碩士論文答辯講解課件

指導(dǎo)老師：教授答辯人：時間：2012年4月26日多電機(jī)同步協(xié)調(diào)控制策略

及應(yīng)用研究指導(dǎo)老師：教授多電機(jī)同步協(xié)調(diào)控制策略

及應(yīng)用研究1課題背景和意義背景：意義螺旋熒光燈管彎管機(jī)系統(tǒng)（涉及四臺交流伺服電機(jī)同步協(xié)調(diào)運(yùn)動）提高產(chǎn)品質(zhì)量、成品率、生產(chǎn)效率提高多電機(jī)傳動系統(tǒng)的跟蹤性、同步性、抗擾性1、滿足彎管機(jī)系統(tǒng)可靠性和控制精度的要求2、3、課題背景和意義背景：意義螺旋熒光燈管彎管機(jī)系統(tǒng)提高產(chǎn)品質(zhì)量、2免疫單神經(jīng)元PID控制的有效性論文主要內(nèi)容研究對象：控制算法：控制結(jié)構(gòu)：仿真模型建立單個PMSM交流伺服系統(tǒng)四電機(jī)同步運(yùn)動控制系統(tǒng)仿真結(jié)果分析偏差耦合控制的可行性四臺永磁同步電動機(jī)同步運(yùn)動系統(tǒng)偏差耦合控制策略免疫單神經(jīng)元PID控制免疫單神經(jīng)元PID控制的有效性論文主要內(nèi)容研究對象：控制算法3PMSM數(shù)學(xué)模型永磁同步電動機(jī)物理模型dq坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)矩方程結(jié)論：轉(zhuǎn)子磁鏈恒定不變,PMSM電磁轉(zhuǎn)矩基本取決于定子直軸和交軸電流分量,即控制電流id和iq,就可以實(shí)現(xiàn)對電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的控制。PMSM數(shù)學(xué)模型永磁同步電動機(jī)物理模型dq坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)矩方程直接轉(zhuǎn)矩控制和矢量控制性能比較性能與特點(diǎn)直接轉(zhuǎn)矩控制矢量控制磁鏈控制定子磁鏈轉(zhuǎn)子磁鏈轉(zhuǎn)矩控制砰-砰控制，有轉(zhuǎn)矩脈動連續(xù)控制，比較平滑坐標(biāo)變換靜止坐標(biāo)變換，較簡單旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，較復(fù)雜轉(zhuǎn)子參數(shù)變化影響無有調(diào)速范圍不夠?qū)挶容^寬直接轉(zhuǎn)矩控制和矢量控制性能比較性能與特點(diǎn)直接轉(zhuǎn)矩控制矢量5基于id=0矢量控制的永磁同步電動機(jī)伺服系統(tǒng)

基于id=0矢量控制的永磁同步電動機(jī)伺服系統(tǒng)6有監(jiān)督的Hebb學(xué)習(xí)規(guī)則單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法輸入值為設(shè)定值、輸出

，三個狀態(tài)量、、有監(jiān)督的Hebb學(xué)習(xí)規(guī)則單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法輸入值為規(guī)范化后改進(jìn)的有監(jiān)督的Hebb學(xué)習(xí)規(guī)則的單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法

（將其中的改為

），規(guī)范化后改進(jìn)的有監(jiān)督的Hebb學(xué)習(xí)規(guī)則的單神經(jīng)元自適應(yīng)PID8單神經(jīng)元增益K的調(diào)節(jié)K值越大系統(tǒng)響應(yīng)速度越快，超調(diào)量大，甚至?xí)瓜到y(tǒng)不穩(wěn)定K值偏小系統(tǒng)響應(yīng)較慢,若取得過小，響應(yīng)跟蹤不上給定信號如何實(shí)現(xiàn)增益K的自動調(diào)整T細(xì)胞免疫調(diào)節(jié)機(jī)理與單神經(jīng)元PID控制相結(jié)合，形成一種自動調(diào)節(jié)增益的免疫單神經(jīng)元PID（ISNPID）控制算法。單神經(jīng)元增益K的調(diào)節(jié)K值越大系統(tǒng)響應(yīng)速度越快，超調(diào)量大，甚至9免疫調(diào)節(jié)機(jī)理

