永磁交流伺服系统的智能PID控制模板

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武汉理工大学硕士学位论文

摘

要

伴随微电子技术、电力电子技术、 传感器技术、 永磁材料和控制理论发 展,

７０年代末期进入了伺服技术交流化时代。 相继开发出多种类型交流伺

服系统,并广泛用于自动化领域,在相当广泛范围内替换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主流。 在交流伺服系统控制中,依据经

典以 及多种现代控制理论提出控制策 略全部有一个共同问题,即控制算法依靠于

电动机模型。当系统受到参数改变 和扰动作用影响时,系统性能将受到影响,怎样抑制这种

影响一直是控制领

对象模型依靠,能够在处理有不正确性和不确定性问题中有可处理性、鲁棒 性,所以将智 域一大课题。多年来, 因为它能摆脱对控制

置控制,以实现含有一定自 适应能力高性能交流伺服系统。本论文关键做了以下工作。

首先分析永磁同时电 机工作原理, 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ＰＳ ＭＭ非线性、 强祸合

特点,利用矢量变换进行电机模型解祸,建立三种不一样（Ｗ． Ｗ, Ｗ） ＰＭ Ｓ

ＭＳＰＭ Ｐ Ｖ 变频方法下永磁同时电机位置环、 速度环、电流环三闭环控制系统并利用

Ｍｔａ／ｉｕｉ对其进行仿真研究。 ａｌｂＳｍｌ ｋ ｎ 从ＰＤ Ｉ控制本

身特点出发, 分析其优缺点, 介绍常规ＰＤ Ｉ 控制原理及其 参数整定方法和智能ＰＤ

Ｉ控制及其参数整定。 探讨生物免疫系统调整规律, 并对免疫系统复杂精细自

我调整机制进行

抽象和简化,得到免疫响应中调整机理。并把免疫系统和控制系统类比提出

一个新型免疫控制器。 该控制器把免疫控制器和常规 Ｐ ）控制和模糊推理结Ｉ Ｉ

合组成模糊免疫Ｐｌ 控制器,以改善控制性能。仿真结果表明,这种控制器和ｉ ｌ ） 常规 Ｐ Ｉ Ｄ控制相比,含有很好动态性能、抗扰动能力以 及较强鲁棒性能 且算法简单易实现,含有一定实用性。 , 关键词:永磁交流伺服系统,智能ＰＤＩ,免疫反馈,模糊免疫Ｐ Ｉ Ｄ控制
武汉理工大学硕士学位论文
Ａｂｔａ ｔ ｓｒ ｃ

ｍｎｏｍｃ ｅ ｃｏｉｔ ｈｉ ｅｐｗ ｒ ｔｎ ｓ ｎ ｕ, ｉｈ ｅ ｏ ｈ ｅ ｆ

ａｅｍ ｔｉ ａｄ ｔ ｌ ｅ ｏ ｅ ｎ ｕ ａｄ ｄａｃ ｎｏ ｅ ｎｎｍ ｇ ｔ ｅａ
ｎｃ ｒ ｎ ｒ ｑ ｎ ｈ ｃ ｅ ｍ ｆ ｍ －ｎ ａ ｒｌ ｏ ｏ ｎ ｔ ｏｙｓ ｖ ｔ
ｈｉｅ ｃｍ ｉｏ ａｅ Ｃ ｈ ｅｄ ０ ． ｄ ｏ Ａ ｈ ｒｅ ｏ ｎ ｕ ｈｄ ｅ ｔ ｇ ｏ Ａ ａｔ ｎ ｏ ７＇Ｋｎｓ Ｃ ｅ , ｅｑ ａ ｏ ｎ ｈ ｒ ｃ ｔ ｅ ｆ ｔ ｅ ｆ ｉ ｆ ｓｓ ｖ ｓ ｔ ｓ ｅ ｎ ｅ ｐｄ ａｐｅ ｔａｔ ａｏ
ｈｙ ｈｖ ｒ ｌｅ ｍ ｇｅｃ ｐ ｇ ｔｓ Ｄ ｓ ｖ ｍ ｔｄｖ ｘ ｎ ｔ ａｏ ｅ ａ ｄ ｎ ｔ ｓｐｉ ｍ ｏ ａｄ ｅ ｏ ｏ ｒｅ ｅ , ｌａ ｅ ｃ ａ ｉ ｔ ｎ ｏ
ｒｎ Ｃ ｅ ｓ ｐ ｅ ｒ ｏ ｒ ｉ ｓｓ ｍ , ｏ , Ｃｖ ｓｓｍ ｈｖ ｂｅ ｔ
ｍｉ ｔａ ｏｓ ｖ ｓｓｍ ． ｙｔ ｓｕ ｔｎｗ． ｅ ｏｔ ｓ ｅ ｎ ａ ｓｅ ｆ ｏ ｔ ｓ ｅ ｐ ｏ Ａ ｓ ｒｙ ｅ ａ ｅ ｈ ｎ ｒ ｍ ｅ ｙ ｅ ｅ ｒ

