（电路与系统专业论文）基于模糊fcmac神经网络pid的开关磁阻电机智能控制.pdf

i n t e l l i g e n tc o n t r o lo f s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o rb a s e do nf u z z y f c m a cn e u r a ln e t w o r kp i d b y x i a oq i a n g y i n g b e ( h u n a nu n i v e r s i t yo fa r t sa n ds c i e n c e ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g 1 n c i r c u i t sa n ds y s t e m s l n c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rz e n gz h e z h a o a p r i l ，2 0 1 1 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其它个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：肖弓嚣羡 日期：矽if 年万月2 8e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：肖弓虽莫 导师签名 e l 期：2 o l1 年箩月砖e l e l 期：讲广月刀e l 摘要 开关磁阻电机具有结构简单、坚固可靠、成本低等优点，其突出特点是效率 高，调速范围广，节能效果好，启动转矩大，无启动冲击电流，控制灵活。因此， 近年来受到了广泛的关注。但是开关磁阻电机是一个时变、非线性、多变量的系 统，且无法获得其精确的数学模型，采用常规的线性控制器无法满足开关磁阻电 机控制系统的动、静态性能要求，难以实现有效控制。因此，本文以开关磁阻电 机的智能化控制理论及其系统设计为主题展开理论与应用研究 本文在介绍了开关磁阻电机的工作原理和调速特性之后，将它与其它几种调 速系统进行了比较研究，并探讨了改善开关磁阻电机性能的最优控制方法；随后 在分析了单一的模糊控制和神经网络控制的基础上，将局部逼近、简单快速的小 脑模型神经网络与模糊逻辑相结合，设计了模糊f c m a c 神经网络控制器，该控 制器是利用小脑模型神经网络来实现模糊推理，从而使传统神经网络中没有明确 物理含义的权值被赋予了模糊逻辑中推理参数的物理含义，使之具有较强的自学 习能力，能够较好地反映人脑认知的连续性和模糊性，克服了单一的神经网络控 制和模糊控制的缺点，并对该控制器与普通神经网络控制器进行了仿真与结果比 较分析，得到了较为理想控制效果。 最后，针对传统p i d 对开关磁阻电机控制的不足，提出了基于模糊f c m a c 神经网络p i d 的开关磁阻电机智能控制，实时调整p i d 控制参数，并利用 m a t l a b s i m u l i n k 构建了开关磁阻电机控制系统的仿真模型，并与传统的控制 方法进行了稳态性能和动态性能仿真的对比分析。仿真结果表明，与传统的p i d 控制方法相比较，该方法大大改善了开关磁阻电机调速系统的动、静态性能，转 矩脉动小，且无需精确的数学模型，控制精度高，超调量小，对干扰有较高的鲁 棒性。 关键词：开关磁阻电机；模糊控制；小脑模型神经网络；比例一积分一微分控制； 模糊推理 a b s t r a c t s w i t c h e dr e l u c t a n c ed r i v eh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha ss i m p l es t r u c t u r e ，s o l i d a n dr e l i a b l e ，l o wc o s te t c i t so u t s t a n d i n gc h a r a c t e r i s t i ci sh i g he f f i c i e n c y , w i d er a n g e o fs p e e d ，e n e r g y - s a v i n ge f f e c t ，g r e a ts t a r tt o r q u e ，n os t a r t u pc u r r e n ti m p u l s e ， c o n t r 0 1 f l e x i b l e t h e r e f o r ei tr e c e i v e dw i d e s p r e a