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1、分类号U D CT M 3 4 66 2 1 3密级公珏编号! Q 2 垒坌S Q 墨Q 2 Q 婴江荨大擎硕士学位论文基于模糊控制理论的无轴承异步电机的运行控制研究S t u d yo nO p e r a t i o nC o n t r o lo fB e a r i n g l e s sI n d u c t i o nM o t o r sB a s e do nF u z z yC o n t r o lT h e o r y作者姓名五洛玉申请学位级别亟学科( 专业)电力鱼壬壁电力笾动论文提交日期2 Q ! ! 生旦论文答辩日期至Q ! ! 生鱼旦学位授予单位和日期江菱太堂2 Q
2、 ! ! 生鱼旦答辩委员会主席评阅人独创性声明I I II II II I II I II II I IIIl Y 18 9 4 5 8 3本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果，也不包含为获得江苏大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：百1 房飞7 口 1 年二月J 箩日学位论文版权使用授权书江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆
3、、中国学术期刊( 光磕版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致，允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。| 本学位论文属于不保密d 。学位论文作者签名：百渐古2o I1 年5 月1 5 日指导教师签名：矽易l f 年占月占江苏大学硕士学位论文摘要无轴承异步电机是集异步电机和磁轴
4、承功能特点于一体的新型磁悬浮电机。它在定子槽中同时叠绕了两套绕组，即转矩控制绕组和悬浮控制绕组。所以它既可以产生电磁转矩以拖动负载，又可以产生悬浮力来维持转子的稳定悬浮。无轴承异步电机缩短了轴向距离，提高了空间利用率，近些年来，正逐步被应用于高速数控机床电主轴，人工心脏泵等某些特殊领域。本文分析了无轴承异步电机的运行机理，以此为基础建立了该电机的非线性数学模型。建立了基于P I 调节器的无轴承异步电机S V M D T C 控制系统，给出S V M 具体算法，仿真并得出结果。引入模糊逻辑理论，重点研究了如何搭建模糊自适应控制器，以模糊自适应控制器取代原有的P I 调节器，通过仿真结果的对比验证
5、了改进后的方法在抑制脉动和降低超调上的优越性。以无轴承异步电机为对象，在分析其可逆的基础上，采用神经网络逆控制策略进行系统仿真。结合模糊理论，改进原有神经网络逆系统，重点分析了模糊神经网络的构建过程。并搭建基于模糊神经网络逆方法的无轴承异步电机控制系统。对比改进前后的仿真结果可以看出，改进后系统的响应速度6 1 1 艮 ，( 甜：，爿( “：) ，( 甜。，一( 甜。) )( 3 3 )A = ( 彳( ) ，彳( z f 2 ) ，A ( u 。) )( 3 4 )3 2 2 模糊关系和表示通常遇到的关系语句，既有概念上清晰的普通逻辑关系，又有一些表达模糊概念的关系语句。事实上，模糊关系是普
6、通关系的拓展，普通关系只是表示事物( 元素) 间是否存在关联，而模糊关系是描述事物( 元素) 间对于某一模糊概念上的关联程度。定义2 ：两个非空集合U 与V 之间的直积U x V = l uE U ，1 ，V )( 3 5 )中的一个模糊子集R 被称为U 到y 的模糊关系，又称二元模糊关系。其特性可以有下面的隶属度函数来描述：饰：U xV - - 【o ，1 】( 3 6 )江苏大学硕士学位论文隶属函数( 材，v ) 表示序偶( z ，v 的隶属程度，也描述了( “，) 之间具有关系RU ( 江l ，2 ，7 ) 的直积Ux U ：U 时，他们所对应的模糊关系R 则被称为，? 元模R = k
7、缘( x ，少) 触，y ) x x ，y 】，( 3 7 )R2 j 即虹。以P R ( x , ，而，矗) ( ，而，) teX3 8 )定义3 ：当x = 一l i = 1 ，2 ，叫 ，y = 只l i = 1 ，2 ，所) 是有限集合时，贝, OXxYR 曩；：! ：9 )上式中，元素勺= J R ( 一，Y ，) 。由此表示模糊关系的矩阵，被称为模糊矩阵( f u z z ym a t r i x ) 。由于你的取值区间为【o ，1 】，因此模糊矩阵元素r 的值也都在【o ，1 】区f n - I 。模糊矩阵本身表示一个模糊关系子集，因此根据模糊集的交、并、补3 2 3 模糊关系的
8、合成模糊关系和普通关系一样，任意两个模糊关系可以合成为一个新的模糊组合关系。定义4 ：设P 是UxV 上的模糊关系，Q 是V xW 上的模糊关系，则R 和S是U x W 上的模糊关系。它是P 。Q 的合成。其隶属函数被定义为：A t R ( u ，计A t e 。Q ( 甜，w ) 2 善( 作( 蹦，v ) A t e ( v ，w ) )( 3 1 0 )2 3江苏大学硕士学位论文若式中算子A 代表“取小一m i n ”，v 代表“取大一m a x ”这种合成关系就成为最大值一最小值合成( m a x m i nC o m p o s i t i o n ) 。模糊关系的合成可以是多种多样
