CN105680749A - 一种内燃机车异步电机模糊速度器控制方法 - Google Patents

Abstract

一种内燃机车异步电机模糊速度器控制方法，模糊控制技术因其具有非线性结构自寻的功能，可以根据不同的速度误差，不同速度误差对应的速度误差变化率，选取适合的PI参数，从而达到在全速范围，都能较快的跟随给定转矩、给定转速的目的，达到提高系统的静、动态特性。模糊控制器在模糊控制中以速度误差信号和速度误差信号的微分作为输入，将输入信号输入模糊控制器，而后通过模糊推理，经模糊推理规则，实现模糊控制，根据不同的速度误差，不同速度误差对应的速度误差变化率，选取适合的PI参数。本发明利用模糊控制器根据模糊推理和模糊规则，在全速范围内，根据输入，选取更为合适的PI参数，可以在负载或转速突变时，系统响应时间更快。

Description

一种内燃机车异步电机模糊速度器控制方法

技术领域

本发明涉及一种内燃机车异步电机模糊速度器控制方法。

背景技术

目前内燃机车广泛采用交流传动系统。对于其控制算法大多采用矢量控制，然而传统的矢量控制调速系统大多采用结构简单的PI控制技术，但其往往局限于电机的线性模型，负载大范围变化时存在鲁棒性差的问题。尤其在低速时，PI控制往往不能较快速的跟随速度的给定值，从而导致转矩误差和速度误差，且其不具有在线参数自整定的功能，因此，PI控制不能精确满足在不同的的工况下，系统对参数的自整定要求，从而影响控制性能。所以非常需要一种新型的内燃机车异步电机速度器控制方法，它能够精确满足在不同的工况下系统对参数自整定要求，使系统性能更优。

发明内容

本发明的目的在于提供一种内燃机车异步电机的模糊速度器控制方法。本发明是采用以下技术方案实现的：一种内燃机车异步电机模糊速度器控制方法，模糊速度控制器在模糊控制中以速度误差信号和速度误差信号的微分作为输入，将输入信号输入模糊速度控制器，而后通过模糊推理，经模糊推理规则，采用查表法，实现模糊控制，选取不同的规则，得到需要的PI参数；模糊速度控制器主要包括如下环节：

(1)模糊子集

模糊速度控制器的输入变量为速度的变化率e_ω(k)和速度误差的变化率Δe_ω(k)，其具体表达式为：

e_ω(k)＝n(k-1)-n(k)

Δe_ω(k)＝(e_ω(k)-e_ω(k-1))/T_s

式中，n(k)为此次采样时的速度，n(k-1)为上一次采样时的速度，T_s为采样时间间隔；利用量化因子，将输入e_ω(k)和Δe_ω(k)转换为论域归一化为[-1,+1]，隶属度函数统一的区间，将速度变化率e_ω(k)分为7个模糊子集为：{NB，NM，NS，ZO,PS，PM，PB}；将Δe_ω(k)转换为论域归一化为[-1,+1]区间，相应的语言变量为：{N，Z，P}；同理，将PI参数k_p、k_i也进行模糊化，各自对应4个模糊子集：{Z，S，M，B}；

(2)选取方式

对不同的误差和不同的误差变化率，模糊控制规则为：①变化量较大时，选取较大的k_p可加快系统的响应速度；采用较小的积分k_i参数，可避免系统响应超调过大，甚至让k_i＝0，防止积分饱和；②变化量为中大时，应取较小的k_p参数，将系统的超调控制在小范围内，要选取适中的k_i数值，为了保证响应速度；③变化量较小时，应选较大的k_i数值和适中的k_p，使系统稳态性能良好；

(3)模糊规则

采用的模糊推理规则为“ifAandBthenCandD”的形式，共有3×7＝21条规则，例如：“ife_ω(k)＝PBandΔe_ω(k)＝Pthenk_p＝Bandk_i＝Z”；将控制表写入控制规则表中，采用查表法实现模糊控制；

最终通过下式，可得到k_p和k_i的最终值：

$\left\{\begin{array}{c}{k}_p=n_1+n_2{k_p}^{\′}\\ k_i=n_3+n_4{k_i}^{\′}\end{array}\right.$

