CN111884558B - 开关磁阻电机驱动海洋绞车主动升沉补偿控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种开关磁阻电机驱动海洋绞车主动升沉补偿控制方法，根据海洋绞车升沉运动速度和开关磁阻电机的实际转速，计算开关磁阻电机转速偏差；转速偏差经渐进稳态误差控制算法GSSEC得到给定转矩，结合实际转矩，得到转矩偏差；根据开关磁阻电机的给定磁链，同时检测其实际磁链，得到磁链偏差；根据转矩偏差和磁链偏差，对功率变换电路发送控制信号，以控制功率变换电路中功率开关的通断。本发明的控制方法，在采用GSSEC控制方法实现开关磁阻电机的实际转速对其给定转速的跟踪控制时，其跟踪控制精度与GSSEC控制参数的选取密切相关，即其控制参数选择的越好，则其跟踪控制精度就越高，采用果蝇优化算法对其控制参数进行优化，以获得最优的控制效果。

Description

开关磁阻电机驱动海洋绞车主动升沉补偿控制方法
技术领域
本发明涉及海洋绞车主动升沉补偿控制领域，尤其涉及一种开关磁阻电机驱动海洋绞车主动升沉补偿控制系统。
背景技术
海洋绞车是海洋科学考察与海洋资源勘探及开发的重要收放设备。为了克服海上风浪流强非线性干扰对海上正常作业的影响，一般要求海洋绞车具有主动升沉补偿功能。而作为目前海洋绞车主动升沉补偿动力驱动发展方向的交流变频电驱动虽具有结构简单、性能可靠、调节方便等优点，但其驱动用交流变频电机仍存在诸如起动电流大、过载能力低、功率因数不高等不足，对于海洋绞车主动升沉补偿要求频繁起制动、加减速及往复运转的运行工况而言，其总体运行效率不高、能耗大，因而严重影响了其主动升沉补偿功能的推广应用。
开关磁阻电机具有起动电流小、起动转矩大、结构简单坚固、效率高、容错能力强、调速范围宽等系列优点，因而非常适合应用于海洋绞车电驱动系统中；尤其对于海洋绞车主动升沉补偿要求频繁起制动、加减速的运行工况而言，开关磁阻电机具有交流变频电机无法比拟的效率优势，因此将开关磁阻电机应用于海洋绞车电驱动系统将具有重要意义。然而在海洋绞车主动升沉补偿控制中，要实现海洋绞车随母船升沉运动保持同步运转，其驱动电机将处于频繁正反转且其转速处于实时变化的运行工况下，如果电机实际转速不能准确跟踪其时变给定转速，则不能满足海洋绞车主动升沉补偿的同步控制要求，因此开展开关磁阻电机高性能转速控制方法研究具有重要意义。
目前国内外在有关开关磁阻电机高性能转速控制方面已开展了系列研究，提出了诸如自校正Takagi-Sugeno-Kang模糊控制(ATSKFC)、基于超扭矩算法的二阶滑模控制(SOSMC)等多种控制方法，虽取得了一定的控制效果，但对于时变给定转速运行工况而言，其转速跟踪控制精度仍难以满足控制要求。因此针对海洋绞车主动升沉补偿的同步控制要求，研究更为有效的开关磁阻电机高性能跟踪控制方法具有重要意义。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种开关磁阻电机驱动海洋绞车主动升沉补偿控制方法，所述方法根据海洋绞车升沉运动速度和开关磁阻电机的实际转速，计算开关磁阻电机的转速偏差；所述转速偏差经渐进稳态误差控制算法GSSEC处理得到给定转矩，结合开关磁阻电机的实际转矩，得到转矩偏差；根据开关磁阻电机的给定磁链，同时检测其实际磁链，得到其磁链偏差；根据转矩偏差和磁链偏差，对功率变换电路发送控制信号，以控制功率变换电路中功率开关的通断。
作为上述技术方案的进一步改进为：
优选地，上述方法中，具体包括以下方法：
(a)实时检测海洋绞车升沉运动速度，计算海洋绞车主动升沉补偿对应的开关磁阻电机转速，以该转速作为开关磁阻电机的给定转速；
(b)检测开关磁阻电机的实际转速，结合开关磁阻电机的给定转速，得到转速偏差；