9、的。上述的最大值一最小值合成运算得到了广泛的应用，但是很难对其进行数学分析。另外在模糊关系合成时也会有s u p r a i n合成、i n f - m a x 合成的等【2 5 】。此外，为了增强数学分析和实现能力，常用乘法代替最大值最小值合成中的取小运算，得到最大值一乘积( m a x p r o d u c tC o m p o s i t i o n ) 。其隶属函数表达为：P 。Q c J p 。D ( ”，w ) = v。( 甜，y ) 乒白( ，w ) 】(311)vmin3 3 模糊控制器以模糊系统构建的控制器就是模糊控制器。模糊控制器是具有特殊结构的非线性控制别2 3 J 【
10、2 4 J ，典型的模糊控制结构如图3 2 所示：图3 2 模糊控制系统示意图要实现一个模糊控制，其基本步骤是：( 1 ) 将输入量模糊化，从而能被模糊规则接受；( 2 ) 通过相应模糊规则的作用，由模糊推理决定模糊输出：( 3 ) 将模糊输出解模糊，把模糊量转化为精确量，从而控制被控对象。3 3 1 模糊化对于一个控制系统，我们所获得的系统输入信号的偏差量或是偏差的变化率通常都是精确量，不能被模糊控制器所接受。将输入值以适当的比例转换成论域的数值，利用口语化变量来描述测量物理量的过程，根据适合的语言值( 1 i n g u i s i t cv a l u e ) 求该值相对之隶属度，此口语
11、化变量我们称之为模糊子集合( f u z z ys u b s e t s ) 。为了便于工程实现，通常把变量范围人为的定义为离散的若干级，所2 4江苏大学硕士学位论文定义的级数多少取决于输入量的分辨率，即隶属函数。常用的隶属函数为三角隶属函数、单值隶属函数和高斯隶属函数。设二维空间中，一个清晰集合X 中的一个元素x 。X ，通过模糊化过程将X变成模糊集合A ，则三角函数隶属度表示为：砸) ：1 1 一峄堋一掣埔卜水纠，2 l0 ，其他其中届，屐均大于零。单值隶属函数表示为：么c x ，= 童粪麓，x = t 五，恐，xc 3 3 ，高斯隶属函数表示为：一X I - - X ；) 2一三王二蔓
12、) 2 彳( x ) = Pq宰P 口2( 3 1 4 )其中q ，口：均为正值，符号“宰，表示相乘或是最小值。模糊化的方法可以推广到N 维空间，即X = 墨X 2 扎( 3 1 5 )3 3 2 模糊推理模糊逻辑推理是一种近似推理，它从模糊“如果一那么”规则和己知事实中得出结论。定义5 ：设A ，A ，B ，分别是X ，Y ，Z 的模糊集合，模糊蕴含A 专B 且表示为X Y 上的模糊集合R ，则由“X 是A 和模糊规则“如果x 是A ，那么y 是B ”导出的模糊集合B 定义为：盹，( y ，) = m ，a 、x zm i ? j x ) ，体( x ，y ) 】( 3 1 6 ) = g
13、纵，( x ) t R ( x ，y ) 】一此时，只要给模糊蕴含彳专B 定义恰当的模糊关系，就可以采用模糊推理的步骤来求出结论。对于模糊组合的运算方法，常用的有以下两种：江苏大学硕士学位论文( 1 ) 模糊蕴含最小运算( M a m d a n i )R = A 专B = A B = I Y 。v 心( x ) 八B ( y ) ( x ，Y )J X x Y 。“4 ( 2 ) 模糊蕴含积运算( L a r s e n )R = A - - - B = A B = L 。Y 纵( x 讽( y ) ( x ，y )3 3 3 解模糊对于输出的模糊帚，必须通过解模糊化才能转化为我们需要的量。
14、( 3 1 7 )( 3 1 8 )( 1 ) 重心解模糊法( C e n t e ro fG r a v i t yD e f u z z i f i c a t i o n ) y = 僻 上式中，分母就是8 ( y ) 的面积，分式的值就足该而积的重心在坐标轴上的投影位置。当是离散型的模糊集合，式( 3 1 9 ) 就改为：膏 y ，B ( y )B ( y ) f - l( 2 ) 面积之和重心解模糊法( C e n t e ro f S u mD e f u z z i f i c a t i o n )( 3 2 0 )( 3 2 1 )+ = 气一( 3 2 1 )L 耳( y
15、) 方式( 3 2 1 ) 是在分母中把每一个耳( y ) 都计算出面积在求和，分子也是类似的，这样就把叠加在一起的部分算了两次。如模糊集合是离散的，那么式( 3 2 1 )将变成：只倒( 咒) Y = 等号一群( ”)( 3 2 2 )图3 3 是两者的推论演算示意图。可以看出采用面积法时重叠的部分计算了两次。2 6江苏大学硕士学位论文( a ) 重心法( b ) 面积法图3 3 推论演算示意图此外，在用于不规则图形的时候还可以利用“上山法”或是“下山法”( 即最大值或是最小值法) 来进行解模糊。3 4 基于双P I 调节器的无轴承异步电机的S V M D T C 控制策略3 4 1S V
16、M D T C 概述直接转矩控制有其无可替代的优越性，但是可供选择的电压矢量始终是八个基本的空间电压矢量，难以完全补偿转矩和磁链的误差，使得电机的电磁转矩脉动和磁链脉动都很大。这在很大程度上制约着电机精确控制的实现。H a b e t J e r l 4 9 l于1 9 9 1 年首次将空间矢量调制( S V M ) 的概念用于异步电机直接转矩控制中。利用数量细分，得到更多的连续的空间电压矢量，从而能够实现精准控制，有效地减小转矩和磁链的脉动，同时使得逆变器的开关频率恒定。2 0 0 1 年L T a n g 、L Z h o n g 、M E R a h m a n 和Y W H u 等人从同步电机转矩角控制转矩这一本质提出了基于转矩