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ｉｅ ｆ ｔ ｏ ｏ ｆ ｔ ｒ ｔｉ ｔｓ ｕｎｅ ａ ａｓｎ ｉ ｐ ｂ ｍ Ｉ ｒ ｅｔ

ｒｉｉａ ｏ ｒｎ ｉ ｅ ｈｓ ｙ ｂｅ ａ ｒ ｌ ． ｅｎ ｙ ｓ ｔ ｎ ｅａ

ｈｎ ｃ ａ ｌ ｓ ｉ ｆ ｌ ｗ ｅ ｂ ｏ ｅ ｎ ｇ ｃ ｅ, ａｓ ｉ ｖ ａｌｔｎ

ｔｔ ｏｔｎ ｌ ｅｔ ｔｌ ｃ ｉｔ ｅ ｓ ｉ ｓ ｉｏ ｓｖ ｎ ｉｂ ｒ ｄ ｉｐｒ

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Ｍ＇ｎｎｎａｔａｄ ｙ ｐｎ ｂｉｓ ｅ ｅ ｌ ｐ ｓｓｍ ｉ ｎ ｔ ｓ ｌｅｉ

ｎｈ ｍ ｇ ＭＳ ｏｉ ｒｙ ｉ ｃｕｌｇ ｌ ｔ ｅ ｃ ｓｏ ｓ ｅ 咖 ｏ ｉ ｕｄ

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ｅｅ ｎ ｋ ｄ ｈ ｈ ｕ ｓ ｉｏ ｏ , ｌａｄ ｒ ｔ ｗｔ ｔ ｅ ｄ ｒ ｔ ｓ

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ｃｎｅｉ （ ｆ ｕｎｙ ｖｒｏ Ｐ ｒ ｅ ｏ ｓｎ ＷＭ, ＳＷＭ, Ｐ） ｕｉ

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ｌｓ ｔ ｏｈ ｒ ｌ ｅ ｏ ｏ ｙｅ ｏ Ｂｓ ｏ ｔ ｈｒｔｉｉ ｏＰＤ ｔｌｈ ｐｐｒ

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ｔｅ ｉ, ａｄ ｅ ａ ｅｓｃ ｆ ｏ ｒ , ａｎ ｙ ｔ ｌｉ ｅｔ ｅ ｎ ｉ

ｓ

ｉｒｕ ｓ ｅｔｎ Ｐ ｃ ｔｌ ｃ ｌ ａｄ ａｍ ｔｓ ｌｉｍ ｔ ｄ ｎｏ ｃ

ｃｎｎｏａ Ｉ ｏ ｒ ｐｎｉｅ ｎ ｉｐｒ ｅｒ ｅ ａｎ ｅｏｓ ｔｄ ｅ ｏｖ ｉ ｌ ｎｏ

ｒｐ ｓ ｔ ａ ｅ ｒ ｕ ｔｇ ｈ ． Ｄ ｉ ｓ ｇ

Ａｄ ｏ ｒ ｕｅ ｔ ｉｅｉ ｎ Ｐ ｃｎ ｏ ｐｎｉｅ ａｄ ｐｒ ｅ ｒ ｎ ａ

ｉｏ ｃｓ ｎ ｌ ｅｔ ｏｔ ｌ ｃ ｌ ｎ ｉ ａ ｍ ｔｓｌ ｎ ｄ ｓ ｔ ｈ ｔｌ

ｅ ｇ Ｉ Ｄ ｒ ｒ ｐ ｓ ｔ ａ ｅ ｉ ｓ ｒ ｕ ｔｇ ｈｄｅ ｌｉ ｍ ｔ ｓ ｇ

ａｎｅ ｏ ． Ｔ ｉｐｐｒ ａ ｈｓ ｅ ｂｃ ｌ ｆ ｏ ｃｉｍ ｎ ｓ ｅ ａｓａ ｓ

ｒｅ ｃｅ ｔ ｆ ｄａｋ ｏ ｂ ｌ ｉ ｌ ｕｅ ｔ , ｒｔ ｈ ａｅ ｅ ｒ ｓ ｓ ｈ ｅ ｅ ａ ｗ ｉ ｇ ａ ｍｏ ｙ ｍ ｂｔｃ ｓ ａｄ ｐｆｓ ｃ ｐｃｅ ｓｆｅｕｔｇ ｃａｉ ｏ ｉｍ ｎ ｓ ｔ ． ｓ ｎ ｓ ｌｉ ｔ ｏｌａ ｄ －ｇｌｉ ｍ ｈｎ ｍ