(c)对步骤(b)所得转速偏差进行渐进稳态误差控制算法GSSEC处理，得到开关磁阻电机的给定转矩；
(d)检测开关磁阻电机的实际转矩，根据步骤(c)所得给定转矩，得到转矩偏差；
(e)检测开关磁阻电机的实际磁链，同时根据其给定磁链，得到其磁链偏差；
(f)对步骤(d)和(e)得到的转矩偏差和磁链偏差，进行直接转矩控制处理，得到开关磁阻电机对应功率变换电路中功率开关的控制信号；
(g)根据步骤(f)所得的控制信号对功率变换电路中功率开关的通断状态进行控制。
优选地，上述方法中，所述步骤(a)中海洋绞车升沉运动速度根据公式(1)得到开关磁阻电机给定转速：
Figure BDA0002582991900000021
式中：nref为开关磁阻电机给定转速，v为海洋绞车升沉运动速度，R为海洋绞车卷筒半径，k为卷筒与开关磁阻电机之间的传动比。
优选地，上述方法中，所述步骤(c)中采用渐进稳态误差控制算法GSSEC得到开关磁阻电机的给定转矩，具体步骤为：
步骤c-1：设当前采样时刻的转速偏差为Δn(k)、上一采样时刻的转速偏差为Δn(k-1)，采用非线性误差算法，根据公式(2)得到当前采样时刻的控制输出u1(k)；
Figure BDA0002582991900000022
式中：KL、K1p和K2p(p＝1,2,3,4)为GSSEC控制参数，且K2p≥K1p>0，vs(k)是一个根据转速偏差Δn(k)对u1(k)进行调节的控制变量；
步骤c-2：采集上一采样时刻的给定转矩Te *(k-1)，根据公式(3)对当前采样时刻的控制输出u1(k)进行补偿，得到当前采样时刻的给定转矩Te *(k)：
Te *(k)＝u1(k)+Te *(k-1) (3)
优选地，上述方法中，所述步骤(c)的公式(2)中，GSSEC控制参数KL、K1p和K2p(p＝1,2,3,4)选最优取值。
优选地，上述方法中，以控制参数KL、K1p和K2p(p＝1,2,3,4)为优化对象，以开关磁阻电机转速偏差Δn和磁链偏差Δψ为优化目标，构建多目标优化的满意度函数和适应度函数，采用果蝇算法对转速偏差Δn和磁链偏差Δψ进行优化，确定控制参数KL、K1p和K2p(p＝1,2,3,4)的最优取值。
本发明的开关磁阻电机驱动海洋绞车主动升沉补偿控制方法，和现有技术相比具有以下优点：
(1)本发明的开关磁阻电机驱动海洋绞车主动升沉补偿控制方法，提出采用开关磁阻电机应用于海洋绞车主动升沉补偿电传动系统，相对于目前最先进的交流变频电传动系统而言，将显著提高其运行效率，从而可有效提高其主动升沉补偿控制系统的控制性能与系统可靠性。
(2)本发明的开关磁阻电机驱动海洋绞车主动升沉补偿控制方法，提出采用GSSEC控制方法实现开关磁阻电机实际转速对其时变给定转速的准确跟踪，从而满足了海洋绞车主动升沉补偿的同步控制要求。该控制方法不依赖被控对象的精确数学模型，具有算法简单、转速跟踪控制精度高等特点。
附图说明
图1为本发明开关磁阻电机驱动海洋绞车主动升沉补偿控制方法流程图。
图2为本发明GSSEC控制原理框图。
图3为本发明GSSEC控制参数优化流程图。
图4为本发明果蝇优化算法流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
(a)实时检测海洋绞车升沉运动速度v，根据公式(1)得到海洋绞车主动升沉补偿对应的开关磁阻电机转速，并以该转速作为开关磁阻电机的给定转速nref；
Figure BDA0002582991900000041
式中：R为海洋绞车卷筒半径，k为卷筒与开关磁阻电机之间的传动比。
(b)检测开关磁阻电机的实际转速n，结合开关磁阻电机的给定转速nref，得到转速偏差Δn。
