1、 指导老师：教授指导老师：教授 答辩人：答辩人：时间：时间：20122012年年4 4月月2626日日多电机同步协调控制策略多电机同步协调控制策略及应用研究及应用研究课题背景和意义课题背景和意义背景：背景：意义意义螺旋荧光灯管弯管机系统（涉及四台交流伺服电机同步协调运动）提高产品质量、成品率、生产效率提高多电机传动系统的跟踪性、同 步性、抗扰性1、满足弯管机系统可靠性和控制精度的要求2、3、免疫单神经元PID控制的有效性论文主要内容论文主要内容研究对象研究对象：控制算法控制算法：控制结构控制结构：仿真模型建立仿真模型建立单个PMSM交流伺服系统四电机同步运动控制系统仿真结果分析仿真结果分析偏差
2、耦合控制的可行性四台永磁同步电动机同步运动系统偏差耦合控制策略免疫单神经元PID控制PMSM数学模型数学模型永磁同步电动机物理模型3()2enr qdqd qTpiLL i idq坐标系下的转矩方程结论：结论：转子磁链恒定不变,PMSM电磁转矩基本取决于定子直轴和交轴电流分量,即控制电流id和iq,就可以实现对电机电磁转矩的控制。直接转矩控制和矢量控制性能比较直接转矩控制和矢量控制性能比较性能与特点 直接转矩控制 矢量控制 磁链控制 定子磁链 转子磁链 转矩控制 砰-砰控制，有转矩脉动 连续控制，比较平滑 坐标变换 静止坐标变换，较简单 旋转坐标变换，较复杂 转子参数变化影响 无 有 调速范围
3、 不够宽 比较宽 基于基于id=0=0矢量控制的永磁同步电动机矢量控制的永磁同步电动机伺服系统伺服系统 有监督的有监督的Hebb学习规则单神经元自适应学习规则单神经元自适应PID控制算法控制算法()dy k()y k输入值为设定值、输出 1()x k2()x k3()x k，三个状态量、1223()()()()()()(1)()()()2(1)(2)dx kyky ke kx ke ke kx ke ke ke ke k 31()(1)()()iiiu ku kKwkxk规范化后改进的有监督的规范化后改进的有监督的Hebb学习规则的学习规则的单神经元自适应单神经元自适应PID控制算法控制算法(
4、)ix k()()e ke k（将其中的改为 31()(1)()()iiiu ku kKw k x k31()()/()ijjjw kw kw k112233()(1)()()()()()(1)()()()()()(1)()()()()IPDw kw kz k u ke ke kwkwkz k u ke ke kw kw kz k u ke ke k ）()()(1)e ke ke k，单神经元增益单神经元增益K的调节的调节K值越大系统响应速度越快，超调量大，甚至会使系统不稳定K值偏小系统响应较慢,若取得过小，响应跟踪不上给定信号如何实现增益K的自动调整T细胞免疫调节机理与单神经元PID控制相
5、结合，形成一种自动调节增益的免疫单神经元免疫单神经元PID（ISNPID）控制算法。免疫调节机理免疫调节机理 免疫反馈机理示意图 抗原APC(抗原呈递细胞)消化信息传递给T细胞活化TH细胞，并释放淋巴因子活化B细胞缓慢活化TS细胞抑制TH细胞和B细胞产生抗体免疫系统免疫系统 控制系统控制系统（抗原、抗体等）繁殖的第K代 离散系统第K个采样时间 第K代抗原量浓度 第K个采样时刻给定值与输出值的偏差e(k)第K代细胞量浓度B(k)第K个采样时刻控制器输出u(k)()k免疫系统与控制系统的比较免疫系统与控制系统的比较 T细胞免疫调节函数细胞免疫调节函数2()(1exp()mKf eke比例系数，控制
6、免疫调节反应速度；控制稳定效果；影响免疫调节曲线的坡度。mk单神经元增益K的调整 T细胞免疫反馈机理类似类似响应初期偏差值较大时，应增加控制取较大K值；接近稳态时，偏差较小，应减小K值 响应初期，释放淋巴因子激活免疫反应；当抗体增加时,Ts细胞抑制免疫反应STST根据文献选择免疫调节函数：应用较普遍的模型：1、主令参考控制 2、主从控制 3、电子虚拟主轴 4、交叉耦合 5、偏差耦合 6、相邻交叉耦合 多电机同步控制结构多电机同步控制结构1 1、主令参考控制、主令参考控制（并联式结构）优点优点1、结构简单2、易于实现3、启动、停止阶段系 统的同步性能也很好4、容易扩展到多电机同步控制中 整个系统
7、缺少单元间的反馈，相当于开环控制，系统的同步性能很难保证适用范围：适用范围：受扰较轻、各单元参数或跟随性能相同的系统不足：不足：2 2、主从控制、主从控制（串联式结构）优点优点1、具有主令参考式大功率优点2、分区单元间距离不受限制3、增加了一个回馈环节，同步效果更好当启动、停止和负载扰动时，就会产生较大的同步误差适用范围：适用范围：不足：不足：对位置或速度的同步要求不是很高的场合3 3、电子虚拟主轴控制、电子虚拟主轴控制优点优点1、继承了传统的主令参考式、主从式的优势2、改善了系统起动、稳态、抗负载扰动等方面的性能缺少位置控制，在启动、负载扰动、停机过程中，各轴间会产生恒定的相对位置差不足：不
