專利名稱：永磁同步電機速度環(huán)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自校正控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高精度永磁同步電機伺服系統(tǒng)速度環(huán)自校正控制方法，特別是一種永磁同步電機速度環(huán)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自校正控制方法，屬于高精度伺服控制系統(tǒng)的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
永磁同步電機由于具有無機械換向器、結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)切換、快速響應(yīng)性好等特點，應(yīng)用范圍越來越廣。高性能的全數(shù)字化伺服控制系統(tǒng)成為當(dāng)代交流伺服系統(tǒng)發(fā)展的趨勢，并被廣泛地應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)自動化領(lǐng)域，特別是在機器人、航天航空、數(shù)控機床、特種加工設(shè)備等控制精度要求高的領(lǐng)域。因此對其性能的要求也越來越高，比如高速度、高精度、高可靠性及高抗干擾能力。
永磁同步電機本質(zhì)是一個非線性系統(tǒng)，在運行過程中參數(shù)經(jīng)常可能是時變的，如在實際應(yīng)用中，負(fù)載的改變、運行環(huán)境的變化等都會導(dǎo)致轉(zhuǎn)動慣量、摩擦系數(shù)等參數(shù)發(fā)生變化。這些模型參數(shù)的變化不可避免地引起控制系統(tǒng)性能的降低，尤其是轉(zhuǎn)動慣量的變化。轉(zhuǎn)動慣量的增加將導(dǎo)致系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)變慢，會對系統(tǒng)的機械特性造成明顯的影響。在一些應(yīng)用場合，比如卷線機控制系統(tǒng)，隨著卷線機卷線，折合到電機上的總慣量也隨著增加，當(dāng)慣量增長較大時，如果控制器參數(shù)仍然保持不變，閉環(huán)系統(tǒng)的性能會變差，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此經(jīng)典的控制方法(如PID控制)可能無法取得令人滿意的控制效果。因此在系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量變化大的情況下，如果系統(tǒng)能夠自動識別變化的工況，并據(jù)此對系統(tǒng)控制器參數(shù)進(jìn)行自動調(diào)整，不僅能夠提高交流伺服系統(tǒng)的控制性能，而且可以增強交流伺服系統(tǒng)對工況變化的智能性和適應(yīng)性。
所謂自整定是指控制器根據(jù)對象特性變化自動整定控制參數(shù)，是實現(xiàn)交流伺服系統(tǒng)速度環(huán)控制參數(shù)整定的高效途徑。因此為了消除系統(tǒng)參數(shù)變化和擾動帶來的影響，提高系統(tǒng)的控制性能，許多專家和學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，提出了一系列的控制器參數(shù)自整定方法。一般來說，可以將控制器參數(shù)自整定技術(shù)分為以下兩類一類是基于對象模型的設(shè)計方法，如文獻(xiàn)(楊明，張揚等.交流伺服系統(tǒng)控制器參數(shù)自整定及優(yōu)化[J].電機與控制學(xué)報.2010，14(1 )提出一種基于轉(zhuǎn)動慣量辨識的速度控制器PI參數(shù)在線調(diào)整方法，通過電機做三角波運動過程中使用評價函數(shù)計算出的值來調(diào)整PI參數(shù)。但是基于模型的方法在參數(shù)變化很大和擾動的情況下可能無法獲得優(yōu)異的控制性能。另一類是基于規(guī)則的自整定方法，如模糊自整定方法，文獻(xiàn)(Li S H，Liu Z G. Adaptive speed control for permanent magnet synchronous motor system with variations of load inertia[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2009, 56 (8) :3050-3059)提出了基于慣量辨識的自適應(yīng)自抗擾控制器。根據(jù)辨識出來的慣量，利用模糊推理法，對自抗擾控制器參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，這種方法對慣量的變化有著較強的自適應(yīng)性，但是該方法需要豐富的先驗知識，且缺乏在線機制。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強的自適應(yīng)能力、非線性映射能力、容錯能力和無需先驗知識的概括能力等特性，能逼近任意L2范數(shù)上的任意非線性函數(shù)，可以通過自學(xué)習(xí)對系統(tǒng)的各種特性或者新出現(xiàn)的情況進(jìn)行描述，并得出相應(yīng)的控制策略。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種永磁同步電機速度環(huán)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自校正控制方法，該控制方法針對慣量、負(fù)載等參數(shù)變化范圍大的伺服控制的應(yīng)用場合。該控制方法不需要被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，并可以通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的在線學(xué)習(xí)來適應(yīng)工作環(huán)境和系統(tǒng)本身的參數(shù)變化(如轉(zhuǎn)動慣量等)，以及來自外界的擾動(如負(fù)載等)。該控制方法的參數(shù)可以不斷通過實際系統(tǒng)的輸出與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識器輸出之間的誤差來進(jìn)行在線自適應(yīng)整定，使系統(tǒng)具有良好的魯棒性、適應(yīng)性、抗擾動能力和控制精度。
為了實現(xiàn)上述的技術(shù)目的，本發(fā)明的永磁同步電機速度環(huán)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自校正控制方法是將電流環(huán)和電機作為廣義對象，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識得到電機的參數(shù)及負(fù)載擾動，然后根據(jù)估計的參數(shù)和負(fù)載擾動設(shè)計速度環(huán)自校正控制器；并可以根據(jù)對象與辨識模型之間的誤差在線調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值，進(jìn)而自適應(yīng)調(diào)整控制器的參數(shù)，實現(xiàn)控制器參數(shù)的在線自動整定。
所述永磁同步電機的控制策略是矢量控制。
所述控制方法采用ζ = 0的控制策略，電流環(huán)傳遞函數(shù)近似為常數(shù)1，電機的輸出模型表示為
