电气传动系统的智能控制_陈伯时

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1、电气传动 1叨7 年第1期 电气传动 系挽 的智憾枚制 上 海大学 陈伯时冯晓刚 王晓东 夏承光 摘要 : 电气传动系统的智能控制是目前的个研究热点 . 本文系统地阐述r这 一 研究方向所属的基本间题 。 首先 指明在电气传动系统中采用智能控制的意义和方法 . 进而具体介绍了模糊控制与神经元控 制这两种最常见的智能控 制方法应用于电气传动 系统的特点 , 并提供了相应的实验结果 。 在此基础上进 一 步探讨 了智能挖制电气传动系沈幻 有关理论问题 : 系统的稳定性和鲁棒性 。 叙词 : 电气传动科能控制模糊控制神经 元控制稳定性鲁棒性 IntelligentCo ntrolofE le etr

2、icD riv e System s C he n B O shi F en gX ia ogan g W a ng Xi ao d o n g XiaCh engguan g Abstract : In tel li只er lre o nrroli、gettinga lo tofattention, in lhea re aofele etrie d rive、yste m s. T hi s pape rm akesa syste m atic ,ru dy 011tll一 5 re、。reh,u bje c t . A r fir s 卜 一t i s e xpIainedw hy an

3、d howin telligenreo ntrole an bein tro du eed in - ro d rive syste m 、. The nfu z zy oonlro l le r an d , ingle n euroneo n一roller indriv esy、tem , a r epr es ented respe etiv e ly as w el l a、theirexperime nr: .1re、ull、 . Fu rrhe r , nonlin e a ra n aly、15 m ethod,arepropos edto 、ru dythe ,tability

4、andr obustnes sof intel lige nt controllcd drivc 、y、te m 、. 一 、 智能控制的兴起 智能控制是自动控制学科发展里 程中一个崭新的阶段 。 目前 , 智能控制的研究与应用已深入 到众多 的领域 ; 同样 . 它的发展也给电气传动系统的控制策略带来了新思想 、 新方法 。 与其它学科一样 , 智能控制是由于科学技术发展的需要 , 从解决重大工程和技术问题的实践中产生 和 发展起来的 。 随着自动化程度的提高和普及 , 受控对象日趋复杂 , 对于许多难以获得数学模型或模型 复杂的过 程 , 应 用经典和现代控制理论往 往不能取得令人满意的控

5、制效果 , 甚 至完全 无能为力 ; 可是在 手动控制中 , 熟练的操作人员却可以驾驭自如 。 由此 , 人们很自然地产生了在自动控制技术中借鉴熟练 人员经验的想法 。 计算机控制技术的发展为实现这一愿望提供了可能 , 计算机在逻辑推理 、 判断 、 识别 、 决策 、 学习等方面的功能可以承担按照熟练操作人员和专家的经验与方法进行控制的工作 。 另一方面 , 许多探索如何实现人脑 思维功能的学术领域 , 如人工智能 、 专家系统 、 神经网络 、 模糊逻辑等的研究取得 了可喜的进展 , 这些 研究成果从不 同的角度提出了各种仿照人的知识 、 思维进行控制的方法 , 如专家控 制器 、 神经元

6、控制 、 模糊控制等等 , 它们统称为智能控制 。 与传统的经典 、 现代控制方法相比 , 智能控制具有一 系列的特点 。 首先 , 智能控制突破了传统控制理 论中必 须基 于数学模型的框架 , 它按实 际效果进行控制 , 不依赖于或不完全依赖于控制对象 的数学模 型 。 其次 , 继 承 了人脑 思维的非线性 , 智能控制器也往往具有非线性特性 ; 同时 , 它还可以利用计算机控 制的便利 , 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 。 此外 , 某些智能控制方法 还具有在线辨识 、 决策或总体 自寻优的能力 。 在复杂的系统中 , 智能控制还具有分层信息处理和决策的