8、足：4 4、交叉耦合控制、交叉耦合控制 适用范围：适用范围：优点：优点：较好的实现了运动轴之间的协作，使得整个系统的动态同步性能大大改善不足：不足：保持同步时相对增益会增大很多，同时也会带来噪声放大，引起转矩脉动的问题适用于同步要求较高的双电机系统 5 5、偏差耦合控制、偏差耦合控制 优点优点：具有良好的动态同步性能，实现满意的同步控制效果不足：不足：系统中电机更多时，“速度补偿器”模块计算量变大，模块布置更加复杂适用范围：适用范围：可扩展到多电机系统的同步控制中6 6、相邻交叉耦合控制、相邻交叉耦合控制（C1、C3同步误差控制器，C2跟踪误差控制器）优点：优点：任一台控制电机只考虑其相邻两台
9、电机的状态，比偏差耦合的运算量小不足：不足：多用于三台电机同步系统适用范围：适用范围：控制器的数目较多四电机偏差耦合控制结构四电机偏差耦合控制结构（速度补偿器结构）i=1,2,3,4;r=1,2,3.速度补偿器增益：Kir=Jr/Ji,偏差耦合控制特点偏差耦合控制特点电机电机1 1电机电机2 2电机电机3 3电机电机4 4控制器速度补偿器2速度补偿器1速度补偿器3速度补偿器4速度1速度2速度3速度4控制器控制器控制器单个单个P PMSM矢量控制系统仿真模型矢量控制系统仿真模型 仿真参数设置仿真参数设置仿真情况1、空载启动2、参考转速为1000r/min3、t=0.04时加上Tm=3N.m的负载
10、转矩Simulink仿真器参数1、仿真时间设为0.06s2、仿真步长为“Variable-step”3、仿真器解法选ode45常规PI控制器参数速度环的PI控制器参数设为Kp=0.5,Ki=2电流环的两个PI控制器参数相同，设为Kp=200，Ki=401、2、转速波形转速波形三相电流波形三相电流波形转矩波形转矩波形id、iq电流波形电流波形单个单个PMSM仿真结果仿真结果多电机同步控制系统仿真模型多电机同步控制系统仿真模型相邻交叉耦合和偏差耦合控制同步误差比较相邻交叉耦合和偏差耦合控制同步误差比较电机电机1 1和电机和电机2 2电机电机2 2和电机和电机3 3电机电机3 3和电机和电机4 4电
11、机电机4 4和电机和电机1 1电机电机1 1和电机和电机3 3电机电机2 2和电机和电机4 4相邻交叉耦合与偏差耦合同步控制相邻交叉耦合与偏差耦合同步控制性能比较性能比较 比较 超调量 调节时间 动态降落 恢复时间 同步误差 相邻交叉耦合控制 13%12.5ms0.42%0.5ms2r/min偏差耦合控制 13%11.4ms0.44%0.5ms1r/min结结 论论相邻交叉耦合偏差耦合对比得1、偏差耦合控制的调节时间更短，同步误差更小，不足之处在于“速度补偿器模块”计算量较大2、二者超调量、调节时间及同步误差都较大，需要对控制器采用更先进的控制算法来改善同步系统性能单神经元自适应单神经元自适应
12、PID控制器建模控制器建模 输入量输入量误差前一时刻值e(k-1)误差当前时刻值e(k)误差前第二时刻值e(k-2)输出量输出量前一时刻控制率u(k-1):控制率u(k)四台电机速度环采用四台电机速度环采用NSPID控制控制替换原先的常规PI控制器常规常规PI与单神经元与单神经元PI控制跟踪误差比较控制跟踪误差比较电机电机1 1跟踪误差跟踪误差电机电机2 2跟踪误差跟踪误差电机电机3 3跟踪误差跟踪误差电机电机4 4跟踪误差跟踪误差常规常规PI控制和单神经元控制和单神经元PI控制控制跟踪性能比较跟踪性能比较 比较 超调量 调节时间 稳态误差 动态降落振荡程度常规PI控制 13%11.4ms5r
13、/min0.44%较大单神经元PI控制 09.5ms00.7%较小常规常规PI控制与单神经元控制与单神经元PI控制同步误差比较控制同步误差比较电机电机1 1与电机与电机2 2电机电机2 2与电机与电机3 3电机电机3 3与电机与电机4 4电机电机4 4与电机与电机1 1电机电机1 1与电机与电机3 3电机电机2 2与电机与电机4 4四台电机速度环采用四台电机速度环采用INSPID控制控制替换原先的单神经元PI控制器单神经元单神经元PI控制与免疫单神经元控制与免疫单神经元PI控制控制跟踪误差比较跟踪误差比较 电机电机1 1跟踪误差跟踪误差电机电机2 2跟踪误差跟踪误差电机电机3 3跟踪误差跟踪误
14、差电机电机4 4跟踪误差跟踪误差单神经元单神经元PI控制与免疫单神经元控制与免疫单神经元PI控制控制跟踪性能比较跟踪性能比较 比较 超调量 调节时间 动态降落恢复时间振荡程度 SNPID控制 09.5ms0.7%9.5ms较大 ISNPID控制 08.6ms0.7%9.6ms较小 常规PI控制器单神经元PI控制器结结 论论免疫单神经元PI控制器改进为改进为改进为改进为优势优势优势优势超调量下降13%调节时间减小2ms稳态误差减少5r/min振荡程度大大减弱超调量保持0%调节时间减小了1ms振荡程度继续减弱论文总结论文总结PMSM1PMSM2PMSM3PMSM4免疫单神经元PI控制算法控制速度环偏差耦合控制结构偏差耦合控制结构实现速度环无超调、快速、无静差、抗干扰的性能指标具有较好的动静态性能和鲁棒性，满足四电机同步控制的基本要求感谢各位老师感谢各位老师的观看并提出宝贵意见的观看并提出宝贵意见谢谢！谢谢！
