（控制理论与控制工程专业论文）永磁交流伺服系统的智能pid控制.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料与控制理论的发 展，7 0 年代末期进入了伺服技术的交流化时代。相继开发出各种类型的交流伺 服系统，并广泛用于自动化领域，在相当广泛的范围内取代了步进电机和直流 伺服电机驱动系统。时至今日，交流伺服系统己成为伺服系统的主流。 在交流伺服系统控制中，依据经典的以及各种现代控制理论提出的控制策 略都有一个共同的问题，即控制算法依赖于电动机模型。当系统受到参数变化 和扰动作用的影响时，系统性能将受到影响，如何抑制这种影响一直是控制领 域一大课题。近年来，十分受控制界重视的智能控制，由于它能摆脱对控制对 象模型的依赖，能够在处理有不精确性和不确定性的问题中有可处理性、鲁棒 性，因而将智能控制引入交流伺服控制成为一个必然的趋势。 针对永磁交流伺服系统的参数时变和非线性，本文基于生物免疫系统的调节 机制提出将一种免疫控制器应用于永磁交流伺服系统的速度和位置控制，以实 现具有一定自适应能力的高性能交流伺服系统。本论文主要做了以下工作。 首先分析永磁同步电机的工作原理，建立其数学模型，深入剖析其运行特点 及控制机理。并对其控制系统进行了整体分析，针对p m s m 非线性、强耦合的 特点，利用矢量变换进行电机模型的解耦，建立三种不同( p w m 、s p w m 、s v p w m ) 变频方式下的永磁同步电机的位置环、速度环、电流环三闭环控制系统并利用 m a t l a b s i m u l i n k 对其进行仿真研究。 从p i d 控制本身的特点出发，分析其优缺点，介绍常规p i d 控制的原理及其 参数整定方法和智能p i d 控制及其参数整定。 探讨生物免疫系统的调节规律，并对免疫系统复杂精细的自我调节机制进行 抽象和简化，得到免疫响应中的调节机理。并把免疫系统与控制系统类比提出 一种新型的免疫控制器。该控制器把免疫控制器与常规p i d 控制和模糊推理结 合构成模糊免疫p i d 控制器，以改善控制性能。仿真结果表明，这种控制器与 常规p i d 控制相比，具有较好的动态性能、抗扰动能力以及较强的鲁棒性能， 且算法简单易实现，具有一定的实用性。7 关键词：永磁交流伺服系统，智能p i d ，免疫反馈，模糊免疫p i d 控制 茎望里三盔堂翌主堂垡堡奎 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm i c r o e l e c t r o n i ct e c h n i q u e ，p o w e re l e c t r o n i c st e c h n i q u e ， s e n s o rt e c h n i q u ea n dt h ea d v a n c e m e n to fp e r m a n e n t - m a g n e tm a t e r i a la n dc o n t r o l t h e o r y , s c r v ot e c h n i q u eh a dc o m ei n t ot h ea g eo fa ca tt h ee n do f7 0 s k i n d so fa c s e r v os y s t e m sh a v eb e e nd e v e l o p e da n da p p l i e dt oa u t o m a t i o nc o n t r o lf i e l d t os o m e e x t e n t ，t h e ya l s oh a v er e p l a c e dm a g n e t i cs t e p p i n gm o t o r sa n dd cs e r v om o t o rd r i v e s y s t e m s ，u pt on o w , a cs c i v os y s t e m sh a v eb e e nt h em a i n s t r e a mo fs e r v os y s t e m s i nt h ea cs c i v os y s t e mc o n t r o l ，a l lt h ec o n t r o lt h e o r i e sb a s e do nt h ee l a s s i c a l c o n t r 0 1t h e o r ya n dm o d e mc o n t r o lt h e o r yf a c et h es a m ep r o b l e m t h a ti st l l e va l l d e p e n do nt h em o t o rm o d e l ，a n dw h e nt h es y s t e ms u f f e r e dt h ei n f l u e n c e s o f p a r a m e t e r sv a r y i n ga n dd i s t u r b a n c e ，i t sp e r f o r m a n c ew i l lb em u c ha f f