ｔｆ ｄａ ｍ ｃａｉ ｏ ｉｍ ｎ ｒ ｐｎｅ Ａ ｄ ｋｓ ａａ ｇ ｂ ｉ ｈ ｅ ｂｃ ｅ ｎ ｍ ｍ ｕｅ ｏｓ ｎｍ ｅ ａ ｎｌ ｙ ａ ｓ ｅ ｋ ｈ ｓ ｆ ｅ ｅ ｓ ． ａ ｎ ｏ ｂｔｅ ｉｍ ｎ ｓｓｍ ｄ ｔｌ ｅ , ｏｅａ ｉｍ ｎ ｃｎ ｏｅ Ｔ ｉ ｅ ｅ ｍ ｕｅ ｔ ａ ｃｎｏｓｓｍ ｐ ｐｓ ｎｗ ｕｅ ｔ ｌｒ ｈ ｗ ｎ ｙ

ｎｌ ｃｎｏａｄ ｙ ｒ ｃ ｕ ｙｍ ｕｅ ｏｔｌｒ ｉ ｓｖｎｏａＰ ｏｔｌ ｆ ｚ ｉ ｅ ｎｅ ｚ ｉ Ｉ Ｄ ｒｌｏ ｎ ｏ ｉ Ｉ ｍ Ｄ ｒ ｎ ｕ ｎ ｅ ｚ ｆ ｔｍ
ｋｕ ｆ ｚ－ ｍ ｎ Ｐ ｃ ｔｌｒ ｓ ｔｉｐ ｖ ｔ ｃｎｏｐｒｒ ａ ｅ ｏ ｅ ｕ
ｙｍｕｅ ｏ ｒｌ ｉｕ ｄ ｍ ｒ ｅ ｏｔｌ ｏ ｎ ． ａｐ ｉ ｚ Ｉ ｎｏｅ ｓ ｏ ｏ ｈ Ｄ ｅ ｅ ｒ ｅ ｍｃ ｆ Ｓ ｕ ｔｎ ｕ ｓ ｏｓａ ｔ ｔｔｓ ｔ ｈｓ
ｕａｃ ｒｅｔｎ ｌ ａｄ ｈｒ ｕ ｎｓｃｍ ａ ｄ ｏｖｎｏａｔｎｅｄ ｔｂｎｅ ｃｏ ａｉｙ ｈ于交流永磁同时电机交流伺服系统作了深入研 究,尤其是对基于光电编码
器获取速度反馈伺服系统做了大量智能控制仿真研究。 针对永磁交流伺服系统参数时变
和高度非线性,
本文基于生物免疫系统调整机制提出将一个新奇免疫控制器应用于永磁交流伺服系统速 度控制,从系统静、动态性能, 抗千扰性、鲁棒性等方面观察比较采取免疫
控制器后系统性能。关键内容以下: （） １分析永磁同 机工作原理, 步电建
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
ＰＳＭＭ非线性、 强祸合
特点, 利用矢量变换进行电机模型解藕, 建立三种不一样（Ｗ． ＰＭ ＳＰＭ ＰＭ
ＳＷ, ＶＷ）

