一种时间最优参数自调整模糊矢量控制方法的研究

书书书第２５卷第１期Ｖｏｌ．２５Ｎｏ．１控　制　与　决　策犆狅狀狋狉狅犾犪狀犱犇犲犮犻狊犻狅狀２０１０年１月　　Ｊａｎ．２０１０收稿日期：２００９０３０３；修回日期：２００９０５２１．基金项目：重庆市教委应用基础研究项目（ＫＪ０９０４２７）；总装备部国防预研基金项目．作者简介：徐凯（１９７０—），男，重庆人，教授，从事自动化、机电系统的智能控制等研究．　　文章编号：１００１０９２０（２０１０）０１０１５３０４一种时间最优参数自调整模糊矢量控制方法的研究徐　凯（重庆交通大学信息科学与工程学院，重庆４０００７４）摘　要：针对某卫星发射场活动勤务塔电气传动控制系统非线性、时变、难以精确建模等问题，提出一种时间最优参数自调整模糊控制方法．该方法采用ＢａｎｇＢａｎｇ控制改善系统动态性能，用参数自调整的自适应解析模糊控制改善系统稳态性能，实现高精度控制．由于在控制过程中的不同阶段采用不同的控制方式，既继承了ＢａｎｇＢａｎｇ控制动态性能好，同时又具有无静差的优点．仿真实验表明，该控制系统动态性好、稳态精度高，且鲁棒性好，能满足电气传动控制系统的要求．关键词：ＢａｎｇＢａｎｇ控制；细调解析模糊控制；参数自调整；电气传动控制中图分类号：ＴＰ２７３　　　　文献标识码：Ａ犚犲狊犲犪狉犮犺狅狀犿狅狊狋狊狌狆犲狉犻狅狉狋犻犿犲犪狀犱狆犪狉犪犿犲狋犲狉狊犪犱犼狌狊狋犪犫犾犲犳狌狕狕狔犾狅犵犻犮狏犲犮狋狅狉犮狅狀狋狉狅犾犾犻狀犵狊狔狊狋犲犿犡犝犓犪犻（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００７４，Ｃｈｉｎａ．Ｅｍａｉｌ：[e-mail]）犃犫狊狋狉犪犮狋：Ｔｏａｓｅｒｉｅｓｏｆｐｒｏｂｌｅｍｓ，ｓｕｃｈａｓｎｏｎｌｉｎｅａｒｉｔｉｅｓ，ｔｉｍｅｖａｒｉａｔｉｏｎｓａｎｄｔｈｅｄｉｆｆｉｃｕｌｔｉｅｓｉｎｇｅｔｔｉｎｇｍａｔｈｅｍａｔｉｃｍｏｄｅｌｓ，ｆｏｒｔｈｅｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃｄｒｉｖｅｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｓｙｓｔｅｍｉｎｔｈｅｍｏｂｉｌｅｓｅｒｖｉｃｅｔｏｗｅｒａｔａｃｅｒｔａｉｎｓａｔｅｌｌｉｔｅｌａｕｎｃｈｉｎｇｂａｓｅ，ｔｈｅｓｕｐｅｒｉｏｒｔｉｍｅａｎｄｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｄｊｕｓｔａｂｌｅｆｕｚｚｙｌｏｇｉｃｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．ＴｈｅｄｙｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃｄｒｉｖｅｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｓｙｓｔｅｍｉｓｅｎｈａｎｃｅｄｂｙｕｓｉｎｇＢａｎｇＢａｎｇｃｏｎｔｒｏｌ．Ｔｈｅａｄａｐｔｉｖｅａｎａｌｙｔｉｃａｌｆｕｚｚｙｌｏｇｉｃｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙｗｉｔｈａｄｊｕｓｔｅｄｐａｒａｍｅｔｅｒｓｉｓｕｓｅｄｉｎｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ．Ａｓａｒｅｓｕｌｔ，ｔｈｅｓｔａｔｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｓｉｍｐｒｏｖｅｄ，ｗｈｉｃｈｒｅａｌｉｚｅｓｔｈｅｈｉｇｈａｃｃｕｒａｃｙｃｏｎｔｒｏｌ．Ｂｅｃａｕｓｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｎｔｒｏｌｓｃｈｅｍｅｓａｒｅｕｓｅｄｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｅｔｈｏｄｓｏｆｔｈｅｗｈｏｌｅｃｏｎｔｒｏｌｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｋｅｅｐｓｇｏｏｄｄｙｎａｍｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆＢａｎｇＢａｎｇｃｏｎｔｒｏｌ，ａｎｄｈａｓｔｈｅｍｅｒｉｔｏｆｎｏｎｓｔａｔｉｃｅｒｒｏｒｓ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｓｙｓｔｅｍｈａｓｇｏｏｄｄｙｎａｍｉｃａｎｄｓｔａｔｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ａｎｄｔｈｅｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓｉｓｇｏｏｄａｓｗｅｌｌ，ｗｈｉｃｈｃａｎｓａｔｉｓｆｙｔｈｅｒｅｑｕｅｓｔｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃｄｒｉｖｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ．犓犲狔狑狅狉犱狊：ＢａｎｇＢａｎｇｃｏｎｔｒｏｌ；Ｆｉｎｅａｄｊｕｓｔｅｄａｎａｌｙｔｉｃａｌｆｕｚｚｙｌｏｇｉｃｃｏｎｔｒｏｌ；Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｄｊｕｓｔａｂｌｅ；Ｅｌｅｃｔｒｉｃｄｒｉｖｅｃｏｎｔｒｏｌ１　引　　言　　某卫星发射中心活动勤务塔主要用于完成火箭各子级、卫星的吊装、对接，并为火箭、卫星的测试、检查提供良好的工作环境及勤务保障．其运行机构的主动台车使用了８台４２ｋＷ的异步电动机，在吊装和发射时驱动整个勤务塔沿轨道运行．随着我国航天事业的快速发展，对勤务塔的电气传动控制系统提出了更高的要求，主要体现在控制系统的快速性、控制精确度和抗扰动能力等方面．当发射进入负小时准备程序时，要求运行机构的主动台车能迅速起动，并在较短时间内驱动活动勤务塔沿轨道运行．同时，在运行中通过电动机、减速器对速度调节后，整个勤务塔运行的速度应平稳、准确．由于发射场所环境气候条件多变，通常会带来一些不确定的负载扰动，如由于风载荷带来的负载扰动．这就要求主动台车的电机控制系统在运行中还应具有较强的抗扰动能力．电气传动系统的被控对象是异步电动机，其特点是强耦合、时变和非线性．对于强耦合可按转子磁链定向的矢量控制策略，通过坐标变换来实现定子励磁电流分量与转矩电流分量的解耦．电机在运行中，由于温度和磁路饱和的变化，引起了电机参数的变化，导致其模型难以做到精确，采用传统控制的　　　控　　制　　与　　决　　策第２５卷鲁棒性不尽人意．近年来，电气传动系统的智能控制成为研究热点．模糊控制对受控对象的时变性、非线性和时滞具有一定的适应能力，抗干扰和鲁棒性较好．模糊控制对参数的变化不敏感，不需要被控对象精确的数学模型．但它也有缺点，如控制精度不高、存在静态余差，特别是在设定点附近会形成极限环振荡［１］，限制了它在那些对稳态精度要求高的工程中应用．经典的模糊控制在设计时，没有考虑在不同时域偏差大时快速跟踪、偏差小时精确定位的问题，而这两个要求是相互矛盾的．基于以上分析，本文提出一种时间最优参数自调整模糊控制方法，该方法复合了ＢａｎｇＢａｎｇ控制的快速性和参数自调整模糊控制精度高的优点．该方法的使用不仅改善了控制系统的动、稳态性能，且鲁棒性较高，并通过实验验证了该方法的有效性．２　时间最优参数自调整模糊控制器设计２．１　算法结构单纯的ＢａｎｇＢａｎｇ控制超调量大，其静态指标难以令人满意，而采用带参数自调整的细调模糊控制则能实现精确的定位．在实际控制中，可将ＢａｎｇＢａｎｇ控制和参数自调整的细调模糊控制相结合，形成复合控制器，其控制算法如图１所示．该控制器工作原理是：根据控制系统能实现在误差较大时快速跟踪，误差较小时精确定位的要求．根据系统实际情况，取一个特定误差犲作为阈值．按实际误差大于或小于阈值犲分两种不同情况设计一个复合控制器：在给定与输出偏差的绝对值大于阈值时，使用ＢａｎｇＢａｎｇ控制，以提高系统响应速度，获得良好动态性能；在小于阈值时，采用带参数自调整的细调模糊控制，以提高系统的阻尼程度，使其超调量小，消除稳态误差．这样设计的复合控制器能满足控制系统动、稳态性能的要求．２．２　犅犪狀犵犅犪狀犵控制器的设计输出开关量的ＢａｎｇＢａｎｇ控制是现代控制理论最大值原理在工程中的一个重要应用，它可使系统从一个初始状态到另一个状态的过渡时间最短．图１中的ＢａｎｇＢａｎｇ控制器是一个随偏差犲正负变化的开关量输出装置．控制算法中分界点的选取是一个关键，需进行多次调整．可选择ＢａｎｇＢａｎｇ控制与参数自调整模糊控制的分界点在给定信号的６０％处，即当｜犲｜＞０．