CN111313782B - 基于免疫算法的感应电机无源性控制方法 - Google Patents

基于免疫算法的感应电机无源性控制方法 Download PDF

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Abstract

基于免疫算法的感应电机无源性控制方法，其中控制系统包含逆变器模块、感应电机模块、转速外环控制器PI模块、免疫无源性控制器模块、速度编码器模块、2/2坐标变换模块a、2/2坐标变换模块b、3/2坐标变换模块、空间矢量脉宽调制模块和旋转角度计算模块；上述控制系统的控制方法利用输出反馈使得闭环系统特性表现为一无源映射，配置系统能量耗散特性方程中的无功分量“无功力”，迫使系统总能量跟踪预期的能量函数，保证系统的稳定性，使被控对象的输出渐近收敛到期望值；本发明将免疫结构引入到无源性控制之中，提出了基于免疫算法的无源性控制器；利用免疫算法对控制器中的可调参数实时调节，保证系统的快速和稳定性。

Description

基于免疫算法的感应电机无源性控制方法
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，具体涉及基于免疫算法的感应电机无源性控制方法。
背景技术
感应电机(Induction Machine)是一个非线性、多变量、强耦合、参数时变、大干扰的复杂对象，具有高精度、高动态性能、高可靠性、小体积等优势，在高精度和高可靠性要求场合获得广泛应用，如工业、民用、军事等领域，它的有效控制一直是国内外研究的热点问题，现已提出了多种控制策略与方法。
现有的感应电机控制方法基本以矢量控制或者直接转矩控制为基础，虽然都能获得较高的动、静态性能，但是矢量控制、直接转矩控制也存在一些问题：矢量控制系统对电机参数的依赖性大，而电机参数存在时变性，难以达到理想的控制；直接转矩控制系统在起动和低速运行时转矩波动较大。
对此，为获得高性能感应电机控制系统，一些利用非线性控制系统设计的控制方案被提出，如内模控制、预测控制、滑模控制等控制方法来进行研究，使感应电机系统的性能有了较大的提高。
但仍存在一些问题，内模控制方法需要被控对象的内部模型，且当模型失配时，控制效果变差，甚至导致系统不稳。预测控制方法在线计算时间长，计算量大，理论分析难以深入。滑模控制方法频繁高速的开关切换会带来高频抖动，稳态精度低，甚至产生震荡。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供基于免疫算法的感应电机无源性控制方法，具有较高的动、静态性能，且结构简单、可靠、稳定性高；本发明还提供上述控制系统的控制方法，参数实时调节方便，不需要大量的计算就能完成，有效改善感应电机的动态性能。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
基于免疫算法的感应电机无源性控制方法，包含主电路和控制电路；
所述主电路包括逆变器模块和感应电机模块，所述逆变器模块与所述感应电机模块连接；
所述控制电路包括转速外环控制器PI模块、免疫无源性控制器模块a、免疫无源性控制器模块b、速度编码器模块、2/2坐标变换模块a、2/2坐标变换模块b、3/2坐标变换模块、空间矢量脉宽调制模块和旋转角度计算模块；
所述感应电机模块的输出端分别与所述3/2坐标变换模块和所述速度编码器模块的输入端连接；所述3/2坐标变换模块的输出端连接所述2/2坐标变换模块b的输入端；
所述免疫无源性控制器模块b的输入端分别连接所述2/2坐标变换模块b、所述速度编码器模块和所述转速外环控制器PI模块的输入端；
所述免疫无源性控制器模块b的输出端通过所述2/2坐标变换模块a连接所述空间矢量脉宽调制模块的输入端，所述空间矢量脉宽调制模块的输出端与所述逆变器模块的输入端连接；
所述速度编码器模块的输出端连接所述转速外环控制器PI模块，所述免疫无源性控制器模块a的输出端与所述速度编码器模块的输出端连接后与所述旋转角度计算模块的输入端连接，所述旋转角度计算模块的输出端分别与所述2/2坐标变换模块b和所述2/2坐标变换模块a连接；