变频方法下永磁同时电机位置环、 速度环、 电 流环三闭环控制系统并利用

Ｍｔａ／ｉｌｎ 对其进行仿真研究。 ａｌ Ｓ ｕｉｋ ｂ ｍ （）Ｉ 控制本

身特点出发, ２从ＰＤ 分析其优缺点, 介绍常规ＰＤＩ 控制原理

及其参数整定方法和智能ＰＤＩ 控制及其参数整定。 （） ３ 探讨生物免

疫系统调整规律, 并对免疫系统复杂精细自我调整机 制进行抽象和简化,得到免疫响应中

调整机理。并把免疫系统和控制系统类

武汉理工大学硕士学位论文

比提出一个新型免疫控制器。 该免疫控制器把免疫控制器和常规 Ｐ 控制和 Ｄ Ｉ模

糊推理结合组成模糊免疫Ｐ 控制器, ｍ以改善控制性能。 仿真结果表明, 这种控制器

和常规Ｐ ） Ｄ 控制相比,含有很好动态性能、抗扰动能力和较强 鲁棒性能,且算法简单易

实现,含有一定实用性。

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第２章永磁同时电机模型及矢量控制技术

系统中应用当属矢量控制理论。此理论自 诞生之日 起就受到大家广 高性能同时电 动机控制需要现代控制理论支撑,前使用最广泛并已在实际

ｑ

系, 消除ＡＣ坐标系中电 以 Ｂ 压方程是带有周期性变系数微分方程给求解带来 麻

烦。 本章作为后续内 容知识准备, 将具体推导相关永磁同动机数 步电 学模型并介绍矢

量控制相关知识。

２． １永磁同时电机基础方程

三相永磁同时电 动机是由 绕线式同时电动机发展而来, 它用永磁体替换了

电励磁,从而省去了励磁线圈、滑环和电刷,其定子电流和绕线式同时电动机基础相同,输

入为三相对称正弦交流电,故称为三相交流永磁同时电动机。 交流永磁同时电动机是由定

子和转子组成,定子结构形式和感应电动机 一样由导磁定子铁芯和导电三相绕组

以及固定铁芯用机座和端盖等部件 组成。 转子用永磁材料制成,采取合适几何结构,使磁

势波形靠近空间分布

正弦波。 定子通以 位相差１ ０ 三相正弦交流电 定 当相 ２ ０ 时, 子产生空间

匀速旋
转磁场,磁场旋转速度和定子正弦波频率相关,定子将接收电能转换为
旋转磁场。定子磁场和转子磁场相互作用产生推进转矩,使转子旋转,完成
电机 能到 械能 化【 ［ 转 ２３ ６１ ］
ＰＳ Ｍ Ｍ定子和一般电 励磁三相同 步电动机定子是相同。 假如永磁体 产生 应电 （ 动势 和励 感 动势 反电 ）磁线圈 产生 应电 感 动势一 也是正弦, 样, 那么ＰＳ Ｍ Ｍ数学模型就和电 励磁同时机基础相同。 为使分析简化起见, 作如下假设:
（） 饱和效应忽略不计; １
（） 感应反电势呈正弦分布; ２
（） 不计涡流和磁滞损耗; ３
（） 励磁电流无动态响应过程; ４（ ） 转子上没有励磁绕组。 ５
武汉理工大学硕士学位论文这么能够得到图 ２１所表示永磁同时电动机等效结构坐标图,图中 － Ｏ ,

．Ｂ,

图２１永磁同时电动机等效结构坐标图 －
永磁同时电动机运动方程为:
ＪｍＴ 不 ｄ一 一 ． ｄ ｔ

, 一折算到电机轴上总负 矩（＇

场和电流控制。交流永磁电动机物理方程为: ０ｏ 凡 召 ０ ｏ 凡 Ｕ －｝０ 。 Ｒｃ Ｕ
．肠肠
＋
』‘
ｄ
．．

幼
气
月
．

．

． ． ． ． ． ． ． ． ． ．

Ｌ
劝
Ｂ
．． ． ． ． ． ． ． ．

．

（－） ２２
Ｊ
劝

Ａ
, , ．． ．

．． ． ．

ｒ
,
劝
Ｂ
．． ． ． ｔ
卫卫
．．

ｃｓ ｏ ｏ
．‘ ． ．

ｃｓ２ ｏｌ０ ｃｓ ｏｏ
．

ｒ．

．气
, ．． ． ． ．

尸． ． ． ． ． ． ． ． １ ． ．

,
ｃｓ ｏ ０
．． ． ． ． ． ． １ ． ． ． １ １ ． ． ． ．

．

ｃｓ ０ ｏ２ ０ ４
ｔ． ． ． ．

ｃｓ２ｏ ｌ０
１． ． ． ． Ｊ
和
．１ ． ． Ｌ
＋
１． ． ． ．

劝
Ｃ
．．

ｏ２ ０ ４ ｃ ｓ ２ ＇ ｃ ｓ ０ ｏ１０ ｃｓ ０ ｏ
．

．

Ｌ
ｃｓ一 ２ ｏ（ １０） Ｂ ｃｓ 一 ４－ ｏ（ ２０）Ｂ 子
劝
（－） ２３
其中:

Ａａ 。 ,ｌ磁链; Ｒ＝Ｂ ＝ ; ＡＲＲ Ｒ ｃ ｏ是 子 场 等 磁 : ｆ转磁 效 链
０为转子轴线和定子Ａ相绕组轴线夹角电气角度。

交流永磁电动机转矩方程为:
‘气
卜
Ｐ
肠?枯
兰
ｃｓ ｏ ６
ｄ６ｃｓ 一２０ｌｒ ｏ０ １ ） （ ０ ｉ ｐ
ｃｓ一 ４０ ｏ（ ２０ ０ ）
（－２４） 其中Ｐ为电 。 机极对数。
２． ２交流电机矢量控制
２．．１矢量控制思想提出 ２ 由 转达式为Ｔ Ｔ Ｉ Ｃ为 直流电 动机 矩表
－９ ．（Ｔ 转矩常 可知,电矩 ＣＰ Ｎ 数） 磁转 兀 别 制电 流Ｉ 磁 Ｎ 它 之间成９。

角交关 各自 立, 分控 枢电 ． 通Ｔ, 们互 ０ 直 正 系 独 和
在电路上互不影响, 转矩控制轻易实现,这也是直流电动机调速性能好根本原因。

不过, 用一样理论和方法来分析、 设计交流调速系统时就不那么方便了。

由前文分析中能够看出, 交流电动机数学模型和直流电动机模型相比有着本质区分, 它是一个高阶、非线性、 强藕合多变量系统,这使得调速系统调整器参数极难正确设计,系统动态性能不理想。又因为交流电动机 磁 通矢量Ｆ ． Ｆ 全部在空间以同时速度旋转,