dc o n c e r ni n r e c e n ty e a r s b u t s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o ri sat i m e - v a r y i n g ，n o n l i n e a r , m u l t i v a r i a b l es y s t e m ，a n d t h ep e o p l e 盯en o ta b l et o g e t i t sa c c u r a t em a t h e m a t i c a lm o d e ly e t ，s ot h e c o n v e n t i o n a ll i n e a rc o n t r o l l e ri sd i f j c i c u l tt om e e td y n a m i ca n ds t a t i cp e r f o r m a n c e r e q u i r e m e n t so fs w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o rc e n t r e ls y s t e m ，w h i c hi t sc o n t r o le f f e c t a l s oh a sn o tb e e nv e r yg o o d t h e r e f o r et h i sd i s s e r t a t i o ni sf o c u s e do nt h e o r yo f i n t e l l i g e n tc o n t r o la n dc o n t r o ls y s t e md e s i g nf o rs w i t c h e d r e l u c t a n c em o t o r t h i sd i s s e r t a t i o nb a s e do nw o r k p r i n c i p l ea n ds p e e d c h a r a c t e r i s t i c so f s w i t c h e d r e l u c t a n c em o t o r , a n dm a d eac o m p a r a t i v es t u d yw i t ho t h e rs p e e ds y s t e m i tm a d ea s e l e c t i v ea n a l y s i sa b o u tt h ei m p r o v e m e n tp e r f o r m a n c et oa c h i e v eo p t i m a lc o n t r o lo f s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r t h e nb a s e do nt h es i n g l ef u z z yc o n t r o la n dn e u r a l n e t w o r kc o n t r o l ，c o m b i n e dl o c a la p p r o x i m a t i o n ，s i m p l ea n dq u i c kc e r e b e l l a rm o d e l n e u r a ln e t w o r k sw i t hf u z z yl o g i c a n dd e s i g n e dak i n do ff u z z yf c m a cn e u r a l n e t w o r kc o n t r o l l e r , f u z z yr e a s o n i n gw a sr e a l i z e dt h ec e r e b e l l a rm o d e ln e u r a l n e t w o r ki nt h i sc o n t r o l l e r s oi nt h et r a d i t i o n a ln e u r a ln e t w o r kw i t h o u td e f i n i t e p h y s i c a lm e a n i n gw a se n d o w e dw i t hr e a s o n e dp a r a m e t e r s o ff u z z yl o g i c t h i s c o n t r o l l e rw a ss t r o n g e rs e l f - l e a r n i n gc a