e c t e d s o ，h o w t or e s t r a i nt h i si n f l u e n c eh a sa l w a y sb e e nab i gp r o b l e m i nr e c e n ty e a r s ，i ti sa l l i n e v i t a b l et r e n dt h a ti m p o r t si n t e l l i g e n tc o n t r o lw h i c hi st a k e ns e r i o u s l yj n t oa cs e r v o c o n t r o l ，b e c a u s ei tc a l lg e tr i do ft h ed e p e n d e n c eo fc o n t r o lp l a n t s m o d e la n dh a s f e a s i b i l i t ya n dr o b u s t n e s sf o rp r o c e s s i n gt h eu n c e r t a i na n di n e x a c tp r o b l e m s a i m i n ga tt h ep a r a m e t e r sv a r y i n ga n dh i g h l yn o n l i n e a r i t yo fp e r m a n e n tm a g n e t i c a cs e r v os y s t e m an e wn o n l i n e a ri m m u n ec o n t r o l l e ri sp r o p o s e db a s e do nt h e i m m u n ef c e d b a c kl a wa p p l i e dt ot h es p e e dc o n t r o la n dp o s i t i o nc o n t r o lo fp e r m a n e n t m a g n e t i cs e r v os y s t e mt or e a l i z el f i g hp e r f o r m a n c ea cs c v os y s t e mw i t ha d a p t a t i o n t h ec o n t e n to ft h i sr e s e a r c hf a l l si n t ot h ef o l l o w i n g t h i sp 印e ra n a l y z e st h ew o r km e c h a n i s m s ，b u i l d st h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f p e r m a n e n tm a g n e t i cs y n c h r o n o u sm o t o rf i r s t l ya n da n a l y z e si t sw o r kc h a r a c t e r i s t i c s a n dc o n t r o lm e c h a n i s m sd e e p l y t h e n ，a l l a l y z e st h ec o n t r o ls y s t e m 西o b a l l v a n d a i m i n ga tp m s m sn o n l i n e a r i t ya n dh i g h l yc o u p l i n gb u i l d st h r e ec l o s e dl o o p ss y s t e m w h i c hi n c l u d e sp o s i t i o nl o o p ，s p e e dl o o pa n dc u r r e n tl o o pw i t ht h r e ed i f f e r e n tk i n d s o ff r e q u e n c yc o n v a r s i o n ( p w m ，s p w m ，s v p w m ) b yu s i n gv e c t o rc h a n g et o d e c o u p l et h em o t o rr o o d e l a n dt h es i m u l a t i o n s 诵t l lm a f l a b s i m u l i n kh a v eb e e n d o n ef o rt h et h r e ec l o s e dl o o p ss y s t e m b a s e do nt h ec h a r a c t e f i s t i c so fp i dc o n t r o l ，t h i sp a p e ra n a l y z e si t sr e l a t i v em e r i t s ， i n t r o d u c e sc o n v c n t i o n a lp i dc o n t r o lp r i n c i p l e sa n di t sp a r a m e t e r sr e g u l a t i n gm e t h o d s 。 