４犲时，表示给定值与输出偏差较大的阶段，采用ＢａｎｇＢａｎｇ控制；当｜犲｜＜０．４犲时，表示给定值与输出偏差较小的阶段，则完全实施参数自调整模糊控制．当输入给定信号作用时，先是ＢａｎｇＢａｎｇ控制器运行一段时间；当给定值与输出的偏差减小到分界点后才自动切换到参数自调整模糊控制．ＢａｎｇＢａｎｇ控制使系统响应达到过渡时间最优，具有快速的上升速度和惯性，保证了系统的动态性能．２．３　细调解析模糊控制器的设计要提高模糊控制的精度和跟踪性能，就必须将档分得较细，但此时规则数和系统计算量也大大增加，影响控制实时性．因此，在工程应用中，必须选择一个合适的分档次数，使得控制系统既能满足控制精度和实时性要求，又易于实现．鉴于此，建立一个模糊控制细调表，将模糊控制器的误差犈，误差变化率犈犆和输出量化总等级分为１３级．细调阶段是控制稳定性的主要阶段，对振荡、超调量等控制品质起着决定性作用．为达到性能更高的控制效果，采用自适应的解析模糊控制策略．当误差较大时，控制系统的主要任务是尽快消除误差，此时误差对控制规则的影响应大于误差变化的影响，即应增大犈的权值；而当误差较小时，控制系统的主要任务是使系统尽快实现稳定，减小超调，提高系统的稳态精度，必须增大误差变化对控制规则的影响，即应增大犈犆的权值．该阶段的不同偏差域取值如下式所示：犝＝－〈α２１犈＋（犐－α２１）犈犆〉，犈＝０；－〈α２２犈＋（犐－α２２）犈犆〉，犈＝±１，±２；－〈α２３犈＋（犐－α２３）犈犆〉，犈＝±３，±４；－〈α２４犈＋（犐－α２４）犈犆〉，犈＝±５，±６烅烄烆．（１）选择α２１＝０．３，α２２＝０．５，α２３＝０．６，α２４＝０．７．由图１　时间最优参数自调整模糊控制器结构图４５１第１期徐凯：一种时间最优参数自调整模糊矢量控制方法的研究　　　式（１）便可生成模糊控制细调规则表．２．４　参数的自动调整在应用中，如何根据系统的性能快速确定量化因子犽犲，犽犲犮和比例因子犽狌，目前尚无统一标准．犽犲，犽犲犮和犽狌三者互相影响和牵制，选择它们时应综合考虑．通常在一个复杂控制系统中，用一组固定的量化和比例因子很难得到性能优良的控制效果．因此，在控制过程中动态地改变量化和比例因子的值，可实现在控制不同阶段的参数自调整，从而改善模糊控制器性能［５，６］．采用的调整策略分两个阶段：当误差犲和误差变化率犲犮较大时，取较小的犽犲和犽犲犮值，同时取较大的犽狌值，降低对犲和犲犮的分辨率，加快系统响应速度；当系统接近于稳态，误差犲和误差变化率犲犮较小时，取较大犽犲和犽犲犮值，同时取较小的犽狌值，提高对犲和犲犮的分辨率，减小系统超调和稳态误差．具体实施可为量化和比例因子增加一个调整因数λ，在控制过程中参数可以根据误差犲和误差变化率犲犮的大小获得对应的调整因数λ值，实现参数的在线自调整．由于系数λ同时受犲和犲犮的影响，所以可将参数调整因数λ构造为如下函数：λ＝犓φ（犲，犲犮）＝犓φ１（犈）φ２（犈犆）．（２）将φ１（狓），φ２（狓）均设为指数函数，即φ１（狓）＝μ（狓）１，０＜μ１＜１；（３）φ２（狓）＝μ狘狓狘２，０＜μ２＜１．（４）可设犓＝４，μ１＝０．６，μ２＝０．８，则得到一个参数调整因数λ的规则表．参数自调整模块首先根据初始的量化因子犽犲和犽犲犮对偏差犲和偏差变化率犲犮进行量化，并对照模糊参数调整因数规则表获得相应的λ值，计算出新的量化和比例因子，如下所示：犽′犲＝犽犲λ，犽′犲犮＝犽犲犮λ，犽′狌＝犽狌／λ．（５）这样，便可实现图１中对量化因子犽犲，犽犲犮和比例因子犽狌的参数自调整，达到自适应控制的目的．３　系统整体设计方案　　本文以异步电机为控制对象，应用电压空间矢量控制技术，采用双闭环结构．系统的控制原理如图２所示．系统主要包括：异步电机及其专用测量模块；模糊速度控制外环模块，电流内环ＰＩ控制模块；坐标变换模块；空间矢量脉宽调制（ＳＶＰＷＭ）模块；逆变器模块等部分．图２　异步电动机模糊矢量控制系统仿真模型系统中的速度外环采用本文提出的时间最优参数自调整模糊控制器，模糊控制器的输入语言变量选为电机的给定转速与实际转速之间的误差犲和误差变化率犲犮，而其输出语言变量为控制给定转速的狇轴电流分量．这样便为转速控制确定了一个双输入单输出的模糊速度控制器，使得电机转速快速地跟随指令值的变化，在动态时限制转速超调，稳态时速度无静差，同时减小负载变化对转速变化的影响．系统采用Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真模块进行仿真．仿真中