Ａ凡 Ｉ Ｂ 凡 相互相对静止, 欲控制转矩, 必须控制任两磁通矢量大小和相对位

置。通常变频调速系统控制量是交流

电动机 子电 幅 和 定 压 值 频率（ 压 制型 或定 流幅濒率 电 控制 电 控 ） 子电

值和（ 流 型, ）它们全部是 标量, 称为控制 故 标量 系统。 量控制 在标 系统中,

按电机 只能 动

稳态运行规律进行控制,不能控制任意两个磁通势矢量大小和相对位置,

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, 必需对定子电流或电压实施矢量控制, 既控制大小,

又控制方向。一个矢量通常见它在直角坐标系上两个分量来表示。交流电机

矢量（全部 磁通势、 磁链、 电 压、 电 全部在空间以同流） 步速旋转,它们在定

子坐标系 静止系 上 量,即子绕组上 （ ） 各分 在定 物理量全部是交流 控制和计量,

算不方便。 助于坐标 籍借 变换, 将三相交机 流电 变换成 ｄ 机, 可和－ ｑ电 进而

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

２．．２矢且变换 ２

矢量控制中所用坐标系有两种: 一个是静止坐标系, 一个是旋转坐标系。

其绕组轴线分

别为式ＢＣ 彼 互差１ 空间电 度, , 此, ２０ 角 图２ 示, 矢一所 某 量巧

三坐 在 个 标

轴上投影分别为Ｖ, Ｃ代表了该矢量在三个绕组上分量。 ＡＶ, ＢＶ,

（） 子坐标系 ａ , ）两相对称 通以 ２ 两相定 （ － 轴系 ６ 绕组 两相对称

电亦 流,

产生旋转磁场。 对一个矢量,数学上常见两相直角坐标系来描述,故定义一个

两标系 。 尹 ） 它ａ 和三相定子坐 相坐 （ 一 轴系 , 轴（见图２

）－, ２

它ｆ 超 ａ ０ 图 Ｖ 玲 矢 在 －坐 系 投 。 于 轴 轴前 轴９, 中, 为量巧

。１ 标 影 由 。 ｉ ０ ６

和Ａ轴固定在定子Ａ相绕组轴线上, 这两个坐标系是静止坐标系。

（转子 （ｑ ） 坐 ３ ） 坐标系ｄ 轴系 转子 标系固 －定在转子上, 其ｄ

轴在轴 转子

线ｑ 超 轴９ , 坐系 转 一 在 间 转 角 度 转, 上, 轴前ｄ ０ 该 标 和 子 起

空上以 子 速 旋 故 ０

为旋转坐标系。

（）坐 （－轴系 定向 标系ＭＴ ） 坐标系Ｍ轴固定 ４定向 在定向 磁 链矢

量上, Ｔ轴超前Ｍ轴９ , 标系磁链矢量一 ０ 该坐 和 ｕ 起在空间同 步旋转,由于Ｍ轴

在

磁链轴上, 又称为定向磁链轴, 而和Ｍ轴垂直Ｔ轴上定子电流分量只产生

电磁转矩,又称为转矩轴。

变换到另一坐标系标准是,在不一样坐标系下所产生磁动势完全一致。

（） 静止坐标系间矢量变换 １

武汉理工大学硕士学位论文

一个旋转矢量从三相定子坐标系（－－ ＡＢＣ坐标系）变换到定子两相坐标

系

（一 坐标系） 称为 Ｃ Ａ Ｋ变换或 ３ 变换,称其反变换为Ｃ Ａ Ｋ反变 ａ刀 , ＬＲ

／２ ＬＲ

换或２ 变换。 ／ ３

图２－ ２ 定子坐标系

且考虑变换前后总功率不变,经过计算若为 平衡系统Ｖ＋Ｂ 二０ , 三相, Ｖ＋

, ＶＣ

可以得到:
阳
一坦行
生２ 行
匡队 队
（－２５）
同理能够推导出其逆变换为
屹几 Ｋ
厄 朽
１｛２ １ 一２
１
阵匹
（－）２６ 可以得 出
卫
１｝２边 ２
（－） ２７
武汉理工大学硕士学位论文
（－８） ２
对于各相绕组电流和磁链,也有一样变换,且变换矩阵和电压变换矩
阵完全相同。 （） 两相坐标系间矢量变换 ２
一个旋转矢量从两相定子静止坐标系（ 一 坐标系） ａ刀变换到定子两相旋
转坐标处理有不正确性和不确定性问 题中有可处理性、鲁棒性,所以将智能控制引入交流
伺服控制成为一个肯定趋势。 智能控制理论是自 动控制学科发展里程中一个崭

