【正文】 電機(jī)作為被控對象，提出了一種自適應(yīng)模糊控制方法。永磁同步電動(dòng)機(jī)的矢量控制可以獲得很高的性能，該系統(tǒng)中控制器的設(shè)計(jì)對系統(tǒng)的性能起主要作用。電機(jī)本身的參數(shù) (如交流機(jī)的轉(zhuǎn)子電卿和拖動(dòng)負(fù)載的參數(shù) (如轉(zhuǎn)動(dòng)慣影在某些應(yīng)用場合會(huì)隨工況而變化 。同時(shí)，交流電機(jī)本身實(shí)質(zhì)上是一個(gè)非線性的被控對象?？刂茖ο蟮膮?shù)變化與非線性特性，使得線性的常參數(shù)的 PID 調(diào)節(jié)器常常顧此失彼，不能使系統(tǒng)在各種工礦下都保持設(shè)計(jì)時(shí)的性能指標(biāo)，也就是說系統(tǒng)的魯棒性不能盡 如人意。模糊自整定 PID 控制可以提高控制系統(tǒng)的精度和增強(qiáng)系統(tǒng)魯棒性，但查表模糊控制方法由于規(guī)則表需要占用大量的內(nèi)存空間，查表反映速度慢，只能夠按照己經(jīng)編入的規(guī)則進(jìn)行控制，因此不夠理想。用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)記憶模糊規(guī)則的神經(jīng)模糊控制是利用離線訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)，通過在線計(jì)算即可得到最佳輸出。這種控制模式的反應(yīng)速度極快，而且又具有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)功能和聯(lián)想能力。由于它本質(zhì)上仍是模糊控制，所以也具有模糊控制的精度高和魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。 國內(nèi)外永磁同步電動(dòng)機(jī)交流伺服系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 永磁同步電機(jī)交流伺服系統(tǒng)的控制策略 目前永磁同步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用最成功的場合是油田抽油機(jī)。抽油機(jī)是油田的主要生產(chǎn)機(jī)械，所消耗的電能約占油田電能消耗的 60％左右。抽油機(jī)對電動(dòng)機(jī)的要求是大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、高效率和寬廣的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行范圍。若采用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，為滿足抽油機(jī)大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的要求，需配置大功率的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，而正常運(yùn)行時(shí)平均負(fù)載率較低，效率和功率因數(shù)低，造成電能的大量浪費(fèi)。與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相比，將永磁同步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用于抽油機(jī)，具有以下優(yōu)點(diǎn)： ① 經(jīng)合理設(shè)計(jì)，可獲得大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，因而可用小機(jī)座號的永磁同步電動(dòng)機(jī)代替比其大 1/2 個(gè)機(jī)座號的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，在減小電動(dòng)機(jī)體積的同時(shí) ，提高了負(fù)載率； ② 可獲得高效率和高功率因數(shù)； ③ 經(jīng)濟(jì)運(yùn)行范圍寬。 永磁同步電機(jī)由稀土永磁材料來產(chǎn)生磁場，是永磁電機(jī)家族中的重要一員。永磁電機(jī)的發(fā)展與永磁材料的發(fā)展密切相關(guān)，二十世紀(jì)六十到八十年代，稀土鉆永磁和鉚鐵硼永磁 (二者統(tǒng)稱稀土永磁 )的相繼問世，使永磁電機(jī)的發(fā)展進(jìn)入了新的歷史時(shí)代。自二十世紀(jì)八十年代以來，各國相應(yīng)的研究機(jī)構(gòu)及著名的電氣公司競相把稀土永磁材料、電力電子技術(shù)、自動(dòng)控制理論以及微電子技術(shù)的最新成就應(yīng)用于永磁同步電動(dòng)機(jī)的研究開發(fā)之中，使其成為當(dāng)代電機(jī)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。