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1、【精品文档】如有侵权,请联系网站删除,仅供学习与交流永磁交流伺服系统的智能PID控制.精品文档.永磁交流伺服系统的智能PID控制.txtcopy(复制)别人的个性签名,不叫抄袭,不叫没主见,只不过是感觉对了。遇到过的事一样罢了。 本文由wgtzzwfw贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT,或下载源文件到本机查看。 武汉理工大学硕士学位论文 摘 要 随着微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料与控制理论的发 展, 年代末期进入了伺服技术的交流化时代。相继开发出各种类型的交流伺 服系统,并广泛用于自 动化领域,在相当广泛的范围内取代了步进电机和直流 伺服电机驱动系
2、统。时至今日,交流伺服系统己成为伺服系统的主流。 在交流伺服系统控制中,依据经典的以 及各种现代控制理论提出的控制策 略都有一个共同的问题,即控制算法依赖于电动机模型。当系统受到参数变化 和扰动作用的影响时,系统性能将受到影响,如何抑制这种影响一直是控制领 域一大课题。近年来,分受控制界重视的智能控制,由于它能摆脱对控制对 象模型的依赖,能够在处理有不精确性和不确定性的问题中有可处理性、鲁棒 性,因而将智能控制引入交流伺服控制成为一个必然的趋势。 针对永磁交流伺服系统的参数时变和非线性, 本文基于生物免疫系统的调节 机制提出将一种免疫控制器应用于永磁交流伺服系统的速度和位置控制,以实 现具有一
3、定自 适应能力的高性能交流伺服系统。本论文主要做了以下工作。 首先分析永磁同步电 机的工作原理, 建立其数学模型, 深入剖析其运行特点 及控制机理。并对其控制系统进行了整体分析,针对 非线性、强祸合的 特点,利用矢量变换进行电机模型的解祸,建立三种不同 (, ) 变频方式下的永磁同步电机的位置环、速度环、电流环三闭环控制系统并利用 对其进行仿真研究。 从 控制本身的特点出发, 分析其优缺点, 介绍常规 控制的原理及其 参数整定方法和智能 控制及其参数整定。 探讨生物免疫系统的调节规律, 并对免疫系统复杂精细的自 我调节机制进行 抽象和简化,得到免疫响应中的调节机理。并把免疫系统与控制系统类比提
4、出 一种新型的免疫控制器。 该控制器把免疫控制器与常规 )控制和模糊推理结 合构成模糊免疫 控制器,以改善控制性能。仿真结果表明,这种控制器与 ) 常规 控制相比,具有较好的动态性能、抗扰动能力以 及较强的鲁棒性能 且算法简单易实现,具有一定的实用性。 , 关键词:永磁交流伺服系统,智能 ,免疫反馈,模糊免疫 控制 武汉理工大学硕士学位论文 , , , , , , , , , , , , , , , , 咖 , ( , , ) , , , , , , 于交流永磁同步电 机的交流伺服系统作了深入的研 究,特别是对基于光电编码器获取速度反馈的伺服系统做了大量的智能控制的 仿真研究。 针对永磁交流伺
5、服系统的参数时变和高度非线性,本文基于生物免 疫系统的调节机制提出将一种新颖的免疫控制器应用于永磁交流伺服系统的 速 度控制,从系统的静、动态性能, 抗千扰性、鲁棒性等方面观察比较采用免疫 控制器后系统的性能。主要内容如下: () 分析永磁同 机的工作原理, 步电 建立其数学模型, 深入剖析其运行特 点及控制机理。并对其控制系统进行了整体分析,针对 非线性、强祸合 的特点, 利用矢量变换进行电机模型的解藕, 建立三种不同( , ) 变频方式下的永磁同步电 机的位置环、速度环、电 流环三闭环控制系统并利用 对其进行仿真研究。 () 控制本身的特点出发, 从 分析其优缺点, 介绍常规 控制原理 及