權(quán)利要求
1.一種永磁同步電機速度環(huán)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自校正控制方法，其特征在于將電流環(huán)和電機作為廣義對象，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識得到電機的參數(shù)及負(fù)載擾動，然后根據(jù)估計的參數(shù)和負(fù)載擾動設(shè)計速度環(huán)自校正控制器；并可以根據(jù)對象與辨識模型之間的誤差在線調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值，進(jìn)而自適應(yīng)調(diào)整控制器的參數(shù)，實現(xiàn)控制器參數(shù)的在線自動整定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁同步電機速度環(huán)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自校正控制方法，其特征在于永磁同步電機的控制策略是矢量控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁同步電機速度環(huán)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自校正控制方法，其特征在于所述控制方法采用ζ = 0的控制策略，電流環(huán)傳遞函數(shù)近似為常數(shù)1，電機的輸出模型表示為表竽-苧-f，離散化模型為= -1) + pfq{k -1) + yTL(k -1)，其中， -翌β=Κ^~α)/ =ω為轉(zhuǎn)速信號，^^q軸電流給定，J為轉(zhuǎn)動慣a = e J ,BKtq量，B為粘滯摩擦系數(shù)，Tl為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，Ii =IwpP7■，np為磁極對數(shù)，Vf為轉(zhuǎn)子磁鏈，Ts為2采樣時間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁同步電機速度環(huán)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自校正控制方法，其特征在于首先采集轉(zhuǎn)速和電流信息，用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行離線訓(xùn)練，在達(dá)到滿意的精度以后，將離線學(xué)習(xí)得到的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在線學(xué)習(xí)的初始權(quán)值，然后對系統(tǒng)進(jìn)行在線學(xué)習(xí)和控制。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的永磁同步電機速度環(huán)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自校正控制方法，其特征在于用來辨識永磁同步電機參數(shù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一個兩層線性時延神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值為α和β的辨識值 和3，電機的參數(shù)辨識值為·β = ^，J = ，使系統(tǒng)P\η 適應(yīng)環(huán)境和系統(tǒng)本身的參數(shù)變化。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的永磁同步電機速度環(huán)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自校正控制方法，其特征在于學(xué)習(xí)算法采用變學(xué)習(xí)速率的最小方差法W(k)=爐(眾- ) + Α丄2" H .V7 ]、，其中妒=[么ygf為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值，ω和 ο + ω {κ - ) + Iq^K - )iq為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，ξ為學(xué)習(xí)速率，取值范圍為ξ e W，I]，b為一個不為0的常數(shù)，以防止出現(xiàn)分母為零的情況。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的永磁同步電機速度環(huán)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自校正控制方法， 其特征在于根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識出的電機參數(shù)計算出電機的負(fù)載擾動估計值為TL(k-I) = \{αω{1 -I) + pfq{k -1) - 0{k))，并將估計出的干擾作為前饋補償項，和反 7饋自校正控制一起用于抵消干擾的影響。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的永磁同步電機速度環(huán)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自校正控制方法，其特征在于由已經(jīng)得到的電機參數(shù)和負(fù)載估計值設(shè)計自校正控制律ζ，
全文摘要
本發(fā)明公開了一種永磁同步電機速度環(huán)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自校正控制方法，該方法是將電流環(huán)和電機作為廣義對象，首先采集出轉(zhuǎn)速和電流等信息，用一個自適應(yīng)線性時延神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對電機進(jìn)行離線參數(shù)辨識，然后將離線學(xué)習(xí)得到的權(quán)值作為在線學(xué)習(xí)的初值，最后對系統(tǒng)進(jìn)行在線參數(shù)辨識，根據(jù)辨識的參數(shù)計算出電機的負(fù)載轉(zhuǎn)矩；根據(jù)得到的參數(shù)值和負(fù)載擾動值，設(shè)計神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自校正控制律，并根據(jù)被控對象與辨識模型之間的誤差在線調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值，進(jìn)而在線整定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自校正控制器的參數(shù)，實現(xiàn)了控制器參數(shù)的在線調(diào)整，從而可以消除系統(tǒng)的不確定性和外部擾動帶來的影響，改善伺服系統(tǒng)的動態(tài)性能和抗擾動能力。
文檔編號H02P21/14GK102497156SQ20111044518
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月27日
發(fā)明者吳波, 吳蔚, 李世華, 李娟 , 楊俊 , 齊丹丹 申請人:東南大學(xué), 南京埃斯頓自動化股份有限公司, 南京埃斯頓自動控制技術(shù)有限公司