a n da l s oi n t r o d u c e st h e i n t e l l i g e n tp i dc o n t r o lp r i n c i p l e sa n d i t sp a r a m e t e r s r e g u l a t i n gm e t h o d s t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h ef e e d b a c kl a wo fb i o l o g i c a li m m u n es y s t e m a b s t r a c t s a n ds i m p l i f i e st h ec o m p l i c a t e ds e l f - r e g u l a t i n gm e c h a n i s mo fi m m u n es y s t e m t h u s o b t a i n st h ef e e d b a c km e c h a n i s mo fi m m u n er e s p o n s e a n dm a k e sa na n a l o g y b e t w e e ni m m u n es y s t e ma n dc o n t r o ls y s t e m p r o p o s e san e wi m m u n ec o n t r o l l e r t h i s f u z z y i m m u n ep i dc o n t r o l l e rc o m b i n e sc o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o la n df u z z yi n f e f e n c e t om a k eu pf u z z y i m m u n ep i dc o n t r o l l e ri su s e dt oi m p r o v et h ec o n t r o lp e r f o r m a n c e s i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a t ，t h i ss y s t e mh a sb e t t e rd y n a m i cp e r f o r m a n c e ， s t r o n g e rd i s t u r b a n c cr e j e c t i o na b i l i t ya n dh i 曲e rr o b u s t n e s sc o m p a r e dt oc o n v e n t i o n a l p i dc o n t r 0 1 a n dt h ea r i t h m e t i ci ss i m o l e ，e a s yt or e a l i z ea n dh a sf e a s i b i l i t yt os o m e i 】 武汉理工大学硕士学位论文 e x t e n t k e yw o r d s ：p e r m a n e n tm a g n e t i ca cs e l v os y s t e m ，i n t e l l i g e n tp i d ，i m m u n ef e e d b a c k ， f u z z y - i m m u n e , p i dc o n t r o l 1 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 交流伺服系统的研究现状 伺服系统又称为随动系统或自动跟踪系统，是指以机械参数为被控对象的 自动控制系统，其特征是输出量迅速而准确地响应指令输入的变化。机械参数 包括位移、角度、力、力矩、速度和加速度i l j 。 在电气伺服控制系统中大致有这几大类型：交磁扩大机一直流电动机系统 p w m 控制直流系统和交流伺服系统。 早期的交磁扩大机一直流电动机系统，由于其频率响应差、电气时间常数 大、系统笨重和功率消耗大等缺点，除了在一些特殊场合外，现在己经不再使 用。直流伺服电机在轴端安装高性能的速度和位置检期9 器，并用脉冲宽度调制 ( p w m ) 大功率晶体管放大驱动，可以使直流伺服系统具有优良的控制性能，所 以在7 0 年代获得了广泛的应用。随着微电子学和交频技术的发展，全数字直流 调速装置己非常普及，由于参数的调整从硬件变成了软件，调整非常方便，还 有故障监视、保护功能及自诊断功能，使得系统的可靠性有了进一步的提高。 尽管直流调速系统在控制手段上取得了长足的进步，和交流调速系统相比，它 的固有特点并未克服。 ( 1 ) 直流电动机结构复杂、成本高、故障多、维护困难且工作量大，经常 函火花大而影响生产。 c 2 ) 机械换向器的换向能力限制了电动机的容量、电压和速度，接触式的 电流传输又限制了直流电动机的使用场合。 ( 3 ) 电枢在转子上，电动机效率低，散热条件差，冷却费用高。为改善换 向能力，减小电枢漏感、转子交得短粗，来提裔系统的动态性能。 随着微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料与控制理论的发 展，7 0 年代末期进入了伺服技术的交流化时代，相继开发出各种类型的交流伺 服系统，并广泛用于自动化领域，在相当广泛的范围内取代了步进电机和直流 伺服电机驱动系统，时至今日，交流伺服系统已成为伺服系统的主流吼 交流伺服系统根据所采用驱动电动机的类型主要分为两大类：感应式异步 电动机交流伺服系统和永磁同步电动机交流伺服系统。 武汉理工大学硕士学位论文 感应式异步伺服电动机结构简单、坚固耐用、维护工作量小、运行效率高、 转动惯量小、动态响应快，可以做到高电压、大容量、高速度，无直流电动机 的缺陷。但控制上采用矢量交换控制，因此系统比较复杂。矢量控制( 磁场定向 控制) 的异步电动机转速闭环系统是高性能的调速系统，静、动态性能完全可以 和直流调速系统的性能相媲美。缺点为：在高性能的矢量控制异步电动机的调 速系统中，转子参数受温度影响将发生变化，产生控制误差，影响控制精度， 需加补偿措施或采用其它控制方式；异步电动机为提高功率因数和效率，需尽 量校小定转子间气隙，这使得制造困难，并且不适台工作与冲击振动大的场合 1 3 】 4 l 【5 】。 随着永磁材料性能的大幅提高和价格的降低，永磁同步电动机交流伺服系 统一跃成为交流伺服系统的主流，并且广泛应用在工业生产自动化领域中。同 步电动机在结构上要比异步电动机复杂，但比直流电动机简单。和同容量的直 流电动机相比，它具有效率高、过载能力大、体积小、转动惯量小、省维护等 优点，并且可以做到大容量、高转速和高电压。和异步电动机调速系统相比， 它具有功率因数高、转子参数可测、效率高、定转子气隙大、控制性能好等方 面的优势。特别对于低转速、负载不断冲击的机械。永磁同步伺服电动机伺服 系统用于要求有良好的静态性能和高动态性能的伺服驱动中，如数控机床、机 器人等。在性能上已经超过了直流伺服装置的性能，而且坚固性、可靠性方面 比直流伺服装置优越。 永磁交流伺服电动机按控制形式分，通常有方波电流控制型和正弦波电流 控制型交流伺服系统。前者称为无刷d c 伺服电动机( b d c m ) 交流伺服系统，后 者称为三相永磁同步电动机( p m s m ) 交流伺服系统。有的系统通过高频数字化处 理，解调出磁极位置和速度信号，参与系统控制，因而能获得正弦电流驱动， 这种交流伺服系统比方波电流型b d c m 交流伺服系统具有更优越的低速伺服 性能，并可实现弱磁高速控制，故拓宽了系统的调速范围，适应了高性能伺服 驱动的要求吼本文就主要讨论基于三相永磁同步电动机( p m s m ) 的交流伺服系 统。 目前，在国外，从七十年代末，特别是八十年代初以来，由于大功率开关 器件、模拟和专用集成电路、微处理技术、传感器技术、电力电子技术、现代 控制理论和新型永磁材料的发展，交流伺服系统已有突破性进展。进入八十年 代以来，世界先进工业国( 例如日本、美国、德国等) 的著名厂家都先后进入了 2 武汉理工大学硕士学位论文 研制开发这一系统的行列，并相继有多种类型的交流伺服系统问世。日本安川 电枫公司共有功率范围在o 0 5 6 k w ，d 、r 、m 、f 、s 、h 、c 、g 8 个系列的 产品，松下电器有全数字m i n a s 系列，其中小惯量m s m a 系列：0 0 3 巧k w 、 1 8 种规格：中惯量m d m a 、m g m a 、m f m a 系列：功率范 围：0 7 5 4 5 k w ，2 3 种规格；大惯量m h m a 系列：功率范围o 5 5 k w ，7 种规格。德国西门子公司的i f t s 三相永磁交流伺服电动机，分标准型和短型 两大类，共有8 个机座号9 8 种规格。美国g e t t y s 公司先期推出m 6 0 0 系列 和a 6 0 0 系列，后期推出a 7 0 0 全数字化交流伺服系统；爱尔兰i n l a n d 公司 也推出了( 现并入a e g 公司) b 盯1 1 0 0 、2 2 0 0 、3 3 0 0 三种机座号，共1 7 种规格，采用s r n c o 永磁，配有8 种控制器的产品。韩国三星公司的f a g a 全 数字控制交流伺服电动机及驱动器系列有c s m 、c s m g 、c s m z 、c s m d 、 c s m f 、c s m h 、c s m n 、c s m x8 种型号，功率范围在1 5 w 巧k w 。 除了上述公司的永磁伺服系统产品外，尚有日本东芝精机公司( s m 系列) 、信 浓电机公司( c c 系列) 、大隈铁工所( b l 系列) 、三洋电气公司( b l 系列) 、 立石电机公司( s 系列) 等厂商也在角逐永磁交流伺服系统的市场份额。其中 k o l l m o r g e n 公司i n d u s t r i a ld r i v e 工业驱动分部的“金系列”( g o l d l i n e ) 代表了当 代永磁交流伺服技术的最新水平i s l t l l s i 。