九十年代以后，自適應(yīng) 控制理論、魯棒控制、智能控制理論、滑模變結(jié)構(gòu)控制等先進(jìn)的控制技術(shù)在 PMSM 的控制中都有了成功的應(yīng)用，盡管還存在一定的局限性。我國在 PMSM 結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方面的研究工作具有世界先進(jìn)水平，但是高性能數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人所采用的 PMSM 仍然主要依靠進(jìn)口，永磁同步電機(jī)自適應(yīng)模糊控制方法的研究 3 究其原因主要是我國在電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)和控制策略的研究上存在差距。所以，通過借鑒國外研究工作的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，從高起點(diǎn)出發(fā)，研究具有先進(jìn)控制策略的高性能 PMSM，可以促進(jìn)我國航空、航天、國防、機(jī)器人及工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域的發(fā)展，跟蹤和趕上世界先進(jìn)水平。對永磁同步電機(jī)的控制策略大致可分三類 。 (a)傳統(tǒng)的控制策略，如 PID 反饋控制、解禍控制等。其中 PID 控制算法蘊(yùn)含了動(dòng)態(tài)控制過程中的過去、現(xiàn)在和將來的信息，而且其配合幾乎為最優(yōu)，是交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中最基本的控制形式，其應(yīng)用廣泛，并與其它新型控制思想相結(jié)合，形成了許多有價(jià)值的控制策略。 (b)現(xiàn)代控制策略，如自適應(yīng)控制、變結(jié)構(gòu)控制、魯棒控制、預(yù)測控制等?，F(xiàn)代控制策略考慮了對象的結(jié)構(gòu)與參數(shù)變化、各種非線性的影響、運(yùn)行環(huán)境的改變以及環(huán)境干擾等時(shí)變和不確定因素。 (c)智能控制策略，如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。模糊控制和神經(jīng)元網(wǎng) 絡(luò)控制均屬于智能控制的范疇，都具有不依賴于對象的數(shù)學(xué)模型、魯棒性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，能夠很好地克服伺服系統(tǒng)中模型參數(shù)變化和非線性等不確定因素 [4] 。 目前，模糊控制在電機(jī)伺服系統(tǒng)中已有眾多成功應(yīng)用的例子。而結(jié)合了上述模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制勢必在伺服系統(tǒng)中具有更廣泛的應(yīng)用價(jià)值 [3] 。 模糊控制在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀和未來的發(fā)展趨勢 模糊控制技術(shù)是近代控制理論中的一種高級策略和新穎技術(shù)。模糊控制技術(shù)基于模糊數(shù)學(xué)理論，通過模擬人的近似推理和綜合決策過程，使控制算法的可控性、適應(yīng)性和合理性提高，成為智能控制技術(shù)的一個(gè)重要分支。 模糊控制利用專家經(jīng)驗(yàn)建立起來模糊集、隸屬度函數(shù)和模糊推理規(guī)則等實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜系統(tǒng)的控制。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制意在利用其學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力實(shí)現(xiàn)非線性系統(tǒng)的控制和優(yōu)化。自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想是利用自身的控制經(jīng)驗(yàn)，并從中獲取有用的信息來調(diào)整和修改模糊控 制規(guī)則或隸屬度函數(shù)達(dá)到模糊控制器的自適應(yīng)。如 Sugeno 提出的將模糊控制規(guī)則的結(jié)論用過程狀態(tài)變量的線性組合來表示而不使用傳統(tǒng)的隸屬度函數(shù)法及精確化計(jì)算步驟。這樣規(guī)則的自組織問題就轉(zhuǎn)化為參數(shù)估計(jì)問題了。雖然這些規(guī)則的自組織方法都展示了一定的自適應(yīng)能力，但從總體上來看依然存在較大的主觀性。怎樣把學(xué)習(xí)機(jī)制引到模糊控制中來，使系統(tǒng)本身能夠通過不斷的學(xué)習(xí)修改和完善隸屬度函數(shù)和模糊推理規(guī)則，達(dá)到最佳控制狀態(tài)是一件非常有意義的事。 