仿人智能控制算法在控制系統中的應用

張秋穎，龍 松，張文鋼

（武昌首義學院，武漢 430064）

0 引言

隨著永磁材料性能的不斷提升和成本的降低，采用永磁材料的各類電機，特別是永磁同步電機（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM），已經在電動汽車、風能開發、軌道交通、船舶推進等領域得到了應用。針對永磁同步電機的控制技術，基本是以交流異步電機的控制技術為基礎，從控制系統結構上看，目前主要有矢量控制技術和直接轉矩控制技術兩種，每種控制技術中涉及的具體控制器基本為經典PI控制器[1]。

永磁同步電機是一個多變量、強耦合、時變的非線性系統，應用經典控制方法對其進行控制，需要做兩方面的簡化：一是為建立電機的數學模型，需要對電機的物理模型進行簡化，如假設繞組對稱分布、磁場沿氣隙圓周呈正弦分布，忽略鐵心損耗、磁滯損耗和電機參數變化等；二是在控制器設計中需要對系統進行簡化，如忽略系統的高次項、小慣性環節的近似處理等[2]。基于上述簡化而設計出的控制器存在繼續優化的空間。

智能控制技術的發展為永磁同步電機的控制帶來了新思路，如文獻[3]將模糊PI方法引入永磁同步電機的位置環控制，分析了模糊控制系統的構成以及實現方法；文獻[4]針對永磁同步電動機抖振問題，提出了一種具有消抖作用的高階滑模控制算法。本文主要研究智能控制技術中一類重要的控制技術——仿人智能控制在永磁同步電機控制系統中的應用，以期能為永磁同步電機的控制系統設計提供參考。

1 永磁同步電機數學模型和控制系統結構

永磁同步電機 dq轉子坐標系理想動態數學模型如下：

式中，ud、uq—電機定子電壓dq軸分量；id、iq—電機定子電流dq軸分量；ψd、ψq—電機定子磁鏈dq軸分量；ψf—電機定子繞組一相永磁磁鏈幅值；Ld、Lq—電機定子dq軸勵磁電感；R1—電機定子繞組一相電阻；p—微分算子；ω—電角速度；Te—電磁轉矩；T1—折算到電機軸端的負載轉矩；J—整個機械負載系統折算到電機軸端的轉動慣量；np—極對數。

基于上述數學模型，永磁同步電機矢量控制系統結構如下圖所示[2]。

圖1 永磁同步電機矢量控制系統結構圖

圖中，ASR為速度控制器，ACR為電流控制器，一般用工程設計方法將控制器設計為典型PI控制器。此種設計方法優點是理論成熟、設計簡單，缺點是建模和控制器設計中做了一系列簡化處理，即沒有充分利用控制系統的特征信息，控制效果有待進一步提高。

2 仿人智能控制的原理和設計

在實際的控制過程中人們發現：在得到必要的操作訓練后，由人實現的控制方法是接近最優的，這個方法不需要了解控制對象的結構參數，也不需要最優控制專家的指導。人的控制活動反映了人腦的高超思維、決策和控制能力，仿人智能控制即以模擬人腦宏觀結構和行為功能為基礎。仿人智能控制的基本思想是在控制過程中利用計算機模擬人的控制行為功能，最大限度地識別和利用控制系統動態過程的特征信息，進行啟發和直覺推理，從而實現對非精確數學模型控制對象的有效控制。

針對永磁同步電機，仿人智能控制器的設計思想為：當系統誤差較大時，控制器輸出為最大或最小，以盡快減小誤差；當系統進入穩定區域時，系統在慣性作用下趨向平衡點，控制器采用保持控制，即控制器輸出不變，以釋放系統的慣性能量，防止造成超調；若系統離開穩定區域，超調不可避免時，采用正反饋控制器減小超調；在其它情況下，采用經典PI控制器或PID控制器。

基于上述思想，得控制規則如下：

3 仿真驗證

取永磁同步電機的主要參數如下表。

表1 永磁同步電機主要參數

建立永磁同步電機轉速矢量控制模型，如圖2所示。ASR、ACR為采用工程設計法設計的經典PI控制器，電機空載起動，0.1 s時加載5 N·m，取額定轉速為2000 r/min，仿真結果如圖3所示。

圖2 永磁同步電機矢量控制系統仿真模型

圖3 經典PI控制器仿真結果圖

應用仿人智能方法設計ASR速度控制器，控制器相關參數如下表。仿真結果如圖4-7所示。

表2 仿人智能控制器參數

圖4 仿人智能控制器仿真結果圖

圖5 轉速仿真結果局部放大對比圖

從圖5可以看出，與經典PI控制器相比，仿人智能控制器控制的轉速波動小，在負載變化時，恢復時間短，動態擾動小；由圖6、7可知，仿人智能控制器的iq波動小，id基本相同，由式(1)中轉矩方程可知，在id相同的情況下，轉矩與iq成正比，iq波動小時，轉矩波動小，進而轉速波動小，這與圖5是對應的。

圖6 q軸電流分量仿真結果局部放大對比圖

圖7 d軸電流分量仿真結果局部放大對比圖

4 結束語

仿人智能控制的優點是設計簡單，只需要幾條規格，即可設計出較好的控制器，缺點也是明顯的，這幾乎也是所有智能控制技術的共有缺點，即智能控制技術目前還沒有形成類似經典控制那樣的完整的理論體系，控制器的參數設計、穩定性分析、參數與性能指標的關系等沒有嚴格的理論分析，只能通過經驗、試湊等方法進行設計。建立完整的理論體系，這是仿人智能控制技術和其它智能控制技術今后的研究目標。