免疫反饋機(jī)理示意圖

抗原APC(抗原呈遞細(xì)胞)消化信息傳遞給T細(xì)胞活化TH細(xì)胞，并釋放淋巴因子活化B細(xì)胞緩慢活化TS細(xì)胞抑制TH細(xì)胞和B細(xì)胞產(chǎn)生抗體免疫調(diào)節(jié)機(jī)理免疫反饋機(jī)理示意圖抗原APC(抗原呈遞細(xì)胞)免疫系統(tǒng)

控制系統(tǒng)

（抗原、抗體等）繁殖的第K代離散系統(tǒng)第K個采樣時間第K代抗原量濃度第K個采樣時刻給定值與輸出值的偏差e(k)第K代細(xì)胞量濃度B(k)第K個采樣時刻控制器輸出u(k)免疫系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的比較免疫系統(tǒng)控制系統(tǒng)（抗原、抗體等）繁殖的第K代離散系統(tǒng)第T細(xì)胞免疫調(diào)節(jié)函數(shù)——比例系數(shù)，控制免疫調(diào)節(jié)反應(yīng)速度；——控制穩(wěn)定效果；——影響免疫調(diào)節(jié)曲線的坡度。單神經(jīng)元增益K的調(diào)整

T細(xì)胞免疫反饋機(jī)理類似響應(yīng)初期偏差值較大時，應(yīng)增加控制取較大K值；接近穩(wěn)態(tài)時，偏差較小，應(yīng)減小K值

響應(yīng)初期，釋放淋巴因子激活免疫反應(yīng)；當(dāng)抗體增加時,Ts細(xì)胞抑制免疫反應(yīng)根據(jù)文獻(xiàn)選擇免疫調(diào)節(jié)函數(shù)：T細(xì)胞免疫調(diào)節(jié)函數(shù)——比例系數(shù)，控制免疫調(diào)節(jié)反應(yīng)速度；單神經(jīng)應(yīng)用較普遍的模型：1、主令參考控制2、主從控制3、電子虛擬主軸4、交叉耦合5、偏差耦合6、相鄰交叉耦合

多電機(jī)同步控制結(jié)構(gòu)應(yīng)用較普遍的模型：多電機(jī)同步控制結(jié)構(gòu)131、主令參考控制（并聯(lián)式結(jié)構(gòu)）優(yōu)點(diǎn)1、結(jié)構(gòu)簡單2、易于實(shí)現(xiàn)3、啟動、停止階段系統(tǒng)的同步性能也很好4、容易擴(kuò)展到多電機(jī)同步控制中

整個系統(tǒng)缺少單元間的反饋，相當(dāng)于開環(huán)控制，系統(tǒng)的同步性能很難保證適用范圍：受擾較輕、各單元參數(shù)或跟隨性能相同的系統(tǒng)不足：1、主令參考控制（并聯(lián)式結(jié)構(gòu)）優(yōu)點(diǎn)1、結(jié)構(gòu)簡單整個系統(tǒng)缺少單2、主從控制

（串聯(lián)式結(jié)構(gòu)）優(yōu)點(diǎn)1、具有主令參考式大功率優(yōu)點(diǎn)2、分區(qū)單元間距離不受限制3、增加了一個回饋環(huán)節(jié)，同步效果更好當(dāng)啟動、停止和負(fù)載擾動時，就會產(chǎn)生較大的同步誤差適用范圍：不足：對位置或速度的同步要求不是很高的場合2、主從控制（串聯(lián)式結(jié)構(gòu)）優(yōu)點(diǎn)1、具有主令參考式大功率優(yōu)點(diǎn)3、電子虛擬主軸控制優(yōu)點(diǎn)1、繼承了傳統(tǒng)的主令參考式、主從式的優(yōu)勢2、改善了系統(tǒng)起動、穩(wěn)態(tài)、抗負(fù)載擾動等方面的性能缺少位置控制，在啟動、負(fù)載擾動、停機(jī)過程中，各軸間會產(chǎn)生恒定的相對位置差不足：3、電子虛擬主軸控制優(yōu)點(diǎn)1、繼承了傳統(tǒng)的主令參考式、主從式的4、交叉耦合控制