在現(xiàn)實(shí)世界中，隨著工業(yè)過程 H 益走向大型化、連續(xù)化、復(fù)雜化，很多系統(tǒng)極其復(fù)雜，具有高 度的非線性、強(qiáng)耦合性、不確定性、信息不完全性和大時(shí)滯等特性，并存在苛刻的約束條件，使常規(guī)控制無法得到滿意的控制效果。由此，先進(jìn)的工業(yè)控制技術(shù)也就應(yīng)運(yùn)而生。先進(jìn)控制的目標(biāo)就是為了解決那些采用常規(guī)控制效果不佳甚至無法對付陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說明書） 4 的復(fù)雜工業(yè)過程控制問題。先進(jìn)控制的實(shí)現(xiàn)通常需要足夠的計(jì)算能力作為支持，其主要技術(shù)內(nèi)容有：過程辨識技術(shù)；過程變量的采集、處理和軟測量技術(shù)；先進(jìn)控制算法，如傳統(tǒng)的串級、比值、前饋控制等和發(fā)展中的魯棒控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制等以及過程的故障檢測、預(yù)報(bào)、診斷和處理。 作為智能控制的一個(gè)新的重 要的分支，近年來智能控制的研究人員對自適應(yīng)模糊控制技術(shù)進(jìn)行了深入的研究。如同其他的智能控制技術(shù)一樣，自適應(yīng)模糊控制技術(shù)被人們嘗試著引入到各個(gè)相關(guān)的控制領(lǐng)域。所以研究自適應(yīng)模糊控制技術(shù)在永磁同步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。 本課題 主要工作 本文主要的研究工作是在研究永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型和矢量控制原理的基礎(chǔ)上先建立永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的 SIMULINK 仿真模型，然后對其速度環(huán)進(jìn)行智能設(shè)計(jì)。在分別研究永磁同步電動(dòng)機(jī)模糊自整定 PID 控制的基礎(chǔ)上，最終設(shè)計(jì)永磁同步電機(jī)的自適應(yīng)模 糊控制方法。研究過程主要是采用仿真的形式，主要的仿真工具是 MATLAB和 SIMULNIK，對某些控制單元的設(shè)計(jì)還要用到 S函數(shù)。論文的主要研究內(nèi)容如下 : （ 1）在研究永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型和矢量控制原理的基礎(chǔ)上，制定 di =0 的矢量控制方案，選用優(yōu)秀仿真軟件 MATLAB 中的 SIMULNIK 工具箱搭建系統(tǒng)仿真模型，這就使得工作的重心放在系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)上而不是編程上。 (2)研究模糊自整定 PDI 控制在永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。其 中，最主要的是設(shè)計(jì)模糊自整定 PDI 控制器，模糊自整定 PDI 控制器的主要設(shè)計(jì)步驟為 : 將設(shè)計(jì)好的模糊 PID 控制器作為前面搭建好的系統(tǒng)仿真模型中的速度調(diào)節(jié)器，對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，驗(yàn)證模糊自整定 PID 控制在永磁同步電機(jī)矢量控制中的可行性，為研究自適應(yīng)模糊控制做基礎(chǔ)。 (3) 根據(jù)模糊理論的優(yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)永磁同步電機(jī)模糊控制方法。研究的主要內(nèi)容是設(shè)計(jì)模糊控制器，該控制器利用模糊控制規(guī)則，相當(dāng)于一個(gè)模糊關(guān)系存貯器。最后通過仿真實(shí)驗(yàn)證實(shí)這種方法的可行性 [5] 。 永磁同步電機(jī)自適應(yīng)模糊控制方法的研究 5 2 永磁同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型和矢量控制 隨著永磁材料性能的不斷提高，永磁同步電動(dòng)機(jī)得到了廣泛應(yīng)用。作為能量轉(zhuǎn)換的裝置，永磁同步電動(dòng)機(jī)有多種結(jié)構(gòu)和分類。本章首先簡要敘述了永磁同步電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和主要分類，然后對其數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了分析，給出了永磁同步電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程等，從而為對其進(jìn)行矢量控制奠定了理論基礎(chǔ)。 