包含以下步骤：
步骤S1：将感应电机模块的定子绕组电流ia、ib、ic，输入到控制电路中的3/2坐标变换模块，得到两相静止坐标系下的电流分量iα、iβ；
步骤S2：将步骤S1中得到的电流分量iα、iβ输入到2/2坐标变换模块b，得到两相旋转坐标系下的电流分量id、iq；
步骤S3：将步骤S2中得到的id、iq送至免疫无源性控制器模块，速度编码器模块和旋转角度计算模块分别得到转速ω和转子位置θ，然后分别送给2/2坐标变换模块a、2/2坐标变换模块b和转速外环控制器PI模块；
步骤S4：将q轴电流的期望值iqref与反馈电流作差，得到电流误差Δiq，d轴的电流给定值idref＝0与输出的d轴电流作差，得到Δid；
步骤S5：经过免疫无源控制器模块的调节输出电压分量ud、uq，经2/2坐标变换模块a反变换输出uα、uβ，最后通过空间矢量脉宽调制模块，输出六路PWM信号供给逆变器模块工作，将直流母线电压Udc以PWM波的形式施加到感应电机模块上。
进一步地，步骤S3中免疫无源性控制器模块的建模过程，包含以下步骤：
步骤S01：基于能量成形和互联、阻尼配置的无源性控制方法，建立感应电机无源性控制的模型为：
Figure GDA0003455108130000031
式中，rs是可调参数，λ为磁链，Ls、Lr、Lm分别是定子电感、转子电感、互感，Te0为输出转矩，ωs为定子输入电压的电角速度，Rs是定子电阻，ω为转子机械角速度，np为极对数；
步骤S02：将免疫算法引入到上述感应电机无源性控制模块中：
设第k代的抗原数量为e(k)，由抗原刺激而产生的辅助性Th细胞的浓度为BTh(k)，抑制性Td细胞的浓度为BTd(k)，则B细胞所接受到的刺激u(k)为u(k)＝BTh(k)-BTd(k)，则BTh(k)＝k1e(k)，BTd(k)＝k2g[Δu(k)]e(k)；
将u(k)设为控制器的输出，则有如下反馈控制律：u(k)＝k1e(k)-k2g[Δu(k)]e(k)＝kpe(k)；
其中，kp＝K{1-μg[Δu(k)]}；
将免疫控制引入到无源性控制器中，取：g(Δu)＝1-exp(-Δu2/b)；
其中，u(k)为阻尼输出值，结合步骤S01，构成免疫无源性控制器模块；
步骤S03：在前馈控制器的输出端加两个延迟单元1/z为延迟单元，用前一拍的值减去本拍的值，其结果作为g(Δu)的输入；
代入步骤S02中的反馈控制律u(k)＝kpe(k)中，控制律的输出反馈回前馈控制器的输入端，即得基于免疫无源性控制模块的建模。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果为：本发明的基于免疫算法的感应电机无源性控制方法，具有较高的动、静态性能，且结构简单、可靠、稳定性高；本发明的上述控制系统的控制方法，将免疫结构引入到无源性控制之中，提出了基于免疫算法的无源性控制器，利用免疫算法对控制器中的可调参数进行实时调节，保证了系统的快速性和稳定性；且参数实施调节方便，不需要大量的计算就能完成，有效改善了感应电机的性能。
附图说明
图1为本发明实施例中控制方法结构示意图；
图2为本发明实施例中控制方法的过程示意图；
图3为本发明实施例中免疫控制过程示意图。
图中：1--免疫无源性控制器模块a、2--主电路、3--逆变器模块、4--感应电机模块、5--控制电路、6--转速外环控制器PI模块、7--免疫无源性控制器模块b、8--速度编码器模块、9--2/2坐标变换模块a、10--2/2坐标变换模块b、11--3/2坐标变换模块、12--空间矢量脉宽调制模块、13--旋转角度计算模块。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
如图1所示，基于免疫算法的感应电机无源性控制方法，包含主电路和控制电路；
主电路2包括逆变器模块3和感应电机模块4，逆变器模块3与感应电机模块4连接；