6、其参数整定方法和智能 控制及其参数整定。 () 探讨生物免疫系统的调节规律, 并对免疫系统复杂精细的自 我调节机 制进行抽象和简化,得到免疫响应中的调节机理。并把免疫系统与控制系统类 武汉理工大学硕士学位论文 比提出一种新型的免疫控制器。 该免疫控制器把免疫控制器与常规 控制和 模糊推理结合构成模糊免疫 控制器, 以改善控制性能。 仿真结果表明, 这 种控制器与常规 ) 控制相比,具有较好的动态性能、抗扰动能力以及较强的 鲁棒性能,且算法简单易实现,具有一定的实用性。 武汉理工大学硕士学位论文 第章 永磁同步电机模型及矢量控制技术 高性能的同步电 动机控制需要现代控制理论的支撑,目 前使用最广
7、泛并已 在实际系统中应用的当属矢量控制理论。此理论自 诞生之日 起就受到人们的广 泛重视。 控制需 矢量 要使用 精确的电 动机数学 模型, 在分析中 采用 坐标 通常 系, 消除 坐标系中电 以 压方程是带有周期性变系数的微分方程给求解带来 的 麻烦。 本章作为后续内 容的知识准备, 将详细推导有关的永磁同 动机数 步电 学模型并介绍矢量控制的有关知识。 永磁同步电机的基本方程 三相永磁同步电 动机是由 绕线式同步电动机发展而来, 它用永磁体代替了 电励磁,从而省去了励磁线圈、滑环与电刷,其定子电流与绕线式同步电动机 基本相同,输入为三相对称正弦交流电,故称为三相交流永磁同步电动机。 交流永
8、磁同步电动机是由定子和转子组成,定子的结构形式与感应电动机 一样由导磁的定子铁芯和导电的三相绕组以 及固定铁芯用的机座和端盖等部件 组成。转子用永磁材料制成,采用适当的几何结构,使磁势波形接近空间分布 正 弦波。 定子通以 位相差 三相正弦交流电 定 当 相 的 时, 子产生空间 匀速旋 转的磁场,磁场旋转的速度与定子正弦波频率有关,定子将接受的电能转换为 旋转的磁场。定子磁场与转子磁场相互作用产生推动转矩,使转子旋转,完成 电 机 能到 械能的 化【 转 的定子和普通电 励磁三相同 步电动机的定子是相似的。 如果永磁体 产生的 应电 ( 动势 与励 感 动势 反电 ) 磁线圈 产生的 应电
9、感 动势一 也是正弦的, 样, 那么 的数学模型就与电 励磁同步机基本相同。 为使分析简化起见, 作如 下假设: () 饱和效应忽略不计; () 感应反电势呈正弦分布; () 不计涡流和磁滞损耗; () 励磁电流无动态响应过程; ( ) 转子上没有励磁绕组。 武汉理工大学硕士学位论文 这样可以得到如图 所示的永磁同步电动机的的等效结构坐标图,图中 ,为三相定子绕组的轴线, 取转子的轴线与定子相绕组轴线的 电气角度为 图 永磁同步电动机的等效结构坐标图 永磁同步电动机的运动方程为: 不 一 一 其中 输出 : 转矩( ) , 一折算到电 机轴上的总负 矩( 载转 ) ( ) 折 到电 轴 总 动
10、 量 机 上的 转 惯 摊 ) 算 。 ( ) 一转子角速度 由 可 速 动 特 在负 矩不 定时 知, 度的 态 性 载转 一 ,取决于输出转矩的 式 对电动机转矩的控制 特性。电 动机的转矩是由 磁场和电流共同决定的,因此, 实际是对磁场和电流的控制。 交流永磁电动机的物理方程为: 凡 召 凡 。 肠 肠 幼 气 月 肠 一 劝 ( ) 劝 尸 劝 劝 卫 卫 卫 卫 卫 月 气 尸 留 与 劝 月 一 ( ) 一 ( ) 子 劝 ( ) 其中: “, ; 一三 , “, 。 相定子 绕组的电 压; 武汉理工大学硕士学位论文 , , 一三相电 子绕组的电 流; ,幼 一三相定子绕组的 。