永磁同步電動(dòng)機(jī)的分類和結(jié)構(gòu) 磁同步電動(dòng)機(jī)的基點(diǎn)是用永磁體取代繞線式同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子中的勵(lì)磁繞組，從而省去了勵(lì)磁線圈、滑環(huán)和電刷。永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子與繞線式同步電動(dòng)機(jī)基本相 同，要求輸入定子的電流仍然是三相正弦的，所以稱為三相永磁同步電動(dòng)機(jī)。 和普通同步電動(dòng)機(jī)一樣，永磁同步電動(dòng)機(jī)也是由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。電機(jī)定子由定子鐵心 (由沖有槽孔的硅鋼片壓疊而成 )、定子繞組 (在鐵心槽中嵌放三相電樞繞組 )。轉(zhuǎn)子通常由軸、永久磁鋼及磁扼等部分組成，其主要作用是在電動(dòng)機(jī)的氣隙內(nèi)產(chǎn)生足夠的磁感應(yīng)強(qiáng)度，與通電后的定子繞組互相作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩以驅(qū)動(dòng)自身運(yùn)轉(zhuǎn)。 根據(jù)轉(zhuǎn)子極對數(shù)的不同，永磁同步電動(dòng)機(jī)分為單極和多極。根據(jù)永磁體在轉(zhuǎn)子上安裝位置的不同，永磁同步電機(jī)有表面式、嵌入式和內(nèi)埋式。前兩 種形式又統(tǒng)稱為外裝式結(jié)構(gòu)，其可使轉(zhuǎn)子做得直徑小，慣量低，特別使是若將永磁體直接粘接在轉(zhuǎn)軸上，還可以獲得低電感，有利于改善動(dòng)態(tài)性能。正因如此，許多交流永磁伺服電動(dòng)機(jī)都采用這種外裝式結(jié)構(gòu)。 另一種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)是將永磁體埋裝在轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部，每個(gè)永磁體都被鐵心所包容，通常稱之為內(nèi)埋式永磁同步電動(dòng)機(jī)。這種結(jié)構(gòu)，機(jī)械強(qiáng)度高，磁路氣隙小，所以與外裝式轉(zhuǎn)子相比，適合弱磁運(yùn)行。 表面式永磁同步電動(dòng)機(jī)實(shí)質(zhì)上是一種隱極式同步電動(dòng)機(jī)，因?yàn)橛来挪牧系拇艑?dǎo)率十分接近空氣，所以交、直軸電感基本相同。而嵌入式和內(nèi)埋式結(jié)構(gòu)屬于凸 極式同步電動(dòng)機(jī)，其交軸電感大于直軸電感，這樣除產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩外，還產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩。若能靈活利用此磁阻轉(zhuǎn)矩可獲得高效率的運(yùn)轉(zhuǎn)。此方面的特點(diǎn)，尤其受到大家所關(guān)注。 坐標(biāo)系介紹 (1)三相靜止坐標(biāo)系 三相永磁同步電機(jī)的定子里有三相繞組，其繞組軸線分別為 A、 B、 C，且彼此互差 120186?？臻g電角度。當(dāng)通以三相平衡的正弦電流 ai ,bi ,ci 時(shí)，就產(chǎn)生了一個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁場。A、 B、 C 三個(gè)坐標(biāo)軸互差 120186。 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說明書） 6 (2)兩相靜止坐標(biāo)系 為了簡化分析，定義一個(gè)兩相坐標(biāo)系 α,β。如果在由 α,β 組成的兩相繞組內(nèi)通入兩相對稱正弦電流時(shí)也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場，效果和三相繞組產(chǎn)生的一樣。因此可以由兩相坐標(biāo)系代替三相定子坐標(biāo)系進(jìn)行分析，從而簡化了運(yùn)算過程。 (3)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 將轉(zhuǎn)子軸向定義為 d 軸，逆時(shí)針超前 90 方向?yàn)?q 軸。 對于 PMSM 來說，用固定于轉(zhuǎn)子的參考坐標(biāo)來描述和分析它們的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能是十分方便的。此時(shí)取永磁體基波磁場的方向?yàn)?d 軸，而 q 軸順著旋轉(zhuǎn)方向超前 d 軸90186。電角度。