新阶段, 和传统经典、

现代控制方法相比,含有一系列独到之处。首先,它突破了传统控制理论中必

须基于数学模型框架, 不依靠或不完全依靠于控制对象数学模型, 只按实

际效果进行控制。其次,继承了人脑思维非线性,智能控制器也含有非线性特征;同时,

利用计算机控制便利,能够依据目前状态切换控制器结构,

用变结构方法改善系统性能。在复杂系统中,智能控制还含有分层信息处理和决议功

效。所以,智能控制也被成为继经典控制和现代控制以后第三代自 动控制技术〔Ｄ ｌｌ ｏ

变参数和非线性等不利原因,能够提升系统鲁棒性。目 前智能控制在交流伺

服系统应用中 较多, 包含: 教授控（ｘｅ Ｃｎｏ 、 控制、 自 控 制 Ｅｐ ｔｌ

模糊ｔ ｒ ｏｒ） 学习

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智能控制

手段,以消除参数改变和扰动影响。 （） 教授系统及教授控制 １

识表示、 搜索策略 , ）关键是以 教授系统形式得到实际应用。 通常认为: 教授教授系统是人工智能 应用领域一个关键分支, 人工智能理论和方法（如 知

数据、 波形特征等作为目前事 实,和控制规则相匹配,从而得到控制量。控制

规则表现是教授专门只是和经验,为了使控制器能伴随对象特征改变自动调整控制参数,不

停改善系统性能,通常还能够给她设置学习步骤。 目 经开始将教授控制应用于

快响应电前,大家己气传动系统研究。

（）模糊控制 ２

模糊控制是利用模糊集合来刻画大家日常所使用概念中模糊性,使控

制器能更逼真地模拟熟练操作人员和教授控制经验和方法,它包含正确量模糊化、 模

糊推理、 模糊判决三部分。 模糊控制系统基础结构包含: 模糊化接口、

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模糊推理机、模糊规则库、 非模糊化接口 多个部分。 模糊控制最大优点是它不依靠

被控对象正确数学模型,而且能克服非

线性原因影响,对被控对象参数改变不敏感,即含有较强鲁棒性,所以它是处理不确定性系统控制一个有效路径。 但它对信息进行简单模糊处理 会造成被控系统精度降低和动态品质变差。为了提升系统精度则肯定要增 加量化等级,从而造成规则快速增多,所以影响规则库最好生成,且增加
系统杂性和 复 推理时间。 此通常全部需要和 控制方法相结如和 控 因 其它 合（ 滑模 制结合） 才能取得优良 , 性能１［１１ ２３ １１
（） 神经网络控制 ３
神经网络则是多个神经元经过互联组成网 络,常见神经网络交接结构有包含无反馈前向多层网络、 有反馈前向多层网络、层内有互联多层前馈网
络、任意元可能有连接相互结合型网络等。

神络 包含: 存放是分布式使得网 特点 经网 信息 健 络含有很强 容 信息
错性、 鲁棒性和联想记忆功效 ; ）含有自 适应性和自 组织性（ 起源于连接多 样 性极
连接强可塑性 ; 度） 采取并行处理方法 这使得处理 （ 速度变得很优越）; 层次 （ 性 这是由 络 联结 定 。 网 互 构决）
学习控制是对系统运行未知信息进行学习,并把学习信息作为一个经验利用到未来决议和
控制之中去。 学习控制对于含有可反复性运动工业机器人、数控机床等被控对象有
着 广泛应用前景,而它们又全部包含有多个满足一定动、静态性能指标位置伺
服系统。所以, 研究位置伺服系统学习控制含有一定经典性。不过应该指 出,学习控
制本身不能克服系统随机千扰。通常来说,自学习控制也常是和
其它控制方合在一 ［。 法结 起１ 比如,目４ １ 前模糊 控制 个引 注目 研究 一
人 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一个过渡。

（） 估计控制 ５
估计控制将人类能经过对未来情况把握来确定目前行动能力引入了控

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制领域。在控制领域,怎样合适地利用未来信息,并所以而提升控制系统性能方面,己经在理论上取得了很多引人注目标进展。

在机器人、数控机床等机电 领域中, 能够利用未来目标值等未来信息情 况是很多。 在这种情况下,依据目前目标值,和未来目标值和未来外部干 扰等信息来共同 确定目前控制方案,无疑是一件很有价值思绪。估计伺服 系统就是期望经过对目 标信号及干扰信号未来信息利用来改善系统控制性能。 从结构上来看,采取估计控制伺服系统就是在采取通常控制策略伺服系统上加一个利用未来信息前馈估计赔偿步骤所组成。所以,可望使系统在保持原有稳定性和鲁棒性同时,经过对未来信息利用使得系统性能
指标得到深入地改 １ 善［ ５ １
１． ３人工免疫控制研究现实状况
近代计算机科学技术发展显著特点之一是和生命科学相互交叉、相互 生命科学尤其是生物学发展为计算机科学发展提供了很多新方法和新 渗透日 益亲密。