7、 功能 。 智能控制方法的这些独到之 处 , 使它以一个崭新的面貌区别于各种传统的控制方法与理论 。 因此 , 许多人认为 , 智能控制将是继经典控制和现代控制之后的第三代自动控制技术 。 二 、 智能控制在电气传动系统 中的应用 目前 , 电气传动系统智能控制策略的研究引起了广 泛的兴趣 , 不少人希望它能使电气传动系统的控 制性能 、 自动化水平跃上一个新的台阶 。 但也有一些专家怀疑 , 电气传动系统是否适于采用智能控制 。 他 国家 自然科学 基金资助项目 电气传动 19 97 年第1期 们指出 , 智能控制的初衷是为了对付那些难以建模的复杂对象 , 而电气传动系统相对而言具有比较明确

8、 的数学模型 , 引入智能控制是否 画蛇添足?在这种情况下 , 搞清智能控制对于电气传动系统的意义和作 用 , 具有十分重要的 现 实意义 。 目前的交 、 直流传动系统已经拥有较 为成熟的控制方案 , 如直流双闭环 系统 、 交流电机的矢量控制 系统等 。 交 、 直流电气传动系统经过内环改造后(电流环 、 矢量变换) , 其转速环的结构是一样的 , 可以建 立统一的数学模型 , 而且并不复杂 , 采 用P I D 控制已经 能够取得基本满意 的 效果 。 但另一方面也应看 到 , 实际的传动 系统并不如模型那样一成不变 , 电机本身的参数(如交流机的转子 电阻)和拖动负载的参 数 如转动惯

9、 量)在 某些 应用场 合 会随工况 而变化 ; 同时 , 交流电机本质上是一个非线性的被控对象 , 许 多拖动负载含有弹性或间隙等非线性因素 。 控制对象的参数变化与非线性特性 , 使得线桂的常参数的 P I D 调节器常常顾此 失彼 , 不能使系统在各种工况 下都保持设计时的性能指标 , 也就是说系统的鲁棒性 不能尽 如 人意 。 智能控制可以充分利用其非线性 、 变结构 、 自寻优等各种功能来克服电气传动系统这些 变参数与非线性因素 , 从而提高系统的鲁棒性 。 总之 , 在电气传动系统中引入智能控制方法 , 并非象许多 控制对象那样是 出于建模的困难 , 而是希望 用这些新的方法来克服

10、电气传动对象的变参数 、 非线性等不 利因素 , 以提高系统的鲁棒性为目的 。 另一方面 , 如 果 在电气传动系统中尝试智能控制策略时 , 完全丢弃已为实践所接受的传统控制方 案 , 生搬硬套在其它 领域应用的智能控制方法 , 非但不能切中要害 , 反而把新方法的缺点也带了进来 , 极 有可能得不偿失 , 最终导致智能控制方 法在实际 应用中被拒之门外 。 因此 , 在电气传动系统中引入智能 控制方法时 , 注 意取长 补短 、扬 长避短 , 正确处理智能控制对传统控制继 承与发展的关系是非常重要的 。 前已指 出 , 交流电机 采用 矢 量控制与电流闭 环 改造 后 , 其速度环的结构和直

11、流电机是统一的 。 因此 , 典型的 交 、 直 流 统 一的智能控制传动 系统 (调 速 系统)可以如 图l所示 。 在 多环控制结构中 , 胃 能控制器 处于 最外环 , 而内环可以仍保留 矢量 控制 、 P l 调节器这些传统方 法 。 这主要是因为外 丝去黔一月 智能控制器 巨 经内环改造的 电气传动 系统 图 l 交 、 直流统一 的智能控制传动系统 环 是决定 系统性能的 根本 因素 , 而内环 主要起改造对象特性以利于外环控制的作用 ; 各种扰动给内环带 来的误嚎可以由外环控制加以弥补或抑制 。 另一方面 , 外环采样频率比内环要低 , 更有利于智能控制方 么的实于见 具体的智能