控制电路5包括转速外环控制器PI模块6、免疫无源性控制器模块a1、免疫无源性控制器模块b7、速度编码器模块8、2/2坐标变换模块a9、2/2坐标变换模块b10、3/2坐标变换模块11、空间矢量脉宽调制模块12和旋转角度计算模块13；
感应电机模块4的输出端分别与3/2坐标变换模块11和速度编码器模块8的输入端连接；3/2坐标变换模块11的输出端连接2/2坐标变换模块b10的输入端；
免疫无源性控制器模块b7的输入端分别连接2/2坐标变换模块b10、速度编码器模块8和转速外环控制器PI模块6的输入端；
免疫无源性控制器模块b7的输出端通过2/2坐标变换模块a9连接空间矢量脉宽调制模块12的输入端，空间矢量脉宽调制模块12的输出端与逆变器模块3的输入端连接；
速度编码器模块8的输出端连接转速外环控制器PI模块6，免疫无源性控制器模块a1的输出端与速度编码器模块8的输出端连接后与旋转角度计算模块13的输入端连接，旋转角度计算模块13的输出端分别与2/2坐标变换模块b10和2/2坐标变换模块a9连接。
如图1-3所示，上述基于免疫算法的感应电机无源性控制方法，包含以下步骤：
步骤S1：将感应电机模块4的定子绕组电流ia、ib、ic，输入到控制电路中的3/2坐标变换模块11，得到两相静止坐标系下的电流分量iα、iβ；
步骤S2：将步骤S1中得到的电流分量iα、iβ输入到2/2坐标变换模块b10，得到两相旋转坐标系下的电流分量id、iq；
步骤S3：将步骤S2中得到的id、iq送至免疫无源性控制器模块b7，速度编码器模块8和旋转角度计算模块13分别得到转速ω和转子位置θ，然后分别送给2/2坐标变换模块a9、2/2坐标变换模块b10和转速外环控制器PI模块6；
步骤S4：将q轴电流的期望值iqref与反馈电流作差，得到电流误差Δiq，d轴的电流给定值idref＝0与输出的d轴电流作差，得到Δid；
步骤S5：经过免疫无源控制器模块b7的调节输出电压分量ud、uq，经2/2坐标变换模块a9反变换输出uα、uβ，最后通过空间矢量脉宽调制模块12，输出六路PWM信号供给逆变器模块13工作，将直流母线电压Udc以PWM波的形式施加到感应电机模块4上。
其中，步骤S3中免疫无源性控制器模块的建模过程，包含以下步骤：
步骤S01：基于能量成形和互联、阻尼配置的无源性控制方法，建立感应电机无源性控制的模型为：
Figure GDA0003455108130000071
式中，rs是可调参数，λ为磁链，Ls、Lr、Lm分别是定子电感、转子电感、互感，Te0为输出转矩，ωs为定子输入电压的电角速度，Rs是定子电阻，ω为转子机械角速度，np为极对数；
步骤S02：将免疫算法引入到上述感应电机无源性控制模块中：
设第k代的抗原数量为e(k)，由抗原刺激而产生的辅助性Th细胞的浓度为BTh(k)，抑制性Td细胞的浓度为BTd(k)，则B细胞所接受到的刺激u(k)为u(k)＝BTh(k)-BTd(k)，则BTh(k)＝k1e(k)，BTd(k)＝k2g[Δu(k)]e(k)；
将u(k)设为控制器的输出，则有如下反馈控制律：u(k)＝k1e(k)-k2g[Δu(k)]e(k)＝kpe(k)；
其中，kp＝K{1-μg[Δu(k)]}；
将免疫控制引入到无源性控制器中，取：g(Δu)＝1-exp(-Δu2/b)；
其中，u(k)为阻尼输出值，结合步骤S01，构成免疫无源性控制器模块7；
步骤S03：在前馈控制器的输出端加两个延迟单元(1/z为延迟单元)，用前一拍的值减去本拍的值，其结果作为g(Δu)的输入；
代入步骤S02中的反馈控制律u(k)＝kpe(k)中，控制律的输出反馈回前馈控制器的输入端，即得基于免疫无源性控制模块的建模。
本发明的基于免疫算法的感应电机无源性控制方法，具有较高的动、静态性能，且结构简单、可靠、稳定性高；本发明的上述控制系统的控制方法，将免疫结构引入到无源性控制之中，提出了基于免疫算法的无源性控制器，利用免疫算法对控制器中的可调参数进行实时调节，保证了系统的快速性和稳定性；且参数实施调节方便，不需要大量的计算就能完成，有效改善了感应电机的性能。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.基于免疫算法的感应电机无源性控制方法，其特征在于，包含主电路和控制电路；