p a c i t ya n dr e f l e c tc o n t i n u i t ya n dv a g u eo ft h e b r a i nc o g n i t i v ep r e f e r a b l y , i to v e r c o m e ds h o r t c o m i n g so fn e u r a ln e t w o r kc o n t r o la n d f u z z yc o n t r 0 1 a n dm a d et h ec o n t r a s t i v es i m u l a t i o na b o u tt h ec o n t r o l l e ra n dg e n e r a l n e u r a ln e t w o r kc o n t r o l l e r , g o tr e l a t i v e l yi d e a lc o n t r o le f f e c t 。 f i n a l l y , a i m e da tt h et r a d i t i o n a lp i do fs r m w a sn o tg o o de n o u g h ，a n dp u t e d f o r w a r ds w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o ri n t e l l i g e n tc o n t r o lb a s e do nf u z z yf c m a cn e u r a l n e t w o r kp i d r e a l t i m ea d j u s t e dp i dc o n t r o l p a r a m e t e r s ，a n d b u i l ts w i t c h e d r e l u c t a n c em o t o rc o n t r 0 1s y s t e ms i m u l a t i o nm o d e li nm a t l a b s i m u l i n k ，m a d et h e s i m u l a t i o nc o n t r a s ta n a l y s i sa b o u ts t e a d ya n dd y n a m i cp e r f o r m a n c ew i t ht r a d i t i o n a l c o n t r o lm e t h o d s t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a ti tc o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a l p i dc o n t r o lm e t h o d ，t h ec o n t r o lm e t h o dg r e a t l yi m p r o v e dd y n a m i ca n ds t a t i c p e r f o r m a n c e o fs r d ，t o r q u e r i p p l e w a ss m a l l ，i td i dn o t r e q u i r e a c c u r a t e m a t h e m a t i c a lm o d e la n d h a dh i g hc o n t r o la c c u r a c y , s m a l lo v e r s h o o t s ，h i g h i i r o b u s t n e s st od i s t u r b a n c e s k e yw o r d s ：s w i t c h e dr e l u c t a n c ed r i v e ；c o n t r o lc e r e b e l l a rm o d e la r t i c u l a t i o n e o n t r o l l e r ；p r o p o r t i o ni n t e g r a t i o nd i f f e r e n t i a t i o nc o n t r o l ；f u z z y r e a s o n i n i i i 目录 摘詈暮i 9 l 】e l s t r a c t i i 第一章绪论 1 1 开关磁阻电机的发展概况1 1 2 开关磁阻电机的工业应用场合2 1 3 开关磁阻电机控制的国内外研究现状3 1 4 开关磁阻电机的调速特性5 1 5 本文的主要研究内容6 1 5 1 