電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的智能控制研究

舒波成

[摘? ? 要]本文就智能控制系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)要概述，隨后對(duì)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的智能控制方式，從模糊控制、單神經(jīng)元控制2方面進(jìn)行分析;并針對(duì)智能控制在電氣傳動(dòng)控制中的應(yīng)用情況，從直流傳動(dòng)、交流傳動(dòng)以及注意事項(xiàng)，這3個(gè)方面展開探究分析，以期能夠?yàn)殡姎鈧鲃?dòng)系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運(yùn)行，提供參考性建議。

[關(guān)鍵詞]電氣傳動(dòng);智能控制;模糊控制;神經(jīng)元控制

[中圖分類號(hào)]TF083.2 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2020）06–0–03

Research on Intelligent Control of Electric Drive System

Shu Bo-cheng

[Abstract]This paper gives a brief overview of intelligent control system， and then analyzes the intelligent control mode of electric drive system from two aspects of fuzzy control and single neuron control; and in view of the application of intelligent control in electric drive control， it explores and analyzes the three aspects of DC drive， AC drive and precautions， in order to be able to provide electric drive The system runs efficiently and stably， and provides reference suggestions.

[Keywords]electric drive; intelligent control; fuzzy control; neuron control

智能控制技術(shù)的工作原理，是對(duì)人腦思維模式進(jìn)行模仿，根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行期間出現(xiàn)的誤差、誤差變化問題，來對(duì)控制器實(shí)施相關(guān)設(shè)置，以此實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制功能。在針對(duì)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)用智能控制技術(shù)時(shí)，應(yīng)當(dāng)注重結(jié)合優(yōu)良的傳統(tǒng)控制技術(shù)進(jìn)行操作，不僅要充分發(fā)揮該系統(tǒng)的技術(shù)性優(yōu)勢(shì)，還應(yīng)當(dāng)找出該技術(shù)存在的缺陷并予以改進(jìn)，以此確保電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的高效、安全運(yùn)行。

1 智能控制系統(tǒng)概述

1.1 智能控制系統(tǒng)的發(fā)展

同其他學(xué)科一樣，智能控制系統(tǒng)的誕生來源于科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，伴隨著自動(dòng)化程度的提升與大規(guī)模普及，受控對(duì)象變得越來越復(fù)雜，針對(duì)諸多難以獲取數(shù)學(xué)模型、模型復(fù)雜的過程，倘若繼續(xù)采用傳統(tǒng)與現(xiàn)代控制方式，通常無法獲得令人滿意的控制結(jié)果，甚至完全沒有成效。然而通過采取手動(dòng)控制的方式，技術(shù)嫻熟的操作人員，卻能夠做到駕馭自如。

基于這種情況，人們便由此生出在自動(dòng)控制工作中，吸取熟練人員經(jīng)驗(yàn)的構(gòu)想，為此，對(duì)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的研發(fā)，為這一構(gòu)想的實(shí)現(xiàn)給予了可能性。計(jì)算機(jī)技術(shù)在邏輯推理、判斷識(shí)別、決策學(xué)習(xí)等諸多方面，所發(fā)揮的功能，能夠肩負(fù)起根據(jù)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)展開控制的工作。與此同時(shí)，在不少探究如何實(shí)現(xiàn)人腦思維功能的學(xué)術(shù)領(lǐng)域，包括人工智能、專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及模糊邏輯等方面，其研究工作也獲得了不小的進(jìn)展，從而提供了各類仿照人類的知識(shí)與思維，展開控制的方式與技術(shù)，比如專家控制器、神經(jīng)元控制、模糊控制等，都被統(tǒng)稱為智能控制。

1.2 智能控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

同以往的經(jīng)典控制、現(xiàn)代控制方式相比較，智能控制具備多方面的優(yōu)勢(shì)與長(zhǎng)處：①智能控制可以打破以往必須基于數(shù)學(xué)模型的桎梏，并根據(jù)實(shí)際效果予以控制，不必再完全依賴于控制目標(biāo)的數(shù)學(xué)模型;②智能控制具備人腦思維的非線性特點(diǎn)，智能控制器同樣繼承了這一特征，很好地模擬了人腦的思維模式;③智能控制系統(tǒng)能夠依靠計(jì)算機(jī)控制方式的便捷性，按照目前系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，來切換控制器結(jié)構(gòu)，通過采取變換結(jié)構(gòu)的方式，來優(yōu)化系統(tǒng)的功能;④，部分智能控制方式，還具備在線辨識(shí)、在線決策、總體自尋優(yōu)的功能，在復(fù)雜的系統(tǒng)內(nèi)，還可以發(fā)揮分層信息處理與決策的功能，從而提升系統(tǒng)的控制效率與工作質(zhì)量[1]。