九十年代以后，自适应控制理论、鲁 棒控制、智能控伟l j ( i n t e l l i g e n tc o n t r 0 1 ) 理论、滑模变结构控制等先进的控制技术 在p m s m 的控制中都有了成功的应用，尽管还存在一定的局限性但已经在国内 外引起众多专家学者的重视，并被广泛应用。 交流伺服系统在我国已取得了一些成就，许多科研单位和高校都投入了大 量的人力、物力和技术力量，并取得了一些进展。据有关资料介绍，y j s 系列 交流伺服系统选用高性能交流伺服驱动电源，伺服电机、旋转编码器、工控机 ( p c ) 或可编程控制器实现人机对话、监控，性能价格比优，高同步性能，高精 度定位。适用于各类机床、机械加工中心，平网印花机单驱动或双驱动带，圆 网印花机花网独立传动，预缩机，拉幅定型机、提花针刺、均匀铺网等多轴独 立传动系统。制作工艺精良，抗干扰性能高，运行稳定可靠。各项研究充分体 现了国内研究人员对交流伺服系统的重视及其发展。 随着工业生产方式的目益自动化和复杂化，尤其是一些特殊的生产设备发 展的需要，使得现代伺服系统朝着“高性能、智能化、柔性化、数字化”方向 发展。从其应用领域的特点和p m s m 伺服系统自身技术的发展来看，今后p m s m 武汉理工大学硕士学位论文 伺服系统将向着以下两个方向发展：一个是适用于简易数控机床、家用电器、 计算机外围设各等以及对性能要求不高的工业运动控制等领域的简易、低成本 p m s m 伺服系统；另个方向则是向适用于商精度数控机床、机器人、特种加工 设备精细进给驱动以及航空、航天用的高性能的全数字化、智能化、柔性化的 p m s m 伺服系统发展。而后一个更能充分体现p m s m 伺服系统优势，必将成为 p m s m 伺服系统的重点发展方向。 1 2 智能控制理论在交流伺服系统中的应用研究现状 经典控制理论和现代控制理论都是建立在被控对象精确模型基础上的控制 理论，实际上，许多工业被控对象或过程常常具有非线性、时变性、变结构、 多层次以及各种不确定性等，难以建立精确的数学模型。被控对象越来越复杂， 而对其控制精度的要求日益提高。对于交流调速系统这类复杂系统的控制，控 制目标是为了确保较好的动静态性能和对象模型参数变化情况下的鲁棒性，单 纯采用常规的控制器，在控制对象大惯量、变负载和力矩干扰等复杂情况下， 很难满足系统的要求，因此，为了使交流伺服电机应用到更为宽广的领域，智 能控制技术的应用是目前所必需的。 一种控制方式和一个控制系统，如果它能够有效地克服被控对象( 过程) 和 环境所具有的高度复杂性和不确定性，并且能够有效达到所期望值的目标，那 么称这种控制方式为智能控制。智能控制不同于经典控制理论和现代控制理论 的处理方法，它研究的主要目标不再是被动对象，而是控制器本身。控制器不 再是单一的数学模型解析型，而是数学解析和知识系统相结合的广义模型，是 多种学科知识相结合的控制系统。智能控制理论是建立被控动态过程的特征模 式识别，基于知识、经验的推理及智能决策基础上的控制。一个好的智能控制 器本身应具有多模式、交结构、变参数等特点，可根据被控动态过程特征识别、 学习、自组织自身的控制模式，自适应地改变控制器结构和自调整参数，以获 得最佳地控制效果。1 。 在交流伺服系统控制中，依据经典的以及各种现代控制理论提出的控制策 略都有一个共同的问题，即控制算法依赖于电动机模型，当系统受到参数变化 和扰动作用的影响时，系统性能将受到影响，如何抑制这种影响一直是一大课 题。近年来，十分受控制界重视的智能控制，由于它能摆脱对控制对象模型的 武汉理工大学硕士学位论文 依赖，能够在处理有不精确性和不确定性的问题中有可处理性、鲁棒性，因而 将智能控制引入交流伺服控制成为一个必然的趋势。 智能控制理论是自动控制学科发展里程中的一个崭新阶段，与传统的经典、 现代控制方法相比，具有一系列独到之处。首先，它突破了传统控制理论中必 须基于数学模型的框架，不依赖或不完全依赖于控制对象的数学模型，只按实 际效果进行控制。其次，继承了人脑思维的非线性，智能控制器也具有非线性 特征；同时，利用计算机控制的便利，可以根据当前状态切换控制器的结构， 用交结构的方法改善系统的性能。在复杂系统中，智能控制还具有分层信息处 理和决策的功能。因此，智能控制也被成为继经典控制和现代控制之后的第三 代自动控制技术“”“。 利用智能控制的非线性、变结构、自寻优等各种功能来克服交流伺服系统 变参数与非线性等不利因素，可以提高系统的鲁棒性。目前智能控制在交流伺 服系统应用中较多的，包括：专家控制( e x p e r tc o n t r 0 1 ) 、模糊控制、自学习控 制、神经网络控制、遗传算法等，而且大多是在模型控制基础上增加一定的智 能控制手段，以消除参数变化和扰动的影响。 ( 1 ) 专家系统及专家控制 专家系统是人工智能应用领域的一个重要分支，人工智能的理论和方法( 如 知识表示、搜索策略) ，主要是以专家系统的形式得到实际应用。一般认为：专家 系统是一种计算机程序，它在某些特定领域中，能以人类专家的水平去解决问 题，在某些方面甚至可能超过人类专家。 专家控制器的工作过程就是将给定值、测量数据、波形特征等作为当前事 实，与控制规则相匹配，从而得到控制量。控制规则体现的是专家的专门只是 和经验，为了使控制器能随着对象特性的变化自动调整控制参数，不断改善系 统性能，一般还可以给他设置学习环节。 