11、, 磁链; ; 是 子 场 等 磁 : 转 磁 的 效 链 为转子轴线与定子相绕组轴线夹角的电气角度。 交流永磁电动机的转矩方程为: 气 卜 肠 ?枯 兰 一 ) ( 一 ( ) ( ) 其中 为电 。 机的极对数。 由电机转矩方程可知,永磁交流伺服电动机为多变量祸合、非线性时变系 统。 交流电机的矢量控制 矢量控制思想的提出 由 转 达式为 为 直流电 动机 矩表 ( 转矩常 可知,电 矩 数) 磁转 兀 别 制电 流 磁 它 之间 成。 角 交关 各自 立, 分 控 枢电 通, 们 互 直 正 系 独 和 在电路上互不影响, 转矩控制容易实现,这也是直流电动机调速性能好的根本 原因。 但是
12、, 用同样的理论和方法来分析、 设计交流调速系统时就不那么方便了。 由前文的分析中可以 看出, 交流电动机的数学模型和直流电动机模型相比有着 本质的区别, 它是一个高阶、非线性、强藕合的多变量系统,这使得调速系统 的调节器参数很难准确设计,系统的动态性能不理想。又由于交流电动机的 磁 通矢量 都在空间以同步速度旋转, 凡 凡 彼此相对静止, 欲控制转矩, 必 须控制任两磁通矢量的大小和相对位置。通常的变频调速系统的控制量是交流 电 动机的 子电 幅 和 定 压 值 频率( 压 制型 或定 流幅 濒率 电 控制 电 控 ) 子电 值和 ( 流 型, ) 它们都是 标量, 称为 控制 故 标量 系
13、统。 量控制 在标 系统中, 按电 机 只能 动 的稳态运行规律进行控制,不能控制任意两个磁通势矢量的大小和相对位置, 武汉理工大学硕士学位论文 转矩控制性能差。 欲改善转矩控制性能, 必须对定子电流或电压实施矢量控制, 既控制大小, 又控制方向。一个矢量通常用它在直角坐标系上的两个分量来表达。交流电机 的 矢量( 所有 磁通势、 磁链、电 压、电 都在空间以同 流) 步速旋转,它 们在定 子 坐标系 静止系 上的 量,即 子绕组上的 ( ) 各分 在定 物理量都是交流 控制和计 量, 算不 方便。 助于坐标 籍借 变换, 将三相交 机 流电 变换成 机, 可与 电 进而 直 流电机等效起来。
14、把这些变换应用到控制方面,在三相电机上设法模拟直流电 机控制转矩的规律,来改善系统的动态性能,这就是交流电动机变频调速矢量 控制的主导思想。 矢且变换 矢量控制中所用的坐标系有两种: 一种是静止坐标系, 一种是旋转坐标系。 () 子坐 ( 三相定 标系 , 三相定 , 轴系) 子里有三相绕组, 其绕组 轴线分 别 为式 彼 互差 空间电 度, , 此 , 角 如图 示, 矢 一所 某 量巧 三 坐 在 个 标 轴上的 投影分别为, 代表了该矢量在三个绕组上的分量。 , , () 子坐标系 , ) 两相对称 通以 两相定 ( 轴系 绕组 两相对称电 亦 流, 产生旋转磁场。 对一个矢量,数学上惯
15、用两相直角坐标系来描述,故定义一个 两 标系 。 尹 ) 它的 和三相定子坐 相坐 ( 一 轴系 , 轴 标系的轴重合 ( 见图 ) , 它 超 图 玲 矢 在 坐 系 投 。 于 轴 的 轴 前 轴, 中 , 为 量巧 。 标 的 影 由 。 和轴固定在定子相绕组轴线上, 这两个坐标系是静止坐标系。 ( 转子 ( ) 坐 ) 坐标系 轴系 转子 标系固 定在转子上, 其 轴位于 轴 转子 线 超 轴 , 坐 系 转 一 在 间 转 角 度 转, 上, 轴 前 该 标 和 子 起 空 上以 子 速 旋 故 为旋转坐标系。 () 坐 (轴系 定向 标系 ) 坐标系的轴固定 定向 在定向 磁 的