式中，n₁、n₂、n₃、n₄为实践所得的经验系数；k′_p、k′_i为查表得到的k_p、k_i的值；k_p模糊控制规则如下：在e_ω(k)＝NB时，当Δe_ω(k)＝N、Z、P，k′_p均为B；在e_ω(k)＝NM时，当Δe_ω(k)＝N、Z、P，k′_p均为M；在e_ω(k)＝NS时，当Δe_ω(k)＝N时，k′_p为S，当Δe_ω(k)＝Z或P时，k′_p均为B；在e_ω(k)＝ZE时，当Δe_ω(k)＝N时，k′_p为M，当Δe_ω(k)＝Z或P时，k′_p均为Z；在e_ω(k)＝PS时，当Δe_ω(k)＝N时，k′_p为S，当Δe_ω(k)＝Z或P时，k′_p均为B；在e_ω(k)＝PM时，当Δe_ω(k)＝N、Z、P时，k′_p均为M；在e_ω(k)＝PM时，当Δe_ω(k)＝N、Z、P时，k′_p均为B；

所述k_i模糊控制规则如下：在e_ω(k)＝NB时，当Δe_ω(k)＝N、Z、P时，k′_i均为Z；在e_ω(k)＝NM时，当Δe_ω(k)＝N或Z，k′_i均为S，当Δe_ω(k)＝P，k′_i为M；在e_ω(k)＝NS时，当Δe_ω(k)＝N或Z时，k′_i均为M，当Δe_ω(k)＝P时，k′_i为B；在e_ω(k)＝ZE时，当Δe_ω(k)＝N、Z、P时，k′_i均为B；在e_ω(k)＝PS时，当Δe_ω(k)＝N时，k′_i为S，当Δe_ω(k)＝Z或P时，k′_i均为B；在e_ω(k)＝PM时，当Δe_ω(k)＝N、Z时，k_i均为S，当Δe_ω(k)＝P时，k′_i为M；在e_ω(k)＝PB时，当Δe_ω(k)＝N、Z、P时，k′_i均为Z。

模糊控制技术因其具有非线性结构自寻的功能，可以根据不同的速度误差，不同速度误差对应的速度误差变化率，选取适合的PI参数，从而达到在全速范围，都能较快的跟随给定转矩、给定转速的目的，达到提高系统的静、动态特性。

本发明利用模糊速度控制器根据模糊推理和模糊规则，本发明设计了一个模糊速度控制器，2输入2输出，输入为e_ω(k)和Δe_ω(k)，输出为PI参数k_i和k_p。根据模糊规则，建立控制表，在全速范围内，根据输入，选取更为合适的PI参数，可以在负载或转速突变时，系统能响应时间更快。

附图说明

模糊速度控制器结构如图1所示；图1中，模糊化和模糊推理组成模糊控制器，如图2所示；图2包括e_ω(k)隶属度函数、Δe_ω(k)隶属度函数、模糊变量k_p隶属度函数图、模糊变量k_i隶属度函数等。

图1为模糊速度控制器结构。

图2为模糊控制器图。

图3为e_ω(k)隶属度函数。

图4为Δe_ω(k)隶属度函数图。

图5为模糊变量k_p隶属度函数图。

图6为模糊变量k_i隶属度函数图。

具体实施方式

本发明为一种内燃机车异步电机模糊速度器控制方法，以改善异步电机的不能快速的跟随给定速度，而导致转矩误差和速度误差。由图1可知，模糊速度控制器是以转速的误差为输入，由精确量转化而来的模糊信息为输入，通过DSP，根据手动控制经验得到的控制参数和控制规则进行模糊推理，而后解模糊化，最后将模糊量转化为精确量。如图2所示，2输入2输出的模糊控制器，输入为速度变化量Ew,速度变化量的微分dEw,输出为比例参数Up,积分参数Ui；具体方法如下所示：

(1)建立模糊子集

由图1可知，模糊速度控制器是以转速的误差和转速的误差做为输入量，根据一定的规则，将其模糊化，模糊速度控制器的输入变量e_ω(k)和Δe_ω(k)可以表示为：

e_ω(k)＝n(k-1)-n(k)