目前，人们已经开始将专家控制应用于快响应的电气传动系统的研究。 ( 2 ) 模糊控制 模糊控制是利用模糊集合来刻画人们日常所使用的概念中的模糊性，使控 制器能更逼真地模仿熟练操作人员和专家的控制经验与方法，它包括精确量的 模糊化、模糊推理、模糊判决三部分。模糊控制系统基本结构包括：模糊化接口、 武汉理工大学硕士学位论文 模糊推理机、模糊规则库、非模糊化接口几个部分。 模糊控制的最大优点是它不依赖被控对象的精确数学模型，并且能克服非 线性因素的影晦，对被控对象的参数变化不敏感，即具有较强的鲁棒性，因此 它是解决不确定性系统控制的一种有效途径。但它对信息进行简单的模糊处理 会导致被控系统精度的降低和动态品质变差。为了提高系统的精度则必然要增 加量化等级，从而导致规则的迅速增多，因此影响规则库的最佳生成，且增加 系统的复杂性和推理时间。因此一般都需要与其他控制方法相结合f 如与滑模控 制的结合1 ，才能获得优良的性能1 1 z 1 1 3 1 。 ( 3 ) 神经网络控制 神经网络则是多个神经元通过互联构成的网络，常见的神经网络交接结构 有包括无反馈前向多层网络、有反馈前向多层网络、层内有互联的多层前馈网 络、任意元可能有连接的相互结合型网络等。 神经网络的特点包括：信息存储是分布式的r 这使得网络具有很强的信息容 错性、鲁棒性和联想记忆功g g ) ；具有自适应性和自组织性( 来源于连接的多样 性极连接强度的可塑性) ；采用并行处理方式( 这使得处理速度变得非常优越) ；层 次性( 这是由网络的互联结构决定的) 。 ( 4 ) 学习控制( 包括遗传学习) 学习控制是日本学者s a r i m o t o 等人于1 9 8 5 年提出的。学习控制是对系统 运行的未知信息进行学习，并把学习的信息作为一种经验运用到未来的决策和 控制之中去。 学习控制对于具有可重复性运动的工业机器人、数控机床等被控对象有着 广泛的应用前景，而它们又都包含有多个满足一定动、静态性能指标的位置伺 服系统。因此，研究位置伺服系统的学习控制具有一定的典型性。不过应该指 出，学习控制本身不能克服系统的随机干扰。一般来说，自学习控制也常是与 其他控制方法结合在一起的【。例如，目前模糊控制的一个引人注目的研究方 向就是自学习模糊控制，这种控制是走向更高层次智能控制的一种过渡。 ( 5 ) 预测控制 预测控制将人类能通过对未来情况的把握来确定当前行动的能力引入了控 武汉理工大学硕士学位论文 制领域。在控制领域，如何恰当地利用未来信息，并因此而提高控制系统的性 能方面，已经在理论上取得了许多引人注目的进展。 在机器人、数控机床等机电领域中，可以利用未来目标值等未来信息的情 况是很多的。在这种情况下，根据当前目标值，以及未来目标值和未来外部干 扰等信息来共同确定当前的控制方案，无疑是一件很有价值的思路。预测伺服 系统就是希望通过对目标信号及干扰信号的未来信息的利用来改善系统的控制 性能。从结构上来看，采用预测控制的伺服系统就是在采用通常控制策略的伺 服系统上加一个利用未来信息的前馈预测补偿环节所构成。因此，可望使系统 在保持原有的稳定性和鲁棒性的同时，通过对未来信息的利用使得系统的性能 指标得到进一步地改善1 1 “。 1 3 人工免疫控制的研究现状 近代计算机科学技术发展的显著特点之一是与生命科学的相互交叉、相互 渗透日益密切。生命科学尤其是生物学的发展为计算机科学的发展提供了许多 新方法和新思路。目前，针对生命科学与计算机科学的交叉领域的研究已成为 当今科学研究领域内的一个重要的研究方向，并取得了许多的举世瞩目的研究 成果，如以脑神经系统为基础的神经网络【1 6 】和以遗传系统为基础豹遗传算法【1 7 1 等。 生物免疫系统是生物体赖以生存的基本保障，它是自然进化演变的结果。 从计算机科学的角度来看，生物免疫系统可以看作是一个具有高度并行处理能 力的分布式、自适应和自组织的系统1 1 8 】。生物免疫学是在对生物免疫系统研究 的基础上发展并逐渐形成的一门较为完整的学科。目前，生命科学研究工作者 们正在利用计算机技术为生物免疫系统及其各种机体功能与特征行为进行数学 建模，以便更加容易地分析和解释这些生物免疫现象的内在机理。 另一方面，生物免疫系统具有很强的学习、识别、记忆和特征提取能力， 这些能力正是智能性计算机系统所需要的。因此，生物免疫系统的原理和结构 成为计算机科学研究工作者竞相研究的对象。目前，计算机工作者们已从生物 免疫系统中获得了一些重要的启示和借鉴，并且将其应用于解决计算机工程应 用中的一些用一般方法难以解决的复杂问题。人工免疫系统( a r t i f i c i a li m m u n e s y s t e m ，a j s l 正是利用生物免疫系统的工作原理，以生物免疫学基本概念和理 武汉理工大学硕士学位论文 论为基础面向应用的计算机模型，是将生物免疫学的相关原理和概念与计算机 科学相结合的产物 1 9 】。 人工免疫系统继承了生物免疫系统的许多优良特性，这些特性使得人工免 疫系统很快的成为学术界研究的热点，并成为计算智能研究的一个崭新的分支。 e v o l u t i o n a r yc o m p u t m i o n ，i e e et r a n s a c t i o no ne v o l u t i o n a r yc o m p u t a t i o n 等许多 国际期刊将人工免疫系统作为重要议题。