適用范圍：優(yōu)點(diǎn)：較好的實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動軸之間的協(xié)作，使得整個系統(tǒng)的動態(tài)同步性能大大改善不足：保持同步時相對增益會增大很多，同時也會帶來噪聲放大，引起轉(zhuǎn)矩脈動的問題適用于同步要求較高的雙電機(jī)系統(tǒng)

4、交叉耦合控制適用范圍：優(yōu)點(diǎn)：較好的實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動軸之間的協(xié)5、偏差耦合控制

優(yōu)點(diǎn)：具有良好的動態(tài)同步性能，實(shí)現(xiàn)滿意的同步控制效果不足：系統(tǒng)中電機(jī)更多時，“速度補(bǔ)償器”模塊計算量變大，模塊布置更加復(fù)雜適用范圍：可擴(kuò)展到多電機(jī)系統(tǒng)的同步控制中5、偏差耦合控制優(yōu)點(diǎn)：具有良好的動態(tài)同步性能，實(shí)現(xiàn)滿意的同6、相鄰交叉耦合控制

（C1、C3同步誤差控制器，C2跟蹤誤差控制器）優(yōu)點(diǎn)：任一臺控制電機(jī)只考慮其相鄰兩臺電機(jī)的狀態(tài)，比偏差耦合的運(yùn)算量小不足：多用于三臺電機(jī)同步系統(tǒng)適用范圍：控制器的數(shù)目較多6、相鄰交叉耦合控制（C1、C3同步誤差控制器，C2跟蹤誤四電機(jī)偏差耦合控制結(jié)構(gòu)（速度補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)）i=1,2,3,4;r=1,2,3.速度補(bǔ)償器增益：Kir=Jr/Ji,四電機(jī)偏差耦合控制結(jié)構(gòu)（速度補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)）i=1,2,3,4;偏差耦合控制特點(diǎn)電機(jī)1電機(jī)2電機(jī)3電機(jī)4控制器速度補(bǔ)償器2速度補(bǔ)償器1速度補(bǔ)償器3速度補(bǔ)償器4速度1速度2速度3速度4控制器控制器控制器偏差耦合控制特點(diǎn)電機(jī)1電機(jī)2電機(jī)3電機(jī)4控制器速度補(bǔ)償器2速21單個PMSM矢量控制系統(tǒng)仿真模型

單個PMSM矢量控制系統(tǒng)仿真模型

仿真參數(shù)設(shè)置仿真情況1、空載啟動2、參考轉(zhuǎn)速為1000r/min3、t=0.04時加上Tm=3N.m的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Simulink仿真器參數(shù)1、仿真時間設(shè)為0.06s2、仿真步長為“Variable-step”3、仿真器解法選ode45常規(guī)PI控制器參數(shù)速度環(huán)的PI控制器參數(shù)設(shè)為Kp=0.5,Ki=2電流環(huán)的兩個PI控制器參數(shù)相同，設(shè)為Kp=200，Ki=401、2、仿真參數(shù)設(shè)置仿真情況1、空載啟動2、參考轉(zhuǎn)速為100轉(zhuǎn)速波形三相電流波形轉(zhuǎn)矩波形id、iq電流波形單個PMSM仿真結(jié)果轉(zhuǎn)速波形三相電流波形轉(zhuǎn)矩波形id、iq電流波形單個PMSM仿24多電機(jī)同步控制系統(tǒng)仿真模型多電機(jī)同步控制系統(tǒng)仿真模型相鄰交叉耦合和偏差耦合控制同步誤差比較電機(jī)1和電機(jī)2電機(jī)2和電機(jī)3電機(jī)3和電機(jī)4電機(jī)4和電機(jī)1電機(jī)1和電機(jī)3電機(jī)2和電機(jī)4相鄰交叉耦合和偏差耦合控制同步誤差比較電機(jī)1和電機(jī)2電機(jī)2和26相鄰交叉耦合與偏差耦合同步控制