2 電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的智能控制方式

2.1 模糊控制的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)

在所有智能控制技術(shù)當(dāng)中，最為關(guān)鍵的控制技術(shù)之一便是模糊控制方式，屬于一類典型的智能控制方式。模糊控制方式是指采取模糊集合的技術(shù)，針對(duì)人民群眾日常生活期間，所遇到的模糊性問題展開刻畫;而在電氣傳動(dòng)智能控制系統(tǒng)內(nèi)，則是參照專業(yè)人士的控制方式、操作人員的經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行更為逼真的模仿，來對(duì)整體系統(tǒng)展開控制。在連續(xù)控制系統(tǒng)內(nèi)，數(shù)量型體現(xiàn)著其物理量的基本形態(tài)。在以往的控制方式當(dāng)中，PID調(diào)節(jié)器的運(yùn)行原理，是針對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行期間所產(chǎn)生的數(shù)字量、數(shù)據(jù)信息的數(shù)值展開計(jì)算。相比之下，在運(yùn)用模糊控制方式展開計(jì)算的過程中，同樣需要將數(shù)值轉(zhuǎn)化為模糊語言，在做完模糊推理環(huán)節(jié)之后，還應(yīng)當(dāng)將模糊語言轉(zhuǎn)變成數(shù)量。

實(shí)際上，電氣傳動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)所應(yīng)用的模糊控制器，具備極其復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，然而從控制器外部的I/o特征來看，其呈現(xiàn)形式同樣相對(duì)簡(jiǎn)單。在實(shí)際運(yùn)用的過程中，通過強(qiáng)化模糊控制器的積分效應(yīng)，控制器在電氣傳動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)，所發(fā)揮的控制效果，同改變系數(shù)的IPD調(diào)節(jié)器所發(fā)揮的效果并無區(qū)別。

2.2 單神經(jīng)元控制的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)

通過運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，能夠?qū)ο到y(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)信息予以高效的整合，在確保計(jì)算速度的前提下，有效處理系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)的一系列問題。然而目前為止，人類尚未研發(fā)出能夠運(yùn)用在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)硬件，從而導(dǎo)致神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)難以應(yīng)用在電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中的問題。通過對(duì)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行特性進(jìn)行分析，并考慮到實(shí)際情況，相關(guān)工作人員可以采用單一神經(jīng)元的控制方法。通過采取這種控制手段，能夠有效符合系統(tǒng)內(nèi)非線性控制的需求，并提高整體控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性能。

在電氣控制系統(tǒng)內(nèi)，主要的輸入量有誤差、誤差微分和誤差積分，應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來控制電氣傳動(dòng)系統(tǒng)，能夠據(jù)此發(fā)揮諸多優(yōu)勢(shì)。比如該技術(shù)中的不少規(guī)定，都能靈活調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)的各個(gè)輸入量比重，從而確保系統(tǒng)的運(yùn)行不會(huì)再遭受控制模型等數(shù)據(jù)的干擾;最重要的是，該技術(shù)的運(yùn)用能夠發(fā)揮其優(yōu)良的控制功能，并有效保障系統(tǒng)的安全穩(wěn)定[2]。

3 智能控制在電氣傳動(dòng)控制中的應(yīng)用

3.1 在直流傳動(dòng)中的應(yīng)用

3.1.1 模糊邏輯控制應(yīng)用

模糊邏輯控制在電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用，主要分為2種，分別是Mamdani型控制器以及Sugeno型控制器。就目前形勢(shì)而言，只有Mamdani型模糊控制器，可用于調(diào)速控制系統(tǒng)當(dāng)中。需要注意的是，這2類控制器都具備相似的規(guī)則庫(kù)，屬于一種if-then的模糊規(guī)則集。然而Sugeno型控制器同樣具備其特殊之處，其典型規(guī)則是“假如x是A，并且y是B，那么Z=f（x，y）”。在此當(dāng)中，A與B屬于模糊集;Z=f（x，y）則代表著x與y的函數(shù)，通常屬于輸入變量x與y的多項(xiàng)式。假如f是常數(shù)時(shí)，便可歸類為零階Sugeno模型，由此可知，Sugeno屬于Mamdani型控制器的特殊形式。