选题意义6 1 5 2 本文主要工作8 第二章开关磁阻电机的基本原理 2 1 开关磁阻电机的数学模型9 2 1 1 电路方程9 2 1 2 机械方程1 0 2 1 3 机电联系方程1 0 2 2 开关磁阻电机的调速理论1 2 2 2 1 开关磁阻电机调速系统基本原理1 2 2 2 2 开关磁阻电机调速系统的特点1 3 2 3 开关磁阻电机调速系统与其他电机调速系统的比较1 4 第三章改善开关磁阻电机性能方法研究 3 1 概述1 6 3 2 开关磁阻电机的控制方式及其实现1 6 3 2 1 角度位置控制1 6 3 2 2 电流斩波控制1 7 3 2 3 电压斩波控制1 8 3 3 开关磁阻电机参数最优化控制1 9 3 3 1 开关角优化法1 9 3 3 2 关断角优化法2 0 3 4 开关磁阻电机p i d 控制技术2 2 第四章模糊f c m a c 神经网络控制器的设计 4 1 模糊控制2 5 4 1 i 模糊控制的基本思想2 5 4 1 2 模糊控制基本组成2 5 4 1 3 模糊控制的基本原理2 6 4 2 神经网络控制2 7 4 2 i 神经网络控制的基本思想2 7 4 2 2 神经网络在控制中的主要作用2 7 4 2 3c m a c 神经网络概述2 8 4 3 模糊f c m a c 神经网络2 9 4 3 1 模糊f c m a c 神经网络的结构2 9 4 3 2 模糊f c m a c 神经网络的学习算法3 2 4 3 3 仿真结果与分析3 5 第五章基于模糊f c m a c p i d 的s r m 的建模与仿真 5 i 基于m a t l a b s i m u l i n k 的系统建模与仿真分析一3 7 5 1 1 仿真软件m a t l a b s i m u l i n k 的简介3 7 5 1 2 开关磁阻电机模型的建立3 7 5 2 基于模糊f c m a c p i d 的s r m 控制系统建模与仿真3 9 5 2 i s r m 电机调速系统模糊f c m a c p i d 控制模型3 9 5 2 2 开关磁阻电机的控制仿真与分析4 5 总结与展望4 9 参考文献5 0 致j 射5 4 附录a ( 攻读硕士学位期间发表论文目录) 5 5 附录b ( 攻读硕士学位期间参与项目) 5 6 第一章绪论帚一早珀下匕 1 1 开关磁阻电机的发展概况 开关磁阻电机( s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r ，s r m ) 即所谓的“电磁制动机” 最早起源于1 9 世纪4 0 年代【l 】1 8 4 2 年，英国的a b e r d e e n 和d a v i d s o n 两位科学 家用两个u 型电磁铁制造了一部可由蓄电池供电的电动车，它的工作原理与现 在的开关磁阻电机工作原理十分相似。但受当时的条件所限，他们采用的是机械 开关，这样使得其运行特性和可靠性都很不稳定，尤其是机电能量转换效率十分 低下，所以在功率电子开关问世之前，开关磁阻电动机一直都没能引起人们太多 的重视1 2 1 2 0 世纪6 0 年代，随着大功率晶闸管的使用，开关磁阻电机终于再一次得到 了人们重视，s r m 一词最早可以追溯到1 9 6 9 年美国科学家s a n a s a r 撰写的论 文，文中描述了之所以开关磁阻电机必须要在各种新型功率半导体器件出现后才 能得到应有的重视和发展，这都是因为s r m 必须在一种有联系的开关模式下才 能够工作，且由于开关磁阻电机是一种双凸极的电机，所以定子、转子都具有可 变的磁阻回路。这也正好体现了s r m 的两个重要的基本特征【3 】：开关性和磁阻 性。2 0 世纪7 0 年代初，美国福特电动机公司研制出了结构为晶闸管功率电路的 新型电机调速系统，这也就是最早的开关磁阻电机调速系统( s w i t c h e dr e l u c t a n c e d r i v e ，s r d ) ，这种调速系统能同时具有电动机和制动机的运行状态，较其他调 速系统的调速范围更宽、调速的能力更强。 1 9 7 3 年，英国n o t t i n g h a m 大学也开始对s r m 进行深入的研究，研制出了 单位输出功率和效率都明显高于同类驱动装置的开关磁阻电机调速系统，并成功 地将其用作为电动汽车的驱动装置，这也充分地证明了开关磁电机的应用前景十 分良好。 1 9 8 0 年，英国l e e d s 大学的一些科学家们总结了他们以及前辈们的一些研 究成果，以电动车为研究目标，发表了被公认为是开关磁阻电机研究的奠基之作 的著名论文一一变速开关型磁阻电动机。