16、链矢量上, 轴超前轴 , 标系 磁链矢量一 该坐 和 起在空间同 步旋转,由 于轴位于 磁链轴上, 又称为定向 磁链轴, 而和轴垂直的 轴上的定子电流分量只产生 电磁转矩,又称为转矩轴。 矢量 制中, 电动机的 控 变量( 压、电 电 流、电 动势、 磁链等) 均可用空间 矢 量来描述,并常在几种坐标系中进行变换和计算。 一个空间矢量从一种坐标系 变换到另一坐标系的原则是,在不同坐标系下所产生的磁动势完全一致。 () 静止坐标系间的矢量变换 武汉理工大学硕士学位论文 一个旋转矢量从三相定子坐标系 ( 坐标系)变换到定子两相坐标系 ( 一 坐标系) 称为 变换或 变换,称其反变换为 反变 刀 ,
17、 换或 变换。 图 定子坐标系 且考虑变换前后总功率不变,通过计算 若为 平衡系统 二 , 三相 , , 可 以得到: 阳 一坦 行 生 行 匡 队 队 ( ) 同理可以推导出其逆变换为 屹 几 厄 朽 一 阵 匹 () 可 以得 出 行 : 二 行 一 厄 卫 边 ( ) 武汉理工大学硕士学位论文 ( ) 对于各相绕组的电流和磁链,也有同样的变换,且变换矩阵与电压变换矩 阵完全相同。 () 两相坐标系间的矢量变换 一个旋转矢量从两相定子静止坐标系 ( 一 坐标系) 刀 变换到定子两相旋转 坐标处理有不精确性和不确定性的问 题中有可处理性、鲁棒性,因而 将智能控制引入交流伺服控制成为一个必然的
18、趋势。 智能控制理论是自 动控制学科发展里程中的一个崭新阶段, 与传统的经典、 现代控制方法相比,具有一系列独到之处。首先,它突破了传统控制理论中必 须基于数学模型的 框架, 不依赖或不完全依赖于 控制对象的数学模型, 只按实 际效果进行控制。其次,继承了人脑思维的非线性,智能控制器也具有非线性 特征;同时,利用计算机控制的便利,可以根据当前状态切换控制器的结构, 用变结构的方法改善系统的性能。在复杂系统中,智能控制还具有分层信息处 理和决策的功能。因此,智能控制也被成为继经典控制和现代控制之后的第三 代自 动控制技术 利用智能控制的非线性、变结构、自 寻优等各种功能来克服交流伺服系统 变参数
19、与非线性等不利因素,可以提高系统的鲁棒性。目 前智能控制在交流伺 服系 统应用中 较多的, 包括: 专家控 ( 、 控制、自 控 制 模糊 ) 学习 制、神经网络控制、遗传算法等, 而且大多是在模型控制基础上增加一定的智 能控制手段,以消除参数变化和扰动的影响。 () 专家系统及专家控制 专家系统是人工智能 应用领域的一个重要分支, 人工智能的理论和方法( 如 知识表示、 搜索策略 , ) 主要是以 专家系统的形式得到实际应用。 一般认为: 专家 系统是一种计算机程序,它在某些特定领域中,能以 人类专家的水平去解决问 题, 在某些方面甚至可能超过人类专家。 专家控制器的工作过程就是将给定值、测
20、量数据、 波形特征等作为当前事 实,与控制规则相匹配,从而得到控制量。控制规则体现的是专家的专门只是 和经验,为了使控制器能随着对象特性的变化自 动调整控制参数,不断改善系 统性能,一般还可以给他设置学习环节。 目 经开始将专家控制应用于快响应的电 前,人们己 气传动系统的研究。 () 模糊控制 模糊控制是利用模糊集合来刻画人们日常所使用的概念中的模糊性,使控 制器能更逼真地模仿熟练操作人员和专家的控制经验与方法,它包括精确量的 模糊化、 模糊推理、 模糊判决三部分。 模糊控制系统基本结构包括: 模糊化接口、 武汉理工大学硕士学位论文 模糊推理机、模糊规则库、非模糊化接口 几个部分。 模糊控制
21、的最大优点是它不依赖被控对象的精确数学模型,并且能克服非 线性因素的影响,对被控对象的参数变化不敏感,即具有较强的鲁棒性,因此 它是解决不确定性系统控制的一种有效途径。 但它对信息进行简单的模糊处理 会导致被控系统精度的降低和动态品质变差。为了提高系统的精度则必然要增 加量化等级,从而导致规则的迅速增多,因此影响规则库的最佳生成,且增加 系统的 杂性和 复 推理时间。 此一般都需要与 控制方法相结 如与 控 因 其他 合( 滑模 制的结合) 才能获得优良 , 的性能 ( ) 神经网络控制 神经网络则是多个神经元通过互联构成的网 络,常见的神经网络交接结构 有包括无反馈前向多层网络、有反馈前向多