所述主电路包括逆变器模块和感应电机模块，所述逆变器模块与所述感应电机模块连接；
所述控制电路包括转速外环控制器PI模块、免疫无源性控制器模块a、免疫无源性控制器模块b、速度编码器模块、2/2坐标变换模块a、2/2坐标变换模块b、3/2坐标变换模块、空间矢量脉宽调制模块和旋转角度计算模块；
所述感应电机模块的输出端分别与所述3/2坐标变换模块和所述速度编码器模块的输入端连接；所述3/2坐标变换模块的输出端连接所述2/2坐标变换模块b的输入端；
所述免疫无源性控制器模块b的输入端分别连接所述2/2坐标变换模块b、所述速度编码器模块和所述转速外环控制器PI模块的输入端；
所述免疫无源性控制器模块b的输出端通过所述2/2坐标变换模块a连接所述空间矢量脉宽调制模块的输入端，所述空间矢量脉宽调制模块的输出端与所述逆变器模块的输入端连接；
所述速度编码器模块的输出端连接所述转速外环控制器PI模块，所述免疫无源性控制器模块a的输出端与所述速度编码器模块的输出端连接后与所述旋转角度计算模块的输入端连接，所述旋转角度计算模块的输出端分别与所述2/2坐标变换模块b和所述2/2坐标变换模块a连接；
包含以下步骤：
步骤S1：将感应电机模块的定子绕组电流ia、ib、ic，输入到控制电路中的3/2坐标变换模块，得到两相静止坐标系下的电流分量iα、iβ；
步骤S2：将步骤S1中得到的电流分量iα、iβ输入到2/2坐标变换模块b，得到两相旋转坐标系下的电流分量id、iq；
步骤S3：将步骤S2中得到的id、iq送至免疫无源性控制器模块，速度编码器模块和旋转角度计算模块分别得到转速ω和转子位置θ，然后分别送给2/2坐标变换模块a、2/2坐标变换模块b和转速外环控制器PI模块；
步骤S4：将q轴电流的期望值iqref与反馈电流作差，得到电流误差Δiq，d轴的电流给定值idref＝0与输出的d轴电流作差，得到Δid；
步骤S5：经过免疫无源控制器模块的调节输出电压分量ud、uq，经2/2坐标变换模块a反变换输出uα、uβ，最后通过空间矢量脉宽调制模块，输出六路PWM信号供给逆变器模块工作，将直流母线电压Udc以PWM波的形式施加到感应电机模块上；
步骤S3中免疫无源性控制器模块的建模过程，包含以下步骤：
步骤S01：基于能量成形和互联、阻尼配置的无源性控制方法，建立感应电机无源性控制的模型为：
Figure FDA0003455108120000021
式中，rs是可调参数，λ为磁链，Ls、Lr、Lm分别是定子电感、转子电感、互感，Te0为输出转矩，ωs为定子输入电压的电角速度，Rs是定子电阻，ω为转子机械角速度，np为极对数；
步骤S02：将免疫算法引入到上述感应电机无源性控制模块中：
设第k代的抗原数量为e(k)，由抗原刺激而产生的辅助性Th细胞的浓度为BTh(k)，抑制性Td细胞的浓度为BTd(k)，则B细胞所接受到的刺激u(k)为u(k)＝BTh(k)-BTd(k)，则BTh(k)＝k1e(k)，BTd(k)＝k2g[Δu(k)]e(k)；
将u(k)设为控制器的输出，则有如下反馈控制律：u(k)＝k1e(k)-k2g[Δu(k)]e(k)＝kpe(k)；
其中，kp＝K{1-μg[Δu(k)]}；
将免疫控制引入到无源性控制器中，取：g(Δu)＝1-exp(-Δu2/b)；
其中，u(k)为阻尼输出值，结合步骤S01，构成免疫无源性控制器模块；
步骤S03：在前馈控制器的输出端加两个延迟单元1/z为延迟单元，用前一拍的值减去本拍的值，其结果作为g(Δu)的输入；
代入步骤S02中的反馈控制律u(k)＝kpe(k)中，控制律的输出反馈回前馈控制器的输入端，即得基于免疫无源性控制模块的建模。
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