该论文系统地阐述了开关磁阻电机 的基本原理以及设计理论，并最先在径向气隙电动机中引用了“开关磁阻 ( s w i t c h e dr e l u c t a n c e ) 这一术语，重点研究了s r m 的特性以及控制方式，这 标志着开关磁阻电机调速系统已经正式得到了社会的承认【3 1 。 我国从19 8 4 年起，也正式开始对开关磁阻电机进行深入的研究和开发工作， 并将该项工作列入了中小型电机“七五 科研规划项目1 4 1 。经过了这么多年的努 力，目前已经研制了5 0 w 3 0 k w 的二三十个规格的产品样机，在很多工业场合 的应用中都取得了很好的效果。国内也相继出版许多有关s r m 研究的学术著作， 对s r m 的设计理论、电磁场数值分析、控制和仿真等都做了许多工作。近年来 各国对开关磁阻电机的研究兴趣也是越来越浓，目前的发展势态是理论研究与实 际应用并重。 1 2 开关磁阻电机的工业应用场合 1 在家用电器中的应用 ( 1 ) 洗衣机。人们都知道洗衣机在洗涤时要求电机必须低速旋转，而在脱 水时又要能够让电机高速旋转，并且还要能适应频繁的正反转5 l 。利用s r d 系 统良好的启动性能，可有效地消除洗涤过程中启动电流对电网的冲击，使洗涤、 换向平稳无噪声；实现全部调速范围的高效率，大大减少耗电量 ( 2 ) 空调、电冰箱的压缩机s r d 系统具有十分优良的调速性能，电能一 机械能转换效率都较高，尤其是在中低速时效率更高，这样就能有效地克服变频 调速系统的许多弊端。众所周知，空调是属于高耗能型家电。而一般情况下，如 果能够使节能效果达到5 以上，必将会获得较大的经济利益与社会效益 2 在电动车与驱动中的应用 由于s r d 系统的效率高、可靠性高、调速范围宽广，启动和制动性能卓越， 因此它是各类电动车最理想的动力之一 s r d 不仅具有紧凑牢固的电机结构和简单的驱动电路，可以很方便地实现 四象限控制，而且成本低、性能可靠、调速范围宽广等，适合于高速运行，尤其 是适合于电动车在各种工况下的运行，使开关磁阻电机驱动系统成为了电动车中 极具有潜力的机种【6 】。 3 在泵类负载中的应用 采用开关磁阻电机对水泵进行改造，具有以下优点：恒压供水；节能降耗； 减少人员劳动强度及可以带载启动，启动电流小，过载能力强【，l 。 4 在纺织设备中的应用 近年来，新型纺织机械普遍采用了机电一体化技术，采用开关磁阻电机作为 无梭织机的主传动可以带来很多的好处，如能够减少传动齿轮、无需皮带和皮带 盘、能够节能至少1 0 等优点。 5 在机床设备中的应用 龙门刨床是加工大面积金属的常见机床，开关磁阻电机调速系统的应用能够 频繁快速地实现启动、制动及正反旋转i | 】，能在不小于2 0 的速比范围内平滑地 实现调速，并且能在直线往复运动中自动平稳地变换速度，在任一速度下换向时， 冲击电流也始终能够限制在允许值范围内等。在龙门刨床中使用s r d ，可以省 2 去减速器，从而简化结构，使操作更加方便，能有效地减少能耗和降低成本 6 在油田中的应用 目前，立式抽油机由于具有结构简单、冲程长、占地面积等优点，在油田上 得到了越来越多的应用。但现在的立式抽油机大都采用异步机拖动，采用机械换 向，具有结构相对复杂、冲程、冲次调节困难等问题，效率相对较低。 对立式抽油机应用开关磁阻电机进行改造后主要有以下几个方面的优点【，l ： ( 1 ) 减少对电网的影响。 ( 2 ) 效率高，节能效果好 ( 3 ) 改善运行工况，提高设备寿命，减少维修量。开关磁阻电机调速系统 用于抽油机的配套与改造，不仅结构简单、降低了电损、节省了操作人员的繁复 劳动，而且在设备的稳定性以及检修周期方面，都具有明显的优势。 ( 4 ) 可实现远程监控功能 ( 5 ) 结构简单，成本降低去掉原有机械换向机构，降低生产成本。 ( 6 ) 可任意调节抽油机的冲次，使抽油机的抽汲参数对不同油井而言更趋 合理，提高泵的充满系数，减少泵效，达到增长。 7 在煤炭工业中的应用 开关磁阻电机调速系统启动电流小、启动力矩大，并且可以频繁重载启动， 节能、维护也很简单，特别适用于煤炭工业中的矿井输送机、中小型绞车等。英 国在2 0 世纪9 0 年代已研制成功3 0 0 k w 的s r d ，用于刮板输送机，效果很好。 我国已研制成功1 1 0 k w 的s r m 用于矸石山绞车、1 3 2 k w 的开关磁阻电机用于 带式输送机拖动，良好的启动和调速性能受到工人们的欢迎。我国还将s r d 用 于电牵引采煤机牵引，运行试验表明新型采煤机性能良好。 8 在高速运行应用场合的应用 由于s r m 电机具有紧凑牢固的电机结构和简单的驱动电路，同时需要相对 低的开关频，所以在叠片性能好并且轴承也能够满足的条件下，开关磁阻电机可 以作高速传动与运行。 目前，美国、加拿大、埃及等国家都开展了对s r d 系统的高速性能的研制 工作，相信s r d 的高速性能必将是一个重要的研究和应用方向。 