Δe_ω(k)＝(e_ω(k)-e_ω(k-1))/T_s

其中，e_ω(k)为转速的变化量和Δe_ω(k)为转速微分的变化量。以速度误差e_ω(k)为例，利用量化因子，将输入速度误差e_ω(k)转换成为统一的隶属度函数区间，将论域归一化在[-1,+1]区间，设置e_ω(k)分成7个模糊子集，子集语言变量从大到小包括：{NB，NM，NS，ZO,PS，PM，PB}；另外，由于速度变化率Δe_ω(k)变化很快，仅将其划分为三个子集，将其论域归一化为[-1,+1]区间，则相应的语言变量从大到小为：{N，Z，P}；同理，将PI参数k_p、k_i也进行论域归一，各包括4个模糊子集为：{Z,S，M，B}；

(1)模糊子集

利用量化因子，将输入e_ω(k)和Δe_ω(k)转换为论域归一化为[-1,＋1]，隶属度函数统一的区间，将速度变化率e_ω(k)分为7个模糊子集，如图3所示：{NB，NM，NS，ZO,PS，PM，PB}，其中NB(特小)为gaussmf函数类型，范围为[-1，0.2]；NM(较小)为trimf函数类型，范围为[-0.8，-0.5，-0.2]；NS(小)为trimf函数类型，范围为[-0.4，-0.2，0]；ZE(中)为trimf函数类型，范围为[-0.2，0，0.2]；PS(大)为trimf函数类型，范围为[0，0.2，0.4]；PM(较大)为trimf函数类型，范围为[0.2，0.5，0.8]；PB(特大)为gaussmf函数类型，范围为[0.2，1]。

将Δe_ω(k)转化为论域归一化为[-1,+1]区间，相应的语言变量为：{N，Z，P}如图4所示，其中N(小)为gaussmf函数类型，范围为[-1，0.32]；Z(中)为trimf函数类型，范围为[-1，0，1]；P(大)为gaussmf函数类型，范围为[0.32，1]。

同理，将PI参数k_p、k_i也进行模糊化，各自对应4个模糊子集：{Z，S，M，B}，其中k_p如图5所示，范围如下：Z(较小)为trimf函数类型，范围为[-0.4，0，0.2]；S(小)为trimf函数类型，范围为[0，0.25，0.5]；M(中)为trimf函数类型，范围为[0.3，0.5，0.8]；B(大)为trimf函数类型，范围为[0.6，1，1.4]；k_i如图6所示，范围如下：Z(较小)为gaussmf函数类型，范围为[0.068，0.25]；S(小)为trimf函数类型，范围为[0，0.25，0.5]；M(中)为trimf函数类型，范围为[0.3，0.5，0.8]；B(大)为gaussmf函数类型，范围为[0.127，1]。

(2)模糊推理

模糊控制规则是整个模糊速度控制器的核心。对不同的误差e_ω(k)、误差变化率Δe_ω(k)，模糊控制规则为：①变化量较大时，为了加快系统响应的速度，选取较大的比例k_p。为避免系统响应的超调量过大，同时防止积分饱和，此时，应用较小的积分k_i参数，甚至选取k_i＝0。②变化量为中大时，为将超调量控制在较小的范围内，应选取较小的比例k_p参数，为了保证合适的响应速度，应选取适中的积分k_i数值。③变化量较大时，为了系统的稳定运行，应选适中的k_p和较大的k_i数值。④根据上述方法，本发明最终构建的模糊推理，k_p如表1所示，k_i如表2所示。

(3)清晰化

模糊推理采用Mamdani型中的max-min合成法，即模糊推理规则形式为:“ifAandBthenCandD”，根据表1和表2查表，例如：“ife_ω(k)＝PBandΔe_ω(k)＝Pthenk_p＝Bandk_i＝Z”。根据表1和表2，共有3×7＝21条规则。采用查表法，实现模糊控制，将控制表表1和表2写入控制规则表中。

根据经验和多次调整的PI参数，最终得到输出转速较为稳定的变量比例k_p和微分k_i的范围。并通过下式进行线性变换，最终可得到需求的k_p和k_i的实际输出值。

$\left\{\begin{array}{c}{k}_p=n_1+n_2{k_p}^{\′}\\ k_i=n_3+n_4{k_i}^{\′}\end{array}\right.$

式中的k_p和ki为模糊输出量的清晰值，k′_p、k′_i为查表得到的k_p、k_i的值。

表1k_p模糊控制规则表

表2k_i模糊控制规则表

本发明利用模糊控制根据模糊推理和模糊规则，本发明设计了一个模糊速度控制器，2输入2输出，输入为e_ω(k)和Δe_ω(k)，输出为PI参数k_i和k_p。根据模糊规则，建立控制表，在全速范围内，根据输入，选取更为合适的PI参数，可以在负载或转速突变时，系统能响应时间更快。

