仿人智能控制算法在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

張秋穎，龍 松，張文鋼

（武昌首義學(xué)院，武漢 430064）

0 引言

隨著永磁材料性能的不斷提升和成本的降低，采用永磁材料的各類(lèi)電機(jī)，特別是永磁同步電機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM），已經(jīng)在電動(dòng)汽車(chē)、風(fēng)能開(kāi)發(fā)、軌道交通、船舶推進(jìn)等領(lǐng)域得到了應(yīng)用。針對(duì)永磁同步電機(jī)的控制技術(shù)，基本是以交流異步電機(jī)的控制技術(shù)為基礎(chǔ)，從控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上看，目前主要有矢量控制技術(shù)和直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)兩種，每種控制技術(shù)中涉及的具體控制器基本為經(jīng)典PI控制器[1]。

永磁同步電機(jī)是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合、時(shí)變的非線性系統(tǒng)，應(yīng)用經(jīng)典控制方法對(duì)其進(jìn)行控制，需要做兩方面的簡(jiǎn)化：一是為建立電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，需要對(duì)電機(jī)的物理模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，如假設(shè)繞組對(duì)稱(chēng)分布、磁場(chǎng)沿氣隙圓周呈正弦分布，忽略鐵心損耗、磁滯損耗和電機(jī)參數(shù)變化等；二是在控制器設(shè)計(jì)中需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化，如忽略系統(tǒng)的高次項(xiàng)、小慣性環(huán)節(jié)的近似處理等[2]。基于上述簡(jiǎn)化而設(shè)計(jì)出的控制器存在繼續(xù)優(yōu)化的空間。

智能控制技術(shù)的發(fā)展為永磁同步電機(jī)的控制帶來(lái)了新思路，如文獻(xiàn)[3]將模糊PI方法引入永磁同步電機(jī)的位置環(huán)控制，分析了模糊控制系統(tǒng)的構(gòu)成以及實(shí)現(xiàn)方法；文獻(xiàn)[4]針對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)抖振問(wèn)題，提出了一種具有消抖作用的高階滑模控制算法。本文主要研究智能控制技術(shù)中一類(lèi)重要的控制技術(shù)——仿人智能控制在永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，以期能為永磁同步電機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

1 永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型和控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

永磁同步電機(jī) dq轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系理想動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型如下：

式中，ud、uq—電機(jī)定子電壓dq軸分量；id、iq—電機(jī)定子電流dq軸分量；ψd、ψq—電機(jī)定子磁鏈dq軸分量；ψf—電機(jī)定子繞組一相永磁磁鏈幅值；Ld、Lq—電機(jī)定子dq軸勵(lì)磁電感；R1—電機(jī)定子繞組一相電阻；p—微分算子；ω—電角速度；Te—電磁轉(zhuǎn)矩；T1—折算到電機(jī)軸端的負(fù)載轉(zhuǎn)矩；J—整個(gè)機(jī)械負(fù)載系統(tǒng)折算到電機(jī)軸端的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；np—極對(duì)數(shù)。

基于上述數(shù)學(xué)模型，永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示[2]。

圖1 永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖中，ASR為速度控制器，ACR為電流控制器，一般用工程設(shè)計(jì)方法將控制器設(shè)計(jì)為典型PI控制器。此種設(shè)計(jì)方法優(yōu)點(diǎn)是理論成熟、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是建模和控制器設(shè)計(jì)中做了一系列簡(jiǎn)化處理，即沒(méi)有充分利用控制系統(tǒng)的特征信息，控制效果有待進(jìn)一步提高。

2 仿人智能控制的原理和設(shè)計(jì)

在實(shí)際的控制過(guò)程中人們發(fā)現(xiàn)：在得到必要的操作訓(xùn)練后，由人實(shí)現(xiàn)的控制方法是接近最優(yōu)的，這個(gè)方法不需要了解控制對(duì)象的結(jié)構(gòu)參數(shù)，也不需要最優(yōu)控制專(zhuān)家的指導(dǎo)。人的控制活動(dòng)反映了人腦的高超思維、決策和控制能力，仿人智能控制即以模擬人腦宏觀結(jié)構(gòu)和行為功能為基礎(chǔ)。仿人智能控制的基本思想是在控制過(guò)程中利用計(jì)算機(jī)模擬人的控制行為功能，最大限度地識(shí)別和利用控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程的特征信息，進(jìn)行啟發(fā)和直覺(jué)推理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)非精確數(shù)學(xué)模型控制對(duì)象的有效控制。

針對(duì)永磁同步電機(jī)，仿人智能控制器的設(shè)計(jì)思想為：當(dāng)系統(tǒng)誤差較大時(shí)，控制器輸出為最大或最小，以盡快減小誤差；當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定區(qū)域時(shí)，系統(tǒng)在慣性作用下趨向平衡點(diǎn)，控制器采用保持控制，即控制器輸出不變，以釋放系統(tǒng)的慣性能量，防止造成超調(diào)；若系統(tǒng)離開(kāi)穩(wěn)定區(qū)域，超調(diào)不可避免時(shí)，采用正反饋控制器減小超調(diào)；在其它情況下，采用經(jīng)典PI控制器或PID控制器。

基于上述思想，得控制規(guī)則如下：

3 仿真驗(yàn)證

取永磁同步電機(jī)的主要參數(shù)如下表。

表1 永磁同步電機(jī)主要參數(shù)

建立永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速矢量控制模型，如圖2所示。ASR、ACR為采用工程設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)的經(jīng)典PI控制器，電機(jī)空載起動(dòng)，0.1 s時(shí)加載5 N·m，取額定轉(zhuǎn)速為2000 r/min，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖2 永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真模型

圖3 經(jīng)典PI控制器仿真結(jié)果圖

應(yīng)用仿人智能方法設(shè)計(jì)ASR速度控制器，控制器相關(guān)參數(shù)如下表。仿真結(jié)果如圖4-7所示。

表2 仿人智能控制器參數(shù)

圖4 仿人智能控制器仿真結(jié)果圖

圖5 轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果局部放大對(duì)比圖

從圖5可以看出，與經(jīng)典PI控制器相比，仿人智能控制器控制的轉(zhuǎn)速波動(dòng)小，在負(fù)載變化時(shí)，恢復(fù)時(shí)間短，動(dòng)態(tài)擾動(dòng)小；由圖6、7可知，仿人智能控制器的iq波動(dòng)小，id基本相同，由式(1)中轉(zhuǎn)矩方程可知，在id相同的情況下，轉(zhuǎn)矩與iq成正比，iq波動(dòng)小時(shí)，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小，進(jìn)而轉(zhuǎn)速波動(dòng)小，這與圖5是對(duì)應(yīng)的。

圖6 q軸電流分量仿真結(jié)果局部放大對(duì)比圖

圖7 d軸電流分量仿真結(jié)果局部放大對(duì)比圖

4 結(jié)束語(yǔ)

仿人智能控制的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，只需要幾條規(guī)格，即可設(shè)計(jì)出較好的控制器，缺點(diǎn)也是明顯的，這幾乎也是所有智能控制技術(shù)的共有缺點(diǎn)，即智能控制技術(shù)目前還沒(méi)有形成類(lèi)似經(jīng)典控制那樣的完整的理論體系，控制器的參數(shù)設(shè)計(jì)、穩(wěn)定性分析、參數(shù)與性能指標(biāo)的關(guān)系等沒(méi)有嚴(yán)格的理論分析，只能通過(guò)經(jīng)驗(yàn)、試湊等方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。建立完整的理論體系，這是仿人智能控制技術(shù)和其它智能控制技術(shù)今后的研究目標(biāo)。