在2 0 0 1 年和2 0 0 2 年i e e et r a n s a c t i o n o ne v o l u t i o n a r yc o m p u t a t i o n 还相继出版了人工免疫系统专辑。此外，人工免疫 系统也己成为计算机国际学术会议的热点议题，如i e e es y s t e m m a na n d c y b e m e t i c s 国际会议从1 9 9 7 年开始每年组织专门的人工免疫系统研讨会，还 有g e c c o ( g e n e t i ca n de v o l u t i o n a r yc o m p u t a t i o nc o n f e r e n c e ) ，c e c ( c o n g r e s s o n e v o l u t i o n a r yc o m p u t a t i o n ) 等国际会议也将人工免疫系统作为讨论的主题之 一。2 0 0 2 年9 月在英国k e n t 大学还成功召开了第一届人工免疫系统国际学 术会议i c a r i s ( 1 s ti n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo na r t i f i c i a ll d l m 岫es y s t e m s ) 【2 0 1 。 结合工程实际应用提出的人工免疫系统特别适合于解决具有鲁棒性、自适 应性和动态性要求的实际工程应用问题。免疫响应和过程控制存在很大的相似 之处，我们可以把生物体看成被控对象，把抗原的入侵和内部细胞的突变看成 各类干扰，把免疫系统看成控制器，这样免疫响应就类似与一个对干扰的控制 过程。但免疫系统控制的对象远比工程中的对象复杂，免疫控制的效果比实际 过程控制效果更稳定、协调、鲁棒。免疫响应的自适应性、协调性、鲁棒性、 对未知环境的适应能力吸引了过程控制领域专家的注意，免疫响应这些特点是 过程控制尤其是复杂、存在未知干扰对象的控制所追求的。下面就是人工免疫 系统在控制中的一些应用。 ( 1 ) 基于对异物的快速反应和快速稳定免疫系统的免疫反馈机理可用于发 展有效的反馈控制系统，基于t 细胞免疫反馈控制规律设计的自调整免疫反馈 控制器，文【2 1 】用p 型免疫控制器和一个增量模块组成的免疫控制器建立了模 糊自调整免疫反馈控制系统，将此控制器用于激光热疗法组织度的控制中，结 果表明其控制性能优于常规控制器。 ( 2 ) 基于免疫系统中b 细胞之间的相互反应机理，即b 细胞能在动态变 化的环境中保持其数量的平衡，由于分布式自主机器人与生物免疫系统的相似 性，将此原理应用到一个多机器人系统的控制结构中田j 。 ( 3 ) 基于细胞选择说和独特性网络学说的控制机理，利用生物免疫系统的 武汉理工大学硕士学位论文 自保护和自维持能力，把每个机器人看成b 细胞，每个环境看成抗原，行为 策略看成抗体，用于控制分布式机器人系统，使其在环境条件改变时，能选择 一个合适的行为策略i 矧。 ( 4 ) 基于局部记忆和网络结构学说应用于a g e n t 结构，并利用多样性产 生、自忍耐建立、记忆非己三个步骤，在干扰知识不能得到的情况下控制系统， 用于噪声的自适应控制 2 4 】。 ( 5 ) 把免疫系统与神经网络结合，识别和处理人工神经网络的建筑块，并 应用于复杂动态行为建模和自适应控制，文【2 5 将此方法用于控制一个不确定 u h l 垂直直升机盘旋模型。 除控制领域外，人工免疫在其他领域如机器人、故障检测与诊断、知识挖 掘、数据处理、图象处理、计算机网络安全、组合优化、模式识别中也取得了 成功的应用。 1 4 论文主要内容 本论文源自8 6 3 项目高响应直线电机与伺服控制器的研究与开发，本文 是在此项目的基础上，对基于交流永磁同步电机的交流伺服系统作了深入的研 究，特别是对基于光电编码器获取速度反馈的伺服系统做了大量的智能控制的 仿真研究。针对永磁交流伺服系统的参数时变和高度非线性，本文基于生物免 疫系统的调节机制提出将一种新颖的免疫控制器应用于永磁交流伺服系统的速 度控制，从系统的静、动态性能，抗干扰性、鲁棒性等方面观察比较采用免疫 控制器后系统的性能。主要内容如下： ( 1 ) 分析永磁同步电机的工作原理，建立其数学模型，深入剖析其运行特 点及控制机理。并对其控制系统进行了整体分析，针对p m s m 非线性、强耦合 的特点，利用矢量变换进行电机模型的解耦，建立三种不同( p w m 、s p l 】| m 、s v p w m ) 变频方式下的永磁同步电机的位置环、速度环、电流环三闭环控制系统并利用 m a t l a b s i m u l i n k 对其进行仿真研究。 ( 2 ) 从p i d 控制本身的特点出发，分析其优缺点，介绍常规p i d 控制原理 及其参数整定方法和智能p i d 控制及其参数整定。 ( 3 ) 探讨生物免疫系统的调节规律，并对免疫系统复杂精细的自我调节机 制进行抽象和简化，得到免疫响应中的调节机理。并把免疫系统与控制系统类 9 武汉理工大学硕士学位论文 比提出一种新型的免疫控制器。该免疫控制器把免疫控制器与常规p i d 控制和 模糊推理结合构成模糊免疫p i d 控制器，以改善控制性能。