(c)对步骤(b)所得转速偏差Δn进行渐进稳态误差控制算法(GSSEC)处理，得到开关磁阻电机的给定转矩Te *；所述GSSEC处理为：
步骤c-1：设当前采样时刻的转速偏差为Δn(k)、上一采样时刻的转速偏差为Δn(k-1)，采用非线性误差算法，根据公式(2)得到当前采样时刻的控制输出u1(k)；
Figure BDA0002582991900000042
式中：KL、K1p和K2p(p＝1,2,3,4)为GSSEC控制参数，且K2p≥K1p>0，vs(k)是一个根据转速偏差Δn(k)对u1(k)进行调节的控制变量；
步骤c-2：采集上一采样时刻的给定转矩Te *(k-1)，根据公式(3)对当前采样时刻的控制输出u1(k)进行补偿，得到当前采样时刻的给定转矩Te *(k)，具体如下：
Te *(k)＝u1(k)+Te *(k-1) (3)
(d)构建多目标优化满意度函数，具体步骤为：
步骤d-1：分别建立所述优化目标Δn和Δψ的满意度函数，其中：
Δn的满意度函数公式如下：
Figure BDA0002582991900000043
Δψ的满意度函数公式如下：
Figure BDA0002582991900000044
式中：
Figure BDA0002582991900000051
和
Figure BDA0002582991900000052
分别为优化目标Δn和Δψ的临界值，c1和c2为满意度系数，且有
Figure BDA0002582991900000053
Figure BDA0002582991900000054
c1>0，c2>0；
步骤d-2：建立多目标优化满意度函数f，公式如下：
f＝k1fΔn+k2fΔψ (6)
式中：k1和k2分别为优化目标Δn和Δψ的权重系数，且k1+k2＝1。
(e)根据所述多目标优化满意度函数f构建果蝇算法的适应度函数，具体步骤如下：
步骤e-1：当任一所述优化目标的满意度小于相应的满意度阈值时，则配置一个相应的动态惩罚因子；
当满意度fΔn或fΔψ小于相应的满意度阈值MΔn或MΔψ时，则配置一个相应的动态惩罚因子bΔn或bΔψ；
其中，所述满意度阈值分别为：
Figure BDA0002582991900000055
所述动态惩罚因子分别为：
Figure BDA0002582991900000056
当满意度fΔn、fΔψ大于或等于其对应的满意度阈值MΔn、MΔψ，则视其动态惩罚因子为bΔn＝1、bΔψ＝1；
步骤e-2：配置所述动态惩罚因子后，建立多目标优化适应度函数fs(SK(i))，公式如下：
fs(SK(i))＝k1bΔnfΔn(SK(i))+k2bΔψfΔψ(SK(i)) (7)
式中：i表示果蝇个体编号，取值范围为1,2,...sizepop，sizepop为果蝇的种群规模，K表示所述优化对象KL、K1p和K2p(p＝1,2,3,4)，SK(i)表示所述优化对象K的第i个果蝇个体对应的味道浓度判定值；
步骤e-3：以味道浓度Smell表示多目标优化的适应度值，所述味道浓度Smell的范围为0～1，所述味道浓度Smell满足如下公式：
Smell(i)＝k1bΔnfΔn(SK(i))+k2bΔψfΔψ(SK(i)) (8)
(f)根据所述果蝇算法的适应度函数，对优化对象KL、K1p和K2p(p＝1,2,3,4)进行迭代寻优，获得一组最优优化对象，具体步骤如下：
步骤f-1：初始化参数，包括：种群规模N、最大迭代次数Maxgen、初始果蝇群体位置；
步骤f-2：配置优化对象KL和K2p的果蝇个体随机搜寻方向和距离，获得第i个果蝇个体位置；其中K2p的果蝇个体位置
Figure BDA0002582991900000061
根据初始化果蝇群体位置得到，如式(9)所示：
Figure BDA0002582991900000062
式中：