3.1.2 ANNS系統(tǒng)控制應(yīng)用

經(jīng)過近些年來的不斷發(fā)展，ANNS即人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在模式識(shí)別與信號(hào)處理過程中，正得到大規(guī)模普及。ANNS系統(tǒng)中具備一致性的非線性函數(shù)估計(jì)器，因而能夠有效應(yīng)用在電氣傳動(dòng)控制工作中。其優(yōu)勢(shì)在于，該系統(tǒng)屬于不必被控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，其一致性良好，對(duì)出現(xiàn)的噪音并不敏感。與此同時(shí)，ANNS系統(tǒng)具備并行結(jié)構(gòu)，非常契合多傳感器的輸入應(yīng)用，例如運(yùn)用在條件監(jiān)控、診斷系統(tǒng)當(dāng)中，可以提高決策的可靠性。盡管當(dāng)下電氣傳動(dòng)控制，正朝向最小化傳感器數(shù)量的趨勢(shì)發(fā)展，然而在特殊情況下，多傳感器的使用，能夠有效降低系統(tǒng)對(duì)于特殊類傳感器缺陷的敏感程度，不必再依賴過高的精度與復(fù)雜的信號(hào)處理[3]。

3.2 在交流傳動(dòng)中的應(yīng)用

3.2.1 模糊邏輯控制應(yīng)用

大部分探究模糊邏輯控制，在交流傳動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用的論文內(nèi)，所闡述的往往都是借助模糊控制器，來替代常規(guī)的速度調(diào)節(jié)器裝置。然而在英國(guó)某所大學(xué)，所研發(fā)的全數(shù)字化高性能傳動(dòng)系統(tǒng)當(dāng)中，可以具備多項(xiàng)模糊控制器。這些模糊控制器不但可以替代以往的PI與PID控制器，還可以服務(wù)于其他任務(wù)當(dāng)中。該大學(xué)還將模糊神經(jīng)控制器，用在各類全數(shù)字化高動(dòng)態(tài)性能的傳動(dòng)系統(tǒng)開發(fā)工作當(dāng)中。還有部分優(yōu)秀的論文，研究分析了依靠模糊邏輯控制方式，來感應(yīng)電機(jī)的磁通與力矩情況。在此當(dāng)中，其輸入的標(biāo)定因子可以變化，同時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果也說明了所制定的方案行之有效。在該系統(tǒng)中，模糊速度控制器同PI速度控制器、CRPWM塑變器可一并應(yīng)用，以此彌補(bǔ)可能出現(xiàn)的慣性，以及負(fù)載轉(zhuǎn)矩的擾動(dòng)問題。

3.2.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制應(yīng)用

就目前形勢(shì)而言，有不少論文都曾探究過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，在交流式電機(jī)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的條件監(jiān)測(cè)與診斷內(nèi)的應(yīng)用情況，并闡述了運(yùn)用常規(guī)反向轉(zhuǎn)波算法的ANN，用于步進(jìn)電機(jī)控制算法的最佳方式。其方案通常需要實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，按照負(fù)載轉(zhuǎn)矩與初始速度，來明確最大的可觀測(cè)速度增量，為此，就必須在ANN系統(tǒng)中增設(shè)三維圖形映射環(huán)節(jié)。該系統(tǒng)同常規(guī)的控制算法相比之下，具備更加優(yōu)良的性能，可以有效縮短定位時(shí)間，能夠有效控制負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大范圍變動(dòng)、非初始速度。通常情況下，ANNS系統(tǒng)屬于多層前饋型結(jié)構(gòu)，需要采取常規(guī)的反向傳播學(xué)習(xí)算法。這一系統(tǒng)通常由兩部分子系統(tǒng)組成，其一，是依靠電氣動(dòng)態(tài)參數(shù)的辨識(shí)自適應(yīng)方式，來控制定子電流;其二，是依靠對(duì)機(jī)電系統(tǒng)參數(shù)的辨識(shí)自適應(yīng)方式，來控制轉(zhuǎn)子的速度[4]。