1 3 开关磁阻电机控制的国内外研究现状 我国中、小型电机“八五”、“九五和“十五 科研规划项目就已经将开关 磁阻电机控制系统的研究划入其中【s l 。2 0 世纪9 0 年代，很多公司为了达到最高 效率和质量的全自动均衡生产，不断地改善设计和制造水平。因此，很早以前的 一些靠装配与组合的计算机控制系统，逐步被新开发来的专用控制芯片和集成功 率器件所代替。同时随着国民经济建设的日益发展，机械化、自动化的程度在各 行各业中是越来越高，开关磁阻电机的推广和应用也就存在了巨大的潜在市场。 因此，同样也会使开关磁阻电机性能和适用性也不断地增强。 近年来，国内外对开关磁阻电机的研究已经取得了很大的进展，已显示出它 与其他电机在价格和可靠性等方面的明显优势，虽然开关磁阻电机的结构简单， 但是用来分析s r m 能量转换过程的数学方法却十分复杂，由于开关磁阻电机的 双凸极结构和脉冲供电方式以及磁路的严重非线性，实现对开关磁阻电机的有效 控制仅仅依靠电机学的一些传统理论和分析方法是远远不够。因此，研究开关磁 电机及其驱动系统无论是在理论上还是在工业应用中都具有重要的意义，目前国 内外对s r m 研究的热点主要有： 1 对s r m 设计理论的完善，这是由于开关磁阻电机磁路的严重非线性， 所以要实现对其性能的有效分析和计算就变得非常困难。目前对开关磁阻电机内 的饱和磁场的分析普遍采用的是二维非线性有限元分析方法l ，l ，这种方法是以路 为基础来设计，用场的方法来校核虽然它能够很好地利用导出的设计公式，可 以实现利用清晰的物理概念来体现设计变量与结果之间的关系，具有较强的经济 效应和准确性，但是利用场来校核的方法精度却还有待进一步的提高，同时也有 很多科学家开始了对s r m 的三维场的理论研究，力求建立一套高效率、高适用 性的优化设计方法。 2 探求建立s r m 静态或动态性能的仿真模型。目前对s r 电机的性能分析 方法有很多，但都还处于探讨阶段，一直都很难建立精确、实用的有效仿真模型， 现在已经有很多的学者在开始努力探索利用计算机辅助设计，实现s r m 智能化 模型建立的方向发展。 3 对提高开关磁阻电机的功率因数的研究。众所周知，作用于开关磁阻电 机定子上的径向力的大小直接决定了它的振动和噪声大小，因此如何减小作用在 s r m 定子上的径向力的大小成了问题的关键，从控制的角度来看，目前大多数 的学者都在研究如何尽可能调节好各相工作参数的对称性，而这个的关键就是优 化导通角、关断角及调节脉冲宽度。 4 对s r m 的铁芯损耗理论的研究。目前导致开关磁阻电机的电压和电流 的波形十分的复杂的原因有很多，但最关键是原因还是磁场的严重非线性，而定、 转子各部分铁芯中的磁通密度变化也完全没有规律可以遵循，因此要准确地计算 和测量s r m 定、转子铁芯损耗是十分困难的。因此如何建立准确、实用的铁芯 损耗计算模型以及有效地分析、测试方法也是目前国内外对开关磁阻电机研究的 主要热点之一。 5 对开关磁阻电机运行性能改善的研究。由s r m 的结构和运行方式可以 很容易看出，开关磁阻电机是一种电能一机械能转换装置，而这种装置又具有高 度的非线性，这主要是由于磁链对转子角和相电流之间存在着严重的非线性关 4 系，同样使得电磁转矩对角度和电流之间也存在着非线性关系，并使它们能够构 成非线性函数的关系【t o l 。目前国内外许多的学者为了提高s r m 的运行性能，从 不同的控制角度努力探索不同地解决方案，已经初见成效的是对s r m 的结构的 和对控制技术的改进，如有效的降低s r m 的转矩脉动可以通过增加每相对应的 定子凸极数目或者增加定子凸极宽度。 6 对开关磁阻电机转矩波动最小化技术的研究。开关磁阻电机运行中的转 矩脉动较大是其主要的缺点，限制了它在低速且要求平稳并有一点静态转矩保持 能力场合下的应用，因此如何使s r m 转矩波动最小成为了当今世界的主要研究 方向【1 众所周知，要使转矩波动最小就必须要能够获得最佳的绕组电流波形， 目前，虽然许多的控制理论尤其是智能控制理论在减小开关磁阻电机转矩脉动的 实际应用中已经有了一定的效果，但是离人们期望的效果还有很大的一段差距 随着控制理论和控制技术的不断完善和成熟，许多学者都在尝试着将各种控制理 论和控制方法结合起来，甚至也有些学者已经将新型的控制策略及分析方法融入 其中，将各自的优势充分的结合在一起，设计出算法简单、鲁棒性和自适应性都 较好的新型控制策略，使其能够有效地减小开关磁阻电机的转矩脉动，这些都已 经成为当今世界的主要研究方向另外，随着电力电子技术、数字信号处理技术 和计算机技术的飞速发展，如何利用硬件平台来实现新型控制策略也是目前研究 的热点之一。 1 4 开关磁阻电机的调速特性 众所周知，s r m 有一个能够使它得到最大转矩的最高转速即临界转速国。