Figure BDA0002582991900000063
表示K2p的果蝇个体位置的横坐标，
Figure BDA0002582991900000064
表示K2p的果蝇个体位置的纵坐标，X′表示初始化果蝇群体位置的横坐标，Y′表示初始化果蝇群体位置的纵坐标，rand()为随机值；
步骤f-3：根据步骤f-2中所得优化对象K2p的果蝇个体位置，同时根据优化对象K1p和K2p所满足的条件：K2p≥K1p>0，设置优化对象K1p的果蝇个体位置；K1p的果蝇个体位置
Figure BDA0002582991900000065
如式(10)所示：
Figure BDA0002582991900000066
式中：
Figure BDA0002582991900000067
表示K1p的果蝇个体位置的横坐标，
Figure BDA0002582991900000068
表示K1p的果蝇个体位置的纵坐标，a为大于0的系数；
步骤f-4：获取所述优化对象K的第i个果蝇个体对应的味道浓度判定值SK(i)，如下所示：
Figure BDA0002582991900000069
式中：XK(i)表示所述优化对象K的果蝇个体位置的横坐标，YK(i)表示所述优化对象K的果蝇个体位置的纵坐标；
步骤f-5：根据味道浓度判定值SK(i)得到一组所述优化对象KL、K1p和K2p(p＝1,2,3,4)；根据优化对象获得相应的Δn和Δψ，其中味道浓度判定值和所述优化对象满足如下关系：
Figure BDA00025829919000000610
步骤f-6：根据公式(8)，获得第i个所述果蝇个体的味道浓度Smell(i)；
步骤f-7：判断第i个所述果蝇个体是否到达果蝇群体上限，若到达果蝇群体上限，则执行步骤f-8；否则执行步骤f-2；
步骤f-8：在果蝇群体中找出味浓度最高的果蝇个体作为最优个体，并保留最优果蝇个体的味道浓度和位置；
步骤f-9：判断是否到达最大迭代次数Maxgen，若达到，则输出最优果蝇个体味道浓度判定值，即优化对象KL、K1p和K2p(p＝1,2,3,4)的最优解；否则，迭代次数加1后，返回步骤f-2。
(g)检测开关磁阻电机的实际转矩Te，根据步骤(c)所得给定转矩Te *，得到转矩偏差ΔTe。
(h)检测开关磁阻电机的实际磁链ψ，同时根据其给定磁链ψ*，得到其磁链偏差Δψ；
(i)对步骤(g)和(h)得到的转矩偏差ΔTe和磁链偏差Δψ，进行直接转矩控制处理，得到开关磁阻电机对应功率变换电路中相应功率开关的控制信号，；
(j)根据步骤(i)中的控制信号，对功率变换电路中功率开关的通断状态进行控制，即可实现开关磁阻电机的实际转矩与其给定转矩基本保持一致，从而实现开关磁阻电机的实际转速对其时变给定转速的准确跟踪，达到海洋绞车主动升沉补偿控制的目的。
针对本发明提出的GSSEC控制方法，采用果蝇算法对其控制参数KL、K1p和K2p(p＝1,2,3,4)进行优化，得到一组最优控制参数，如表1所示。另外，为说明本发明提出的GSSEC控制方法的效果，将该方法与目前所采用的自校正Takagi-Sugeno-Kang模糊控制(ATSKFC)和基于超扭矩算法的二阶滑模控制(SOSMC)进行了对比分析，相关结果如表2所示；可见，本发明提出的GSSEC控制法相对于ATSKFC和SOSMC控制法，其转速控制精度更高。
表1采用果蝇算法得到GSSEC控制方法的一组最优控制参数
控制参数 K<sub>L</sub> K<sub>11</sub> K<sub>12</sub> K<sub>13</sub> K<sub>14</sub> K<sub>21</sub>
最优参数 6.59237 1.29439 2.43640 5.78634 4.01125 3.17456
