基于免疫算法的導軌電車轉差頻率控制策略研究

中車永濟電機有限公司 牛劍博 詹哲軍 李 巖 張瑞峰 李 東

由于現代工業的飛速發展，導致環境污染嚴重，為了提倡環保意識，采用電能代替不可再生能源，成為當前控制領域的發展方向。

導軌電車系統為膠輪行走，單軌導向，電力引擎，具有省功、節能等特點，是當今世界最新型的城市公共交通系統之一。2006年12月6日，由法國勞爾公司開發的集公共汽車和輕量軌道交通優勢于一體的現代導軌電車，在天津濱海新區開通。2009年12月31日，上海張江導軌電車正式投入運營。為了與國際軌道交通技術接軌，中車永濟承接了國產化導軌電車電傳動系統的研發工作。為了快速響應項目進度的需求，本車牽引控制采用了基于免疫算法的感應電機轉差頻率控制策略，免疫算法是一種非線性優化控制[1-2]，有很強的自學習能力和自適應性。本文將免疫算法引入到轉差頻率控制當中，實驗結果驗證了所采取的控制策略的有效性。

1.感應電機轉差頻率控制工作原理[3-5]

感應電機的轉速調節歸根到底為對電磁轉矩的調節，恒磁通控制方式下的轉矩公式為：

其中，Lr、Rr為轉子電阻和轉子電感，np為感應電機極對數，ω1為磁場同步旋轉角速度ω1=2πf1，f1為同步頻率，s為轉差率。

將E1=4.44f1·Ns·kNs·ψm代入式(1)可得：

令ωs=sω1，C=1.5np(Ns·kNs·ψm)2，代入式(2)可得：

當系統穩定運行時，轉差率s會很小，從而ωs很小，Rr＞＞ωsLr，化簡可得：

在恒磁通情況下，通過控制轉差頻率ωs就可以控制電磁轉矩Te了。

令式(3)對轉差頻率求導等于零，便可以得到最大啟動轉矩對應的轉差頻率ωsmax，即：

當ωs滿足此條件時，電機具有最大啟動轉矩。為了能夠在全局范圍內有更佳的動態性能，本文將免疫算法引入到轉差控制中，利用免疫算法的自適應性對轉差頻率進行優化。

2.采用免疫算法的轉差頻率控制方法

2.1 免疫機理[2]

生物免疫系統是生物體當中最復雜、功能最獨特的系統之一，是一種在大量干擾和不確定性環境中都具有很強魯棒性和自適應的分布式自治系統。當機體被抗原入侵時，機體內的Th細胞分泌加速，促使B細胞分泌抗體，從而抑制了Tc細胞的產生，隨著抗原的減少，體內的Tc細胞增多，相應地抑制了Th細胞產生。

2.2 轉差頻率控制中免疫算法的實現

根據免疫應答機理，引入免疫控制算法，假設第k代的抗原數量為e(k)，由抗原刺激而產生的Th細胞的濃度為Th(k)，抑制性Tc細胞濃度為Tc(k)，則B細胞所接受到的刺激u(k)為：

將ξ(k)設為控制器的輸出，則有如下反饋控制律：

其中：

g(Du(k))為一選定的非線性函數，與抗原數量的變化有關，K為增益等于k1，控制反應速度，μ=k2/k1控制穩定效果，起抑制作用。根據免疫應答過程中抗原濃度變化對抗體作用的規律，取：

無論b取何值，對于非線性函數g(Du)都存在0＜ g(Du)＜1，b的取值決定了g(Du)的輸入/輸出關系以及g(Du)曲線的形狀，b越大g(Du)曲線越平滑。

將免疫算法引入到轉差頻率控制中，對其性能進行優化，實現參數在線調整。

輸出值，ω*為輸入轉速值，ωr為反饋轉速，代入式(13)可得：

由上式可知，通過調整kp的值來調節系統的動態性能。

3.實驗驗證

為了驗證提出的采用免疫算法的感應電機轉差頻率控制策略的可行性，在實驗臺位上進行了實驗驗證，表1給出了對應電機的參數列表。

表1 感應電機參數

圖1給出了全程范圍內采用免疫算法的感應電機轉差頻率控制系統的電流波形。圖中CH1通道(藍顏色)為直流母線電壓，通過波形觀測母線電壓無波形現象；CH4通道(紅色)為定子電流波形，通過波形觀測電機出力穩定，正弦度良好。驗證了采用免疫算法的感應電機轉差頻率控制系統的穩定性與正確性。

圖1 采用免疫算法的感應電機轉差頻率控制波形

4.結論

本文將免疫算法引入到感應電機的轉差頻率控制中，通過免疫算法實時調整轉差頻率的給定值，提高了系統的動態性能。實驗結果表明采用免疫算法的感應電機轉差頻率控制比傳統轉差頻率控制效果更好，而且結構簡單，易于實現。

[1]袁桂麗,劉吉臻,牛玉廣.免疫內模控制及其在過熱氣溫系統的應用[J].電力自動化設備,2010,30(9):89-92.

[2]尹忠剛,牛劍博,鐘彥儒.采用免疫算法的感應電機內模控制策略[J].中國電機工程學報,2013,33(24):97-105.

[3]石停停,葉燁,冒建亮.電動車輛轉速閉環轉差頻率調速控制系統的實現[J].電氣傳動,2015,45(10):3-6.

[4]王成元,夏加寬,孫宜標.現代電機控制技術[M].北京:機械工業出版社,2010.

[5]陳中,胡國文.轉差頻率控制的轉速閉環調速系統的改進方法[J].合肥工業大學學報,2012,35(5):609-612.