性能比較

比較超調(diào)量調(diào)節(jié)時間動態(tài)降落恢復(fù)時間同步誤差相鄰交叉耦合控制13%12.5ms0.42%0.5ms2r/min偏差耦合控制13%11.4ms0.44%0.5ms1r/min相鄰交叉耦合與偏差耦合同步控制

性能比較比超調(diào)調(diào)節(jié)動態(tài)恢復(fù)27結(jié)論相鄰交叉耦合偏差耦合對比得1、偏差耦合控制的調(diào)節(jié)時間更短，同步誤差更小，不足之處在于“速度補(bǔ)償器模塊”計算量較大2、二者超調(diào)量、調(diào)節(jié)時間及同步誤差都較大，需要對控制器采用更先進(jìn)的控制算法來改善同步系統(tǒng)性能結(jié)論相鄰交叉耦合偏差耦合對比得1、偏差耦合控制的調(diào)節(jié)時間28單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器建模

輸入量誤差前一時刻值e(k-1)誤差當(dāng)前時刻值e(k)誤差前第二時刻值e(k-2)輸出量前一時刻控制率u(k-1):控制率u(k)單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器建模輸入量誤差前一時刻值e(k-29四臺電機(jī)速度環(huán)采用NSPID控制替換原先的常規(guī)PI控制器四臺電機(jī)速度環(huán)采用NSPID控制替換原先的常規(guī)PI控制器常規(guī)PI與單神經(jīng)元PI控制跟蹤誤差比較電機(jī)1跟蹤誤差電機(jī)2跟蹤誤差電機(jī)3跟蹤誤差電機(jī)4跟蹤誤差常規(guī)PI與單神經(jīng)元PI控制跟蹤誤差比較電機(jī)1跟蹤誤差電機(jī)2跟31常規(guī)PI控制和單神經(jīng)元PI控制跟蹤性能比較

比較超調(diào)量調(diào)節(jié)時間穩(wěn)態(tài)誤差動態(tài)降落振蕩程度常規(guī)PI控制13%11.4ms5r/min0.44%較大單神經(jīng)元PI控制09.5ms00.7%較小常規(guī)PI控制和單神經(jīng)元PI控制跟蹤性能比較比超調(diào)量調(diào)節(jié)穩(wěn)32常規(guī)PI控制與單神經(jīng)元PI控制同步誤差比較電機(jī)1與電機(jī)2電機(jī)2與電機(jī)3電機(jī)3與電機(jī)4電機(jī)4與電機(jī)1電機(jī)1與電機(jī)3電機(jī)2與電機(jī)4常規(guī)PI控制與單神經(jīng)元PI控制同步誤差比較電機(jī)1與電機(jī)2電機(jī)33四臺電機(jī)速度環(huán)采用INSPID控制替換原先的單神經(jīng)元PI控制器四臺電機(jī)速度環(huán)采用INSPID控制替換原先的單神經(jīng)元PI控制單神經(jīng)元PI控制與免疫單神經(jīng)元PI控制跟蹤誤差比較

電機(jī)1跟蹤誤差電機(jī)2跟蹤誤差電機(jī)3跟蹤誤差電機(jī)4跟蹤誤差單神經(jīng)元PI控制與免疫單神經(jīng)元PI控制跟蹤誤差比較電機(jī)1跟35單神經(jīng)元PI控制與免疫單神經(jīng)元PI控制跟蹤性能比較

比較超調(diào)量調(diào)節(jié)時間動態(tài)降落恢復(fù)時間振蕩程度SNPID控制09.5ms0.7%9.5ms較大ISNPID控制08.6ms0.7%9.6ms較小單神經(jīng)元PI控制與免疫單神經(jīng)元PI控制跟蹤性能比較比超調(diào)調(diào)36常規(guī)PI控制器單神經(jīng)元PI控制器結(jié)論免疫單神經(jīng)元PI控制器改進(jìn)為改進(jìn)為優(yōu)勢優(yōu)勢超調(diào)量下降13%調(diào)節(jié)時間減小2ms穩(wěn)態(tài)誤差減少5r/min振蕩程度大大減弱超調(diào)量保持0%