Claims (1)

1.一种内燃机车异步电机模糊速度器控制方法，其特征是：模糊速度控制器在模糊控制中以速度误差信号和速度误差信号的微分作为输入，将输入信号输入模糊速度控制器，而后通过模糊推理，经模糊推理规则，采用查表法，实现模糊控制，可以根据不同的速度误差，不同速度误差对应的速度误差变化率，选取不同的规则，得到需要的PI参数，模糊速度控制器主要包括如下环节：

(1)模糊子集

模糊速度控制器的输入变量为速度的变化率e_ω(k)和速度误差的变化率Δe_ω(k)，其具体表达式为：

e_ω(k)＝n(k-1)-n(k)

Δe_ω(k)＝(e_ω(k)-e_ω(k-1))/T_s

式中，n(k)为此次采样时的速度，n(k-1)为上一次采样时的速度，T_s为采样时间间隔；利用量化因子，将输入e_ω(k)和Δe_ω(k)转换为论域归一化为[-1,+1]，将速度变化率e_ω(k)分为7个模糊子集为：{NB，NM，NS，ZO,PS，PM，PB}；Δe_ω(k)分为：{N，Z，P}；同理，将PI参数k_p、k_i也进行模糊化，各自对应4个模糊子集：{Z，S，M，B}；

(2)选取方式

对不同的误差和不同的误差变化率，模糊控制规则为：①变化量较大时，选取较大的k_p可加快系统的响应速度；采用较小的积分k_i参数，可避免系统响应超调过大，甚至让k_i＝0，防止积分饱和；②变化量为中大时，应取较小的k_p参数，将系统的超调控制在小范围内，要选取适中的k_i数值，为了保证响应速度；③变化量较小时，应选较大的k_i数值和适中的k_p，使系统稳态性能良好；

(3)模糊规则

采用的模糊推理规则为“ifAandBthenCandD”的形式；将控制表写入控制规则表中，采用查表法实现模糊控制，最终通过下式，可得到k_p和k_i的最终值：

$\left\{\begin{array}{c}{k}_p=n_1+n_2{k_p}^{\′}\\ k_i=n_3+n_4{k_i}^{\′}\end{array}\right.$

式中，n₁、n₂、n₃、n₄为实践所得的经验系数；k′_p、k′_i为查表得到的k_p、k_i的值；k_p模糊控制规则如下：在e_ω(k)＝NB时，当Δe_ω(k)＝N、Z、P，k′_p均为B；在e_ω(k)＝NM时，当Δe_ω(k)＝N、Z、P，k′_p均为M；在e_ω(k)＝NS时，当Δe_ω(k)＝N时，k′_p为S，当Δe_ω(k)＝Z或P时，k′_p均为B；在e_ω(k)＝ZE时，当Δe_ω(k)＝N时，k′_p为M，当Δe_ω(k)＝Z或P时，k′_p均为Z；在e_ω(k)＝PS时，当Δe_ω(k)＝N时，k′_p为S，当Δe_ω(k)＝Z或P时，k′_p均为B；在e_ω(k)＝PM时，当Δe_ω(k)＝N、Z、P时，k′_p均为M；在e_ω(k)＝PM时，当Δe_ω(k)＝N、Z、P时，k′_p均为B；

所述k_i模糊控制规则如下：在e_ω(k)＝NB时，当Δe_ω(k)＝N、Z、P时，k′_i均为Z；在e_ω(k)＝NM时，当Δe_ω(k)＝N或Z，k′_i均为S，当Δe_ω(k)＝P，k′_i为M；在e_ω(k)＝NS时，当Δe_ω(k)＝N或Z时，k′_i均为M，当Δe_ω(k)＝P时，k′_i为B；在e_ω(k)＝ZE时，当Δe_ω(k)＝N、Z、P时，k′_i均为B；在e_ω(k)＝PS时，当Δe_ω(k)＝N时，k′_i为S，当Δe_ω(k)＝Z或P时，k′_i均为B；在e_ω(k)＝PM时，当Δe_ω(k)＝N、Z时，k_i均为S，当Δe_ω(k)＝P时，k′_i为M；在e_ω(k)＝PB时，当Δe_ω(k)＝N、Z、P时，k′_i均为Z。