当今科学研究领域内一个关思绪。键研究方向,并取得了很多举世瞩目标研究目前,针对生命科学和计算机科学交叉领域研究已

基遗传 １ ７ １ 等。

生物免疫系统是生物体赖以生存基础保障,它是自 然进化演变结果。 从计算机科学角度来看, 生物免疫系统能够看作是一个含有高度并行处理能
力分布式、 自 适应和自 组织 ［。 物免 是 系统１ 生疫学 在对生 ８ ］ 物免疫系 统研究
基础上发展并逐步形成一门较为完整学科。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多种机体功效和特征行为进行数学建模,方便愈加轻易地分析和解释这些生物免疫现象内在机理。其次,生物免疫系统含有很强学习、

这些能力正是智能性计算机系统所需要。所以,生

统中取得了部分关键启示和借鉴,而且将其应用于处理计算机工程应用中部分用通常方法

难以处理复杂问 人工免疫系统（ｒ ｉａ Ｉｍ ｎ 题。 Ａｉ ｉ ｍ ｕｅ ｔ ｃｌ ｆ

ＳｓｍＡＳ 是利用生 疫系 工作原 ｙｅ , ）ｔ Ｉ正 物免 统 理,以生物免疫 学基础

概念和理

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论为基础面向应用计算机模型,是将生物免疫学相关原理和概念和计算机

科学相结合产物［ ［ １ ９ １ 人工免疫系统继承了生物免疫系统很多优良 特

征,这些特征使得人工免疫系统很快 成为学术界 研究热点, 并成为计算智能研究一个崭

新分支。

, Ｔｎ ｃｏ ｏＥｏ ｔｎ ｙ ｐｔｉ 很多 ｕｏ ｒ ｏ ａＥ ｒ ａｉ ｎ ｕｏ ｒ

ｏａ ｙ ｏ Ｅ ａ ｏ 国际期刊将人工免疫系统作为关键议题。 ０１ 在２０ 年和２０ 年Ｉ

Ｅｎ ｃｏ ０２ Ｅ Ｔ ｓ ｔｎ Ｅ ｒ ａｉ ａ

ｏＥｏｔｎｙ ｐｔｏ ｎ ｌｉａ Ｃｍ ｕｔｎ还相继出 人疫系统 ｖ ｕｏ ｒ ｏ

Ｃｂｒｔｓ ｙｅ ｅｃ 国际会议从 １９ ｎｉ ９７年开始每十二个月组织专门人工免疫

系统研讨会, 还有 Ｇ Ｃ ＯＧｎｔ ａ Ｅｏ ｔｎ ｙ ｍ ｕ ｔｎ ｎ ｒｃ , ＣＣｎｒｓ

ＥＣ （ｅｅｃ ｖｌｉ ａ Ｃ ｐｔｉ Ｃ ｆｅ ｅ Ｃ （ｏｇｓ ｉ ｎ ｄ ｕｏ ｒ ｏ

ａｏｏ ｅ ｎ ） Ｅ ｅ

ｏＥｏｔｎ ｙ ｐ ａ ｎ ｎｖｌｉ ａ Ｃｍ ｕｔ ） ｕｏ ｒｏ ｔ ｏ 等国际会议也将人

工免疫系统作为ｉ 讨论 专题之

一。２０ ０２年 ９月在英国 Ｋｎ 大学还成功召开了 ｅｔ第一届人工免疫系统国际学

术议Ｉ Ｒ （ｔ ａ ｎ ＣｎｒｃｏＡｔｃｌ ｎＳ ｔ ｓ０会 Ｃ Ｉ１ Ｉｅ ｔ ａ

ｏｅｎｎ ｉ Ｉｍ ｅ ｍ）１ Ａ Ｓ ｓｎｒ ｉ ｌ ｅｅ ｒｉ ｍ ｕ ｙｅ ［＜

ｔｏ ｎ ｆ ｉａ ｆ ｓ ２

结合工程实际应用提出人工免疫系统尤其适合于处理含有鲁棒性、自 适

应性和动态性要求实际工程应用问 题。 免疫响 过程控制存在很大相同 应和 之处,我们能够把生物体看成被控对象,把抗原入侵和内部细胞突变看成各类干扰,把免疫系统看成控制器,这么免疫响应就类似和一个对干扰控制过程。 但免疫系统控制对象远比工程中对象复杂,免疫控制效果比实际
过程控制效果更稳定、协调、 鲁棒。 免疫响应自 适应性、 协调性、 鲁棒性、 对未知环境适应能力吸引了过程控制领域教授注意,免疫响应这些特点是过程控制尤其是复杂、 存在未知千扰对象控制所追求。下面就是人工免疫
系统在控制中部分应用。