且 这个临界转速的是在最高电源电压和最大电流、最大磁链条件作用下产生的。在 这个临界转速以下时，开关磁阻电机的转速较低，反电动势小，开关磁阻电机工 作在恒转矩区，这时可以采用电流斩波控制( c u r r e n tc h o p p e rc o n t r o l ，c c c ) 实现对相电流的斩波限幅，也可以对相绕组外加电压的有效值进行电压斩波控制 ( v o l t a g ec h o p p e rc o n t r o l ，v c c ) 。 当s r m 在高于其转速范围运行时，在最高电源电压作用下，最大导通角为 = 叫n r ，如果此时正处于最佳的触发角条件下，过临界转速时将呈现出恒 功率特性，此时开关磁阻电机工作在恒功率区。在恒功率区，如果是在理想的线 性情况下，磁链和电流都将随着国，而变化，当国，增加时，磁链和电流反而会下 降，同时s r m 的转矩则随转速缈，的平方快速下降。这时可以通过角度位置控制 ( a n g l ep o s i t i o nc o n t r o l ，a p c ) 方式来有效地获取恒功率特性，即调节开关管 的大小来改变开通角、关断角的大小【幢1 。 当s r m 在超过临界转速下运行时，开关磁阻电机就有可能会出现“飞速 现象，这是因为此时的开关磁阻电机已经出现了串励特性或者说是基于串励的软 5 机械特性，但这两种情况都是无法控制的。此时的开关磁阻电机就只能应用于一 些串励有利的极其特殊的场所，像铁道机车牵引等。如图1 1 所示，目前为了有 效地防止这种现象的产生，基本上都使开关磁阻电机的最高额定转速控制在临界 转速虬这一点。 从图中很容易看出，转速、刀，为三个工作特性交接的临界转速，其中啊被 定义为开关磁阻电机的额定转速，它是能得到额定功率的最高转速，也是开关磁 阻电机恒功率特性的临界转速，亦称为第一临界转速；露：是恒功率特性的上限， 各种可控条件都已经达到了极限，如果此时转速再增加，输出功率也将快速下降， 这就使得开关磁阻电机的功率将大大低于额定功率，因此被称为第二临界转 速0 3 1 。因此临界转速，l - 、万，必定是开关磁阻电机运行和设计时需要重点考虑的两 个参数 采用不同的电源电压或者开通角、关断角的不同组合，两个l 瞄界速度啊、n 2 将对应不同的分布，此时只要能够在上述两个区域内分别采用不同的有效控制方 法，便能够得到满足不同需求的机械特性，这也进一步表明了开关磁阻电机确实 具有十分优良的调速性能。 r 图1 1 开关磁阻电机运行特性图 1 5 本文的主要研究内容 1 5 1 选题意义 2 0 世纪6 0 年代以前，调速系统一直都是以直流机组为主。2 0 世纪6 0 年代 中期，由晶闸管构成的v - m ( 晶闸管直流电动机) 系统逐步取代了直流机组 1 4 1 2 0 世纪7 0 年代中期，全球范围内的能源危机迫使世界各国投入了大量的财力来 研究调速系统。由于交流异步电动机技术比较成熟，人们将研究的重点放到变频 6 调速技术上2 0 世纪9 0 年代初，变频调速技术趋于成熟，并占据了调速市场的 主导地位i t s 2 0 世纪8 0 年代初，s r d 在全世界业界展开了大规模的研究与应用，s r d 作为新一代调速产品，具有高效、简单、可靠、调速范围宽、使用范围广、成本 低等一系列的优点，经过了2 0 多年的发展，s r d 技术已经基本成熟，相信s r d 最终也将取代直流调速、变频调速，成为调速市场的主力军之一1 1 1 但是s r d 是一个时变的、非线性、多变量的系统，其参数和结构都是变化的，尚未能够求 得其精确的数学模型，如何实现不依赖于开关磁阻电机数学模型的智能控制，提 高整个系统的性能指标，这也是一个非常值得研究的课题目前，能够有效地解 决很多棘手问题的方法主要是智能控制，因为它具有很强的自适应能力和自学习 能力，是一种典型的非线性控制 s a y e e d 提出的典型的模糊控制应用是自适应模糊控制策略，它能够使开关 磁阻电机的转矩脉动达到最小化该控制器的模糊参数的初始值被随机选取，输 入为位置、输出为相电流，并且能够实时的修改隶属度函数，从而使各相在最合 适的区域内导通，而且在运行过程中能够实时的调整来达到最优控制【7 1 由于 它不需要依赖于s r m 的先验知识，因此能够跟随开关磁阻电机的变化而实时的 变化，可以实现在线调整，鲁棒性较强；同时转矩在最低正转矩区域产生，这样 就不仅增加了转矩密度，而且避免了大电流峰值，使电机转矩脉动最小。但是由 于这个模糊系统是一个单输入、单输出的系统，所以如果给定发生变化时，由于 模糊系统没有记忆功能，控制器就不可能实时的调整控制系数，因此需要重新进 行学习。