ε(k)對應無刷直流電機系統(tǒng)第k次采樣周期的偏差e(k)，其定義為e(k)=n*(k)-n(k)，由轉速參考模型和實際測量的轉速信號比較得到。n*(k)為第k次采樣周期轉速參考模型響應，n(k)為第k次采樣周期電機的轉速響應。而殺傷T細胞數(shù)Tkill(k)對應控制輸入u(k)。則有如下的反饋控制規(guī)律其中非線性函數(shù)f(·)設計困難，這里利用模糊規(guī)則來逼近。因為模糊控制以專家經(jīng)驗和人工控制規(guī)則為基礎組織模糊決策表，然后由決策表確定控制量的大小，具有控制靈活和適應性強的優(yōu)點，是逼近非線性函數(shù)的有效方法。模糊控制器實現(xiàn)抑制項f(·)時，包括兩個輸入變量和一個輸出變量：輸入變量是免疫反饋控制器的輸出u(k)及其變化量?u(k)，輸出變量為免疫反饋的抑制量f(·)。為了增加控制的靈敏度和便于應用模糊規(guī)則，輸入變量u(k)、?u(k)分別用量化因子ke和kec進行量化，映射到模糊集合論域。模糊決策的輸出量用比例因子ku從模糊論域映射到基本論域，最后作用于控制系統(tǒng)。為保證電機的可靠運行，本文采用三角函數(shù)作為模糊控制器變量的隸屬度函數(shù)，如圖3和圖4所示。輸入變量的模糊論域分為負大NB、負小NS、零ZE、正小PS和正大PB等5個語言變量值。輸出變量的模糊論域分為負大NB、負中NM、負小NS、零ZE、正小PS、正中PM和正大PB等7個語言變量值。根據(jù)生物免疫反饋規(guī)則制定的模糊決策表見表1。3.2免疫pid控制器以上免疫反饋控制器是一個非線性P控制器，對于無刷直流電機系統(tǒng)，該控制器不能補償由噪聲或干擾引起的控制偏差。為此，本文將免疫反饋控制和PID控制相結合，組成PID型的免疫反饋控制器，即免疫PID控制器，對無刷直流電機進行控制。這樣可以消除凈差，提高系統(tǒng)精度，減少系統(tǒng)的積分積累，從而提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。常規(guī)增量式PID控制器離散形式如下式中KP,KI,KD——比例系數(shù)，積分系數(shù)，微分系數(shù)將PID控制器輸出uPID(k)作為式（3）免疫反饋模型中的外界物質即抗原量ε(k)，則得到免疫PID控制器，其控制算法可表示為式中系數(shù)要滿足KP>0,KI>0,KD>0，η≥0。免疫PID控制器如圖5所示，它由免疫反饋控制器和增量模塊PID控制組成。當0≤η≤時,控制為負反饋,而1<ηf[u(k),?u(k)]時,為正反饋。所以要確保免疫PID控制為負反饋以確保系統(tǒng)穩(wěn)定性,η要有一個上限值:0≤η≤。當η=0時,控制就成為常規(guī)PID控制。3.3控制系統(tǒng)結構設計將以上設計的免疫PID控制器應用于無刷直流電機控制系統(tǒng)，其控制系統(tǒng)結構圖如圖6所示?？刂葡到y(tǒng)采用雙閉環(huán)控制。內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，其主要作用是限制最大電流，使系統(tǒng)有足夠大的加速轉矩，并且能夠保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行；外環(huán)為速度環(huán)，其主要作用是增強系統(tǒng)抗負載擾動的能力和抑制轉速波動，并能夠保證系統(tǒng)靜態(tài)和動態(tài)跟蹤的性能，直接關系到伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定與高性能運行。4免疫pid控制實驗本文使用Matlab對本控制系統(tǒng)進行了仿真，并用Matlab的模糊工具箱設計其中的模糊控制器。電機參數(shù)如下：額定電壓UN=36V；額定轉矩TN=0.4N·m；額定轉速nN=3600r/min；相電阻R=0.66?；有效電感L-M=1.4×(1±1.3%)mH；反電動勢系數(shù)Ke=0.067V/(rad/s)；轉動慣量J=1.57×10-5kg·m2。圖7為采用傳統(tǒng)PID控制器時電機的速度仿真曲線。圖8為采用免疫PID控制器時電機的速度仿真曲線。圖中橫坐標表示時間，縱坐標表示電機轉速。通過比較圖7和圖8兩條仿真曲線可以看出：相比傳統(tǒng)PID控制，在本文提出的控制策略下，無刷直流電機轉速響應快并且超調(diào)小、轉速波動較小，具有較好的靜態(tài)性能，解決了經(jīng)典控制響應快速時超調(diào)大的矛盾。圖9為在電機起動后負載突然改變并持續(xù)一段時間后恢復到原來狀態(tài)的情況下，采用PID控制器得到的電機速度仿真曲線。圖10為在相同條件下，采用免疫PID控制器得到的速度仿真曲線。通過圖9和圖10兩條仿真曲線的比較表明：采用該免疫PID控制器在負載突變的情況下，無刷直流電機系統(tǒng)具有在線自調(diào)節(jié)能力，其動態(tài)性能要強于傳統(tǒng)的PID控制器。最后，本文以TI公司的數(shù)字信號處理器（DSP)TMS320F2812為基礎對電機進行實驗，實驗樣機采用4對極橋式Y形聯(lián)結無刷直流電機，具體參數(shù)與仿真模型參數(shù)一致。硬件框圖如圖11所示。系統(tǒng)通過霍爾元件檢測電機轉子位置信號，DSP將位置信號轉化為速度信號，并計算出轉速誤差和誤差變化率作為控制器的輸入，經(jīng)過在DSP中的一系列操作獲得輸出的控制量。控制量通過DSP的事件單元（EVA）轉化為占空比不同的方波來實現(xiàn)對樣機的控制。速度環(huán)采樣周期為1ms，電流環(huán)采樣周期為3.2μs。圖12、圖13為系統(tǒng)空載且給定轉速為3000r/min時，突加外部負載后，樣機分別在傳統(tǒng)PID控制方法和免疫PID控制方法下的轉速響應波形。由圖中可以看出，免疫PID控制策略在實際運行中同樣具有較好的效果，除了一些外界條件的影響外，基本和仿真曲線一致。圖12和圖13兩條實驗曲線的比較證明，較之傳統(tǒng)PID控制，采用免疫PID控制轉速波動小、靜態(tài)性能好；且當電機參數(shù)發(fā)生突然變化時，能做到對擾動進行自動調(diào)節(jié)，依然保持良好的動態(tài)性能。5基于免疫pid的非線性動力系統(tǒng)優(yōu)化設計本文提出了一種新型的基于免疫反饋原理的非線性控制器，它基于模糊規(guī)則并與PID控制相結合，整個免疫PID控制可看作利用免疫反饋原理對PID參數(shù)進行在線自適應調(diào)整，既繼承了PID控制結構簡單、能消除靜差的特點，又