3.3 在應(yīng)用中的注意事項(xiàng)

（1）注重考慮系統(tǒng)的魯棒性。一方面，就目前形勢(shì)而言，電氣傳動(dòng)系統(tǒng)已具備相對(duì)成熟的控制方案，例如直流雙閉環(huán)系統(tǒng)、交流電機(jī)的矢量控制系統(tǒng)等。系統(tǒng)在通過內(nèi)環(huán)改造之后，其轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)不會(huì)出現(xiàn)變化，依然能夠構(gòu)建統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型，且并不復(fù)雜，采取PID控制技術(shù)便可以獲得較為可觀的效果。然而在另一方面，實(shí)際的傳動(dòng)系統(tǒng)并非一成不變，電機(jī)自身的參數(shù)與拖動(dòng)負(fù)載參數(shù)，在某些應(yīng)用情況下，會(huì)伴隨工況而發(fā)生改變。與此同時(shí)，交流電機(jī)屬于一種非線性的受控目標(biāo)，有不少拖動(dòng)負(fù)載具備彈性與間隙等非線性類因素。受控目標(biāo)的參數(shù)變化和非線性特征，會(huì)導(dǎo)致PID調(diào)節(jié)器經(jīng)常顧此失彼，無法保證系統(tǒng)在所有工況下，都可以維持設(shè)計(jì)階段的性能指標(biāo)，系統(tǒng)的魯棒性無法滿足人意。為此，智能控制技術(shù)，需要有效發(fā)揮其非線性、變結(jié)構(gòu)與自尋優(yōu)等功能，以此解決系統(tǒng)中的變參數(shù)、非線性因素，以提升系統(tǒng)的魯棒性。

（2）注重結(jié)合傳統(tǒng)控制技術(shù)。在電氣系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)用智能控制技術(shù)，倘若徹底放棄行之有效的傳統(tǒng)控制方式，簡(jiǎn)單直接運(yùn)用智能控制技術(shù)，不僅無法切中要害，還會(huì)造成新技術(shù)帶來一系列問題，得不償失。為此，在運(yùn)用智能控制技術(shù)的過程中，技術(shù)人員要遵循取長(zhǎng)補(bǔ)短、揚(yáng)長(zhǎng)避短的原則，科學(xué)處置智能控制與傳統(tǒng)控制的關(guān)系，力求智能控制對(duì)傳統(tǒng)控制的有效繼承與發(fā)展。

（3）注重外環(huán)部分實(shí)際功能。根據(jù)實(shí)際情況表明，交流電機(jī)設(shè)備在經(jīng)過矢量控制和電流閉環(huán)改造之后，其速度環(huán)的結(jié)構(gòu)與直流電機(jī)可以保持統(tǒng)一。在多環(huán)控制結(jié)構(gòu)內(nèi)，智能控制器通常處在最外環(huán)部分，至于內(nèi)環(huán)部分依舊能夠保留矢量控制、PI調(diào)節(jié)器等傳統(tǒng)部分。究其原因，是因?yàn)橥猸h(huán)部分，才是系統(tǒng)性能優(yōu)劣的決定性因素，內(nèi)環(huán)部分通常起到優(yōu)化對(duì)象特性，來促進(jìn)外環(huán)控制的功能。因此各類擾動(dòng)對(duì)內(nèi)環(huán)造成的誤差問題，可以通過外環(huán)控制進(jìn)行控制與彌補(bǔ)。此外，外環(huán)采樣頻率要低于內(nèi)環(huán)，更有助于實(shí)現(xiàn)智能控制效果。

4 結(jié)論

綜上所述，電氣傳動(dòng)系統(tǒng)在運(yùn)用智能控制技術(shù)期間，可以將智能控制系統(tǒng)作為一類非線性系統(tǒng)，以此有效應(yīng)用非線性理論方式，針對(duì)智能控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性展開深入研究。智能控制技術(shù)在該系統(tǒng)中具有極其關(guān)鍵的作用，對(duì)于電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的安全高效運(yùn)行，可以起到極為重要的意義。

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