但当给定信号的转矩恒定时，权值却可以根据开关磁阻电机的运行条件 在线实时改变 针对单一的模糊控制器和神经网络控制器的不足，本文中将模糊控制与神经 网络控制相结合，充分利用神经网络的记忆能力来优化模糊控制，实现对开关磁 阻电机控制系统的离线学习。 鉴于上述分析，为了实现对开关磁阻电机的有效控制，本文首先将模糊控制 与具有学习速度快、较强的实时性，并已成功应用与机器人的控制中的小脑模型 神经网络( c e r e b e l l a rm o d e la r t i c u l a t i o nc o n t r o l l e r ，c m a c ) 相结合，利用小脑 模型神经网络来实现模糊推理，从而使传统神经网络中没有明确物理含义的权值 被赋予了模糊逻辑中推理参数的物理含义，设计模糊小脑神经网络( f u z z y c e r e b e l l a rm o d e la r t i c u l a t i o nc o n t r o l l e r ，f c m a c ) 控制器，并对其进行了仿真 对比分析，验证了该控制器的有效性；其次提出了基于模糊f c m a c 神经网络的 p i d 智能控制方法，并将该方法引入到开关磁阻电机控制系统中，实现了对开关 磁阻电机控制系统的有效的智能控制。 7 1 5 2 本文主要工作 本文的工作主要包括以下部分： 1 第一章，介绍了s r m 的发展概况、工业应用场合、国内外的研究现状， 、阐述了s r d 的调速特性 2 第二章，详细介绍了s r m 的数学模型以及s r d 的基本原理、特点，并 且与其他调速系统做了详细的对比分析，有效的证明了s r d 的优越性。 3 第三章，重点研究了改善开关磁阻电机性能的方法，详细介绍了s r m 的 常用控制方法：角度位置控制、电流斩波控制、电压斩波控制等，研究了开关磁 阻电机参数的最优化控制，阐述了s r m 的传统p i d 控制技术。 4 第四章，介绍了模糊控制、神经网络控制的基本原理，并在此基础上了 设计了模糊f c m a c 神经网络控制器，并利用m a t l a b 对该控制器进行了仿真 分析，验证了该控制器的有效性。 5 第五章，在第四章的基础上，设计了基于模糊f c m a c 神经网络p i d 的 s r m 的新型智能控制器，并将该智能控制器引入到开关磁阻电机控制系统中， 并在m a t l a b s i m u l i n k 环境下，建立了s r m 的仿真模型，完成了s r m 的动、 静态仿真，同时与传统的p i d 控制器做了仿真对比分析。 6 总结与展望。 第二章开关磁阻电机的基本原理 2 1 开关磁阻电机的数学模型 开关磁阻电机的结构和工作原理与传统的电机存在着根本的区别，它具有 双凸极结构( 凸极定子和凸极转子) 、定转子极数不同，并且开关磁阻电机的执 行元件是开关磁阻电机调速系统d z 开关磁阻电机的电磁转矩具有转矩磁阻 的性质，它的结构原则是转子旋转时磁路的磁阻要有尽可能大的变化因此，它 产生的磁拉力是遵循磁通总是沿着磁阻最小的路径闭合的原理【，- l 。 从本质上来看，如果不计磁滞、涡流及绕组间互感，对于m 相的s r m ，s r m 运行的理论也是一对电端口和一对机械端口的二端口装置，这与其他任何电磁式 机电装置的运行理论是没有区别系统如图2 1 所示： u b ：， 虬 i 口 一r 1 1 v ii r j 胖d t j i i 。 无损耗磁场系统 r 甲o ，0 ) 吨删b | d l甲。o ，口) j 暑 i几 r 卅 甲o ，一) o - d 甲n t 1 图2 1m 相开关磁阻电机系统示意图 目前，用于描述图2 1 中的微分方程有常见的电路方程、机械方程、机电联 系方程三种。s r m 转子及负载的转动惯量为图中的- ，负载转矩为疋，粘性摩 擦系数为d 。 2 1 1 电路方程 s r m 的第k 相电压平衡方程式为 玑：r + 孕 ( 2 1 ) 式中：u 。表示第七相电机绕组的电压；i t 表示第七相电机绕组的电流；r 。表示第 k 相电机绕组的电阻； 表示第k 相电机绕组的磁链。 一般地，、玉，。是绕组电流k 和转子位置角0 的函数，即 9 咒= 毗瓴，0 ) ( 2 2 ) 电机的磁链可用电感和电流的乘积来表示，即 v t = 厶瓴，秒k ( 2 3 ) 从式( 2 1 ) 可以得出 也= f ( 矾一r 。如 ( 2 4 ) 把式( 2 4 ) 与式( 2 3 ) 结合可以得出 缸= 詈= 去肌一i t r t ) t t ( 2 5 ) 2 1 2 机械方程 按照力学定律可列出电机转子机械运动方程，即 ，鲁= 杰1 1 乃一无一砌 ( 2 6 ) 式中国为转子角速度；，为转动惯量；兄为第，相的电磁转矩；砭为负载转矩； f 为阻尼系数；胁为电机相数 其中角速度为 一d o ：缈 ( 2 7 ) 一= 缈 k 厶- ，j 2 1 3 机电联