（） １ 基于对异物快速反应和快速稳定免疫系统免疫反馈机理可用于发 展有效反馈控制系统, 基于Ｔ细胞免疫反馈控制规律设计自 调整免疫反馈
控制器, ２］Ｐ型免 文［ 用 １ 疫控制器和 一个增量模 块组成免疫控 制器建 模 立了

控制性能优于常规控制器。 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控制中,结果表明 其
用到一个多机器人系统控制结构中２ ［ ２ １
（） ３ 基于细胞选择说和独特征网络学说控制机理, 利用生物免疫系统
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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

４基于局部记忆和网 络结构学说应用于

定Ｕ １ 直升 Ｈ 垂直 机盘旋模 型。

除控制领域外, 人工免疫在其它领域如机器人、故障检测和诊疗、 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

成功应用。

１． ４论文关键内容

本论文源自８３６ 项目《 高响应直线电 机和伺服控制器研究和开发》本文

, 是在此项目基础上,对基于交流永磁同时电机交流伺服系统作了深入研 究,尤其是对基

于光电编码器获取速度反馈伺服系统做了大量智能控制仿真研究。 针对永磁交流伺服系

统参数时变和高度非线性,本文基于生物免疫系统调整机制提出将一个新奇免疫控制器应用

于永磁交流伺服系统速 度控制,从系统静、动态性能, 抗千扰性、鲁棒性等方面观察比

较采取免疫控制器后系统性能。 关键内容以下: （） １分析永磁同 机工作原理,

步电建立其数学模型, 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ＰＳ ＭＭ非线性、 强祸合

特点, 利用矢量变换进行电机模型解藕, 建立三种不一样（Ｗ． ＰＭ ＳＰＭ ＰＭ

ＳＷ, ＶＷ）

Ｍｔａ／ｉｌｎ 对其进行仿真研究。 ａｌ Ｓ ｕｉｋ ｂ ｍ （）Ｉ 控制本

身特点出发, ２从ＰＤ 分析其优缺点, 介绍常规ＰＤＩ 控制原理

及其参数整定方法和智能ＰＤＩ 控制及其参数整定。 （） ３ 探讨生物免

疫系统调整规律, 并对免疫系统复杂精细自我调整机 制进行抽象和简化,得到免疫响应中

调整机理。并把免疫系统和控制系统类

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比提出一个新型免疫控制器。 该免疫控制器把免疫控制器和常规 Ｐ 控制和 Ｄ Ｉ模

糊推理结合组成模糊免疫Ｐ 控制器, ｍ以改善控制性能。 仿真结果表明, 这种控制器

和常规Ｐ ） Ｄ 控制相比,含有很好动态性能、抗扰动能力和较强 鲁棒性能,且算法简单易

实现,含有一定实用性。

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第２章永磁同时电机模型及矢量控制技术
高性能同时电 动机控制需要现代控制理论支撑,目前使用最广泛并已 在实际系统中应用当属矢量控制理论。此理论自 诞生之日 起就受到大家广
泛重视。 控制需 矢量 要使用 正确电 动机数学 模型, 在分析中采取ｄ 坐标 通常 ｑ
系, 消除ＡＣ坐标系中电 以 Ｂ 压方程是带有周期性变系数微分方程给求解带来 麻烦。 本章作为后续内 容知识准备, 将具体推导相关永磁同动机数 步电 学模型并介绍矢量控制相关知识。

２． １永磁同时电机基础方程
三相永磁同时电 动机是由 绕线式同时电动机发展而来, 它用永磁体替换了
电励磁,从而省去了励磁线圈、滑环和电刷,其定子电流和绕线式同时电动机基础相同,输
入为三相对称正弦交流电,故称为三相交流永磁同时电动机。 交流永磁同时电动机是由定
子和转子组成,定子结构形式和感应电动机 一样由导磁定子铁芯和导电三相绕组以及固定铁芯用机座和端盖等部件 组成。 转子用永磁材料制成,采取合适几何结构,使磁
势波形靠近空间分布

匀速旋
转磁场,磁场旋转速度和定子正弦波频率相关,定子将接收电能转换为
旋转磁场。定子磁场和转子磁场相互作用产生推进转矩,使转子旋转,完成
电机 能到 械能 化【 ［ 转 ２３ ６１ ］
ＰＳ Ｍ Ｍ定子和一般电 励磁三相同 步电动机定子是相同。 假如永磁体 产生 应电 （ 动势 和励 感 动势 反电 ）磁线圈 产生 应电 感 动势一 也是正弦, 样, 那么ＰＳ Ｍ Ｍ数学模型就和电 励磁同时机基础相同。 为使分析简化起见, 作如下假设:

（） 励磁电流无动态响应过程; ４（ ） 转子上没有励磁绕组。 ５
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这么能够得到图２１所表示永磁同时电动机等效结构坐标图,图中 － Ｏ , Ｂ, Ｃ为三相定子绕组轴线, ＡＯ Ｏ 取转子轴线和定子Ａ相绕组轴线 电气角度为０．