12、控制方法种类很多 , 它们各具特色 , 下面分别介绍两种最常见的方法 : 模糊控制和神经 元 拄 制 。 三 、 模糊控制的 电气传动系统 模糊控制是一种典型的智 能控制方法 , 它 利用模糊集合来刻 画人们日常所使用的概念 中的模糊性 , 从而使控制器 能更返真地模仿熟练操作人员和专家的控制经验与方法 。 从控制器的内部来看 , 模糊控制 器是一种 语 言 型控制器 , 它把物理 量的大小用符号语言来表 示 , 如 N B(负大) 、N S (负小) 、 PB(正大) 、 PM、正中) 、 20 (零)等等 , 用模糊逻辑实现输入与输出符号间的推理 。 与此相应 , 各种传统控制方法 , 如

13、 I I D 调节器 . 都是数量型控制器 , 它们的运行方式是对数字量进行数值计算 。 一 个连续控制系统的物理量 一般都是数量型的 , 因此当采用模糊控制时 , 应首先把它转换成模糊语 言 , 而在模糊推理 之 后 , 再变回数量 ; 所以模糊控制器应包括三个部分 : 模糊化 、 模糊推理和清晰化 。 模糊 推理是控制 器的核 心 , 由一组i f . t h e n . 所表达的控制规则组成 , 这组规则集中体现了熟练操作人 员和专家的控制经验 。 常将这些控制规 则整理成 “控 制规则表 ”如 图 2 , 其中左是误差 尸 的模糊量 , 亡是 d , 一 一 _ _ , 二_ .,二

14、_ 二 _ _ 沂阴模糊望 , 闭仃 是径利器输出 u 的模糊 量 。 为 了减少推理过 程 的实时运算量 , 常将模糊控制器输入输出量离散化 , 并离线对所有可能的输入都 计算好 相 应的输出值 , 制成控制查询表 , 而模糊控制的在线运行则退化为对该表的查表控制 。 电气传动 1 99 7年 第1期 尽管模糊控制器的内部比较复杂 , 但从其外部 I/0 特性来看 , 却具有大家所熟悉的简单形式 。 输入 量只有被调量误差本身的模糊控制器称作一维模糊 控制器 , 相应于 图 2 规则表中对 应于 亡一2 0的一 列 , 它的1 /0特性 u 一f(。)为典型的多值继电器模 型 , 如图 3

15、。 因此 , 从控制的角度来看 , 一维模糊控制 器相当 于变系数的P调节器 。 整个图2的模糊控制 规则表是一个二维模糊控制器 , 它根据误差 及其一 阶导数的大小选取不同的控制量 , 因此 , 它的I/0 特性 “ f( e , e )与变系数的PD调节器相当 。 、只 几几 NBNS20PSPB B B N N NB B BNBN B NS NS20 0 0 N N NS S SNBNSNS20PS S S Z Z ZO O ONSNS20PSPS S S P P PS S SNS20PSPSI )B B B P P PB B B2 0PSPSPBPB B B 图2 模糊控制规则表 模糊

16、控制器的多值继电器 I/0 特性源于控制器输入输出量的离散 化 , 并非模糊逻辑的本质属性所致 。 这种不平滑的1 / 0 特性会使传动系 统在稳态时出现 “震 颤 ”现象 。 为了克服这一缺陷 , 许多人从不同的角度提 出 了 “论 域缩小法 ”、“ 多层模糊控制器 ”等改进方法, 这些方法的本质都是 使模糊控制器的1 / 0 特性趋于平滑 , 从而改善系统稳态特性 。 此外 , 由于一般的模糊控制器没有积分作用 , 所以在传动系统有负载 扰动时会出现静差 。 增加了积分效应的模糊控制器相当于变系数的 P I D 调节器 , 可以实现无静差控制 。 总之 , 模糊控制本质上是一种非线性控制 , 它可以比线性的 P I调节 图3一维模糊控制器的1 /0特性 器显著地提高系统的鲁棒性 , 并更有效 地克服传动系统中各种非线性因素 , 下 面的实验结果显 示了模糊 控制系统对 转动惯量变化的稳定鲁棒性 , 此实验是 在一微机控制的交流调速系统(如图 4 ) 上进行的 。 该系统中的速度控制器可用 软件实现为P I调节器 、 模糊控制