控制参数 K<sub>22</sub> K<sub>23</sub> K<sub>24</sub>
最优参数 3.82270 10.09111 7.14887
表2GSSEC与ATSKFC、SOSMC控制的转速跟踪控制精度对比表
控制方法 转速相对误差(％)
GSSEC 0.52
ATSKFC 0.83
SOSMC 2.5
上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (4)

1.一种开关磁阻电机驱动海洋绞车主动升沉补偿控制方法，其特征在于，所述方法根据海洋绞车升沉运动速度和开关磁阻电机的实际转速，计算开关磁阻电机的转速偏差；所述转速偏差经渐进稳态误差控制算法处理得到给定转矩，结合开关磁阻电机的实际转矩，得到转矩偏差；根据开关磁阻电机的给定磁链，同时检测其实际磁链，得到磁链偏差；根据转矩偏差和磁链偏差，对功率变换电路发送控制信号，以控制功率变换电路中功率开关的通断；
具体包括以下方法：
(a)实时检测海洋绞车升沉运动速度，计算海洋绞车主动升沉补偿对应的开关磁阻电机转速，以该转速作为开关磁阻电机的给定转速；
(b)检测开关磁阻电机的实际转速，结合开关磁阻电机的给定转速，得到转速偏差；
(c)对步骤(b)所得转速偏差进行渐进稳态误差控制算法处理，得到开关磁阻电机的给定转矩；
(d)检测开关磁阻电机的实际转矩，根据步骤(c)所得给定转矩，得到转矩偏差；
(e)检测开关磁阻电机的实际磁链，同时根据其给定磁链，得到其磁链偏差；
(f)对步骤(d)和(e)得到的转矩偏差和磁链偏差，进行直接转矩控制处理，得到开关磁阻电机对应功率变换电路中功率开关的控制信号；
(g)根据步骤(f)所得的控制信号对功率变换电路中功率开关的通断状态进行控制；
所述步骤(c)中采用渐进稳态误差控制算法GSSEC得到开关磁阻电机的给定转矩，具体步骤为：
步骤c-1：设当前采样时刻的转速偏差为Δn(k)、上一采样时刻的转速偏差为Δn(k-1)，采用非线性误差算法，根据公式(2)得到当前采样时刻的控制输出u1(k)；
Figure FDA0003191829250000011
式中：KL、K1p和K2p，为GSSEC控制参数，其中p＝1,2,3,4，且K2p≥K1p＞0，vs(k)为根据转速偏差Δn(k)实现对u1(k)进行调节的控制变量；
步骤c-2：采集上一采样时刻的给定转矩Te *(k-1)，根据公式(3)对当前采样时刻的控制输出u1(k)进行补偿，得到当前采样时刻的给定转矩Te *(k)：
Te *(k)＝u1(k)+Te *(k-1) (3)。
2.根据权利要求1所述的开关磁阻电机驱动海洋绞车主动升沉补偿控制方法，其特征在于，所述步骤(a)中海洋绞车升沉运动速度根据公式(1)得到开关磁阻电机的给定转速：
Figure FDA0003191829250000021
式中：nref为开关磁阻电机的给定转速，v为海洋绞车升沉运动速度，R为海洋绞车卷筒半径，k为卷筒与开关磁阻电机之间的传动比。
3.根据权利要求1所述的开关磁阻电机驱动海洋绞车主动升沉补偿控制方法，其特征在于，所述步骤(c)的公式(2)中，GSSEC控制参数KL、K1p和K2p选最优取值，其中p＝1,2,3,4。
4.根据权利要求3所述的开关磁阻电机驱动海洋绞车主动升沉补偿控制方法，其特征在于，以控制参数KL、K1p和K2p为优化对象，其中p＝1,2,3,4，以开关磁阻电机转速偏差Δn和磁链偏差Δψ为优化目标，构建多目标优化的满意度函数和适应度函数，采用果蝇算法对转速偏差Δn和磁链偏差Δψ进行优化，确定控制参数KL、K1p和K2p的最优取值，其中p＝1,2,3,4。
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