仿真结果表明，这 种控制器与常规p i d 控制相比，具有较好的动态性能、抗扰动能力以及较强的 鲁棒性能，且算法简单易实现，具有定的实用性。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章永磁同步电机模型及矢量控制技术 高性能的同步电动机控制需要现代控制理论的支撑，目前使用最广泛并已 在实际系统中应用的当属矢量控制理论。此理论自诞生之日起就受到人们的广 泛重视。矢量控制需要使用精确的电动机数学模型，在分析中通常采用砌坐标 系，以消除a b c 坐标系中电压方程是带有周期性变系数的微分方程给求解带来 的麻烦。本章作为后续内容的知识准备，将详细推导有关的永磁同步电动机数 学模型并介绍矢量控制的有关知识。 2 1 永磁同步电机的基本方程 三相永磁同步电动机是由绕线式同步电动机发展而来，它用永磁体代替了 电励磁，从而省去了励磁线圈、滑环与电刷，其定子电流与绕线式同步电动机 基本相同，输入为三相对称正弦交流电，故称为三相交流永磁同步电动机。 交流永磁同步电动机是由定子和转子组成，定子的结构形式与感应电动机 一样由导磁的定子铁芯和导电的三相绕组以及固定铁芯用的机座和端盖等部件 组成。转子用永磁材料制成，采用适当的几何结构，使磁势波形接近空间分布 正弦波。当定子通以相位相差1 2 0 0 的三相正弦交流电时，定子产生空间匀速旋 转的磁场，磁场旋转的速度与定子正弦波频率有关，定子将接受的电能转换为 旋转的磁场。定子磁场与转子磁场相互作用产生推动转矩，使转子旋转，完成 电能到机械能的转化【硐【3 。 p m s m 的定子和普通电励磁三相同步电动机的定子是相似的。如果永磁体 产生的感应电动势( 反电动势) 与励磁线圈产生的感应电动势一样，也是正弦的， 那么p m s m 的数学模型就与电励磁同步机基本相同。为使分析简化起见，作如 下假设： ( 1 ) 饱和效应忽略不计； ( 2 ) 感应反电势呈正弦分布； ( 3 ) 不计涡流和磁滞损耗； ( 4 ) 励磁电流无动态响应过程； ( 5 ) 转予上没有励磁绕组。 武汉理工大学硕士学位论文 这样可以得到如图2 - 1 所示的永磁同步电动机的的等效结构坐标图，图中 似，o c 为三相定子绕组的轴线，取转子的轴线与定子4 相绕组轴线的 电气角度为疗。 ，丝；z z ( 2 1 ) i ，一折算到电机轴上的总转动惯量o c gm 2 ) 塞 。【言丢兰 差 + 丢f i i ! c z z ， c o s l 2 0 。 c o s 0 c o s 2 4 旷 其中： ，“。，一三相定子绕组的电压 ” 小 8 0 。姗 l ；吁”b 斟 端删 蒜一 -_-_1_【 兰 1_iii_l-j 口 c 妒妒妒 _-【 武汉理工大学硕士学位论文 ，f c 一三相电子绕组的电流； 妒。，妒。，妒c 一三相定子绕组的磁链： 正p 。i r c o s o 1 妒， c 2 - 4 ， 2 2 交流电机的矢量控制 2 2 1 矢量控制思想的提出 由直流电动机转矩表达式为z g 妒。l ( g 为转矩常数) 可知，电磁转矩 z 分别控制电枢电流厶和磁通妒。，它们之间互成9 0 。壹角正交关系各自独立， 在电路上互不影响，转矩控制容易实现，这也是直流电动机调速性能好的根本 原因。 但是，用同样的理论和方法来分析、设计交流调速系统时就不那么方便了。 由前文的分析中可以看出，交流电动机的数学模型和直流电动机模型相比有着 本质的区别，它是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，这使得调速系统 的调节器参数很难准确设计，系统的动态性能不理想。又由于交流电动机的磁 通矢量f 、如、，c 都在空间以同步速度旋转，彼此相对静止，欲控制转矩，必 须控制任两磁通矢量的大小和相对位置。通常的变频调速系统的控制量是交流 电动机的定子电压幅值和频率( 电压控制型) 或定子电流幅值和频率( 电流控制 型1 ，它们都是标量，放称为标量控制系统。在标量控制系统中，只能按电动机 的稳态运行规律进行控制，不能控制任意两个磁通势矢量的大小和相对位置， 武汉理工大学硕士学位论文 转矩控制性能差。 欲改善转矩控制性能，必须对定子电流或电压实施矢量控制，既控制大小， 又控制方向。一个矢量通常用它在直角坐标系上的两个分量来表达。交流电机 的所有矢量f 磁通势、磁链、电压、电流) 都在空间以同步速旋转，它们在定子 坐标系f 静止系) 上的各分量，即在定子绕组上的物理量都是交流量，控制和计 算不方便。籍借助于坐标变换，将三相交流电机变换成d - q 电机，进而可与直 流电机等效起来。把这些变换应用到控制方面，在三相电机上设法模拟直流电 机控制转矩的规律，来改善系统的动态性能，这就是交流电动机变频调速矢量 控制的主导思想。 2 2 2 矢量变换 矢量控制中所用的坐标系有两种：一种是静止坐标系，一种是旋转坐标系。 ( 1 ) 三相定子坐标系似噩c 轴系) 三相定子里有三相绕组，其绕组轴线分 别为4 骂c ，彼此互差1 2 0 空间电角度，如图2 - 2 所示，某矢量k 在三个坐标 轴上的投影分别为p k ，代表了该矢量在三个绕组上的分量。 ( 2 ) 两相定子坐标系( 口一卢轴系) 两相对称绕组通以两相对称电流