轉(zhuǎn)子參考坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)速度即為轉(zhuǎn)軸速度。當(dāng)轉(zhuǎn)子在空間旋轉(zhuǎn)時(shí)， d、 q 坐標(biāo)系也在空間旋轉(zhuǎn)，故相對于轉(zhuǎn)子來說，此坐標(biāo)系是靜止的，稱為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 [6]。 永磁同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型 分析和研究正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)最常用的數(shù)學(xué)模型就是 dq 軸數(shù)學(xué)模型，它不僅可以用于分析 PMSM 的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行性能，也可用于分析永磁同步電動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)性能。為了建立簡化的 dq 軸數(shù)學(xué)模型，通常做如下假設(shè)： (1)忽略電動(dòng)機(jī)鐵心的飽和； (2)轉(zhuǎn)子上沒有阻尼繞組； (3)不計(jì)渦流和磁滯損耗； (4)定子三相繞組是對稱、均勻的，相繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢波形為正弦。在永磁同步電動(dòng)機(jī)中，建立固定于轉(zhuǎn)子的參考坐標(biāo)，取磁極軸線為 d 軸，順著旋轉(zhuǎn)方向超前 d 軸 90186。電角度為 q 軸，轉(zhuǎn)子參考坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)速度即為轉(zhuǎn)子速度。取轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向?yàn)檎＾D(zhuǎn)子參考坐標(biāo)的空間坐標(biāo)以 d 軸與固定軸線 (A 相繞組軸線 )間的電角度 θr來確 定。 永磁同步電動(dòng)機(jī)的矢量控制 矢量控制方法 永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量的控制，按照控制目標(biāo)可分為： di =0 控制、控制、總磁鏈恒定控制、最大轉(zhuǎn)矩 /電流控制、弱磁控制、最大輸出功率控制等。 當(dāng)永磁體的磁鏈和交、直軸的電感確定后，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩便取決于定子電流的空間矢量 si ，而 si 的大小和相位又取決于 di 和 qi ，也就是說控制 di 和 qi 便可以控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩。一定的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩對應(yīng)一定的 di? 和 qi? ，通過對這兩個(gè)電流的控制，使實(shí)際 di 和跟蹤指令 di? 和，便實(shí)現(xiàn) 了電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速控制。由于實(shí)際進(jìn)入電動(dòng)機(jī)電樞繞組的電流是三相交流電流 ai 、 bi 和 ci ，因此三相電流 ai? 、 bi? 和 ci? 指令必須經(jīng)過 dq abc? 變換由得到。通過電流環(huán)控制， 可以使電動(dòng)機(jī)輸入的三相電流 ai 、 bi 和 ci 定的指令值 ai? 、 bi? 、 ci? 一致。上述矢量控制對于電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行和瞬態(tài)運(yùn)行都適用，而且 di 和 qi 是各自獨(dú)立的，因此永磁同步電機(jī)自適應(yīng)模糊控制方法的研究 7 便于實(shí)現(xiàn)各種先進(jìn)的控制策略。永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制最終歸結(jié)為對電動(dòng)機(jī)定轉(zhuǎn)子電流的控制。 在 di =0 的控制方式下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩中只有永磁轉(zhuǎn)矩分量，其磁鏈和轉(zhuǎn)矩都可以簡化為： q q qLi? ? （ 21） df??? （ 22） 32e m n f qT T p i??? （ 23） 本文矢量控制采用 0di ? 矢量控制方法。該控制方式突出的優(yōu)點(diǎn)是沒有電動(dòng)機(jī)直軸電樞反應(yīng)，對于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為表面