22、层网络、层内有互联的多层前馈网 络、任意元可能有连接的相互结合型网络等。 神 络的 包括: 存储是分布式的 使得网 特点 经网 信息 健 络具有很强的 容 信息 错性、 鲁棒性和联想记忆功能 ; ) 具有自 适应性和自 组织性( 来源于连接的多 样 性极 连接强 可塑性 ; 度的 ) 采用并行处理方式 这使得处理 ( 速度变得非常优越) ; 层 次 ( 性 这是由 络的 联结 定的 。 网 互 构决 ) () 学习控制( 包括遗传学习) 学习控制是日 本学者 等人于 年提出的 。 学习控制是对系统 运行的未知信息进行学习,并把学习的信息作为一种经验运用到未来的决策和 控制之中去。 学习控制对于
23、具有可重复性运动的工业机器人、数控机床等被控对象有着 广泛的应用前景,而它们又都包含有多个满足一定动、静态性能指标的位置伺 服系统。因此, 研究位置伺服系统的学习控制具有一定的典型性。不过应该指 出,学习控制本身不能克服系统的随机千扰。一般来说,自学习控制也常是与 其他控制方 合在一 。 法结 起的 例如,目 前模糊 控制的 个引 注目 研究 一 人 的 方 向就是自学习模糊控制,这种控制是走向更高层次智能控制的一种过渡。 ( ) 预测控制 预测控制将人类能通过对未来情况的把握来确定当前行动的能力引入了控 武汉理工大学硕士学位论文 制领域。在控制领域,如何恰当地利用未来信息,并因此而提高控制系
24、统的性 能方面,己经在理论上取得了许多引人注目的进展。 在机器人、数控机床等机电 领域中, 可以利用未来目 标值等未来信息的情 况是很多的。在这种情况下,根据当前目 标值,以及未来目 标值和未来外部干 扰等信息来共同 确定当前的控制方案,无疑是一件很有价值的思路。预测伺服 系统就是希望通过对目 标信号及干扰信号的未来信息的利用来改善系统的控制 性能。从结构上来看,采用预测控制的伺服系统就是在采用通常控制策略的伺 服系统上加一个利用未来信息的前馈预测补偿环节所构成。因此,可望使系统 在保持原有的稳定性和鲁棒性的同时,通过对未来信息的利用使得系统的性能 指标得到 进一步地改 善 人工免疫控制的研究
25、现状 近代计算机科学技术发展的显著特点之一是与生命科学的相互交叉、相互 渗透日 益密切。生命科学尤其是生物学的发展为计算机科学的发展提供了许多 新方法和新思路。目 前,针对生命科学与计算机科学的交叉领域的研究已 成为 当今科学研究领域内的一个重要的研究方向,并取得了许多的举世瞩目的研究 成果, 脑神 统为 如以 经系 基础的 经网 遗传系统为 础的 算法 神 络和以 基 遗传 等。 生物免疫系统是生物体赖以生存的基本保障,它是自 然进化演变的结果。 从计算机科学的角度来看, 生物免疫系统可以 看作是一个具有高度并行处理能 力的 分布式、自 适应和自 组织的 。 物免 是 系统 生 疫学 在对生 物免疫系 统研究 的基础上发展并逐渐形成的一门较为完整的学科。目 前,生命科学研究工作者 们正在利用计算机技术为生物免疫系统及其各种机体功能与特征行为进行数学 建模,以便更加容易地分析和解释这些生物免疫现象的内在机理。 另一方面,生物免疫系统具有很强的学习、识别、记忆和特征提取能力, 这些能力正是智能性计算机系统所需要的。因此,生物免疫系统的原理和结构 成为计算机科学研究工作者竞相研究的对象。目 计算机工作者们已 前, 从生物 免疫系统中 获得了一些重要的启示和借鉴,并且将其应用于解决计算机工程应 用中的一些用一般方法
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