基于神經(jīng)網(wǎng)絡控制的兩電動機同步系統(tǒng)研究

    張運芳^1,2，陳榮¹，趙永建²

(1鹽城工學院，江蘇鹽城224051；2江蘇大學，江蘇鎮(zhèn)江212013)

    摘要：以多變量、非線性、強耦合的兩電動機同步控制系統(tǒng)為研究對象，對變頻器供電的感應電機系統(tǒng)進行重點研究，建立兩電機同步系統(tǒng)的數(shù)學模型。采用rbf神經(jīng)網(wǎng)絡自適應pid控制器，結合自適應神經(jīng)元解耦補償?shù)慕怦羁刂萍夹g，設計了兩電機同步調(diào)速系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡控制器，試驗結果表明該方法可以實現(xiàn)電機轉速和皮帶張力的解耦控制。

    關鍵詞：同步系統(tǒng)；神經(jīng)網(wǎng)絡；解耦控制；電動機；控制器

    中圖分類號：tm346  文獻標識碼：a  文章編號：1004—7018(2009)11—0053—04

o引  言

    多電機同步系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)、軍事及航空等行業(yè)有著廣闊的應用領域。自從1980年koren提出交叉耦合控制以來，諸多科學工作者圍繞多電軸協(xié)調(diào)控制展開了進一步的研究，特別是20世紀90年代，guo等把雙線性理論應用到多電機的控制上，1992年tomizuka等又把自適應前饋控制策略應用到交叉耦合控制器中，以提高瞬問響應和抗干擾能力^[1]。1999年韓國首爾大學的seok和seung—h0等根據(jù)實際平均轉子速度和參考張力設計前饋補償器，實現(xiàn)解耦控制^[2]。2000年東北大學張殿華等用偽對角化方法設計交叉耦合控制器，使補償后的系統(tǒng)具有對角占優(yōu)的特性，實現(xiàn)活套和張力解耦控制^[3]。2002年東南大學戴先中應用神經(jīng)網(wǎng)絡的α階逆系統(tǒng)的方法實現(xiàn)了速度和張力的完全解耦控制^[4]。以上控制方法大多依賴系統(tǒng)精確的數(shù)學模型，但交流電機是高階、強耦合、非線性時變的復雜控制對象，較難獲得它的精確數(shù)學模型，這使傳統(tǒng)的線性定參數(shù)hd控制調(diào)節(jié)難以達到控制要求，同時工業(yè)生產(chǎn)中要求實現(xiàn)速度和張力的解耦控制，更增加了控制難度。

    本文針對電流跟蹤型spwm變頻器供電的多電機同步系統(tǒng)，建立了兩臺電機同步控制系統(tǒng)的數(shù)學模型。采用rbf神經(jīng)網(wǎng)絡整定的白適應pid控制器，結合自適應神經(jīng)元解耦補償?shù)慕怦羁刂萍夹g，設計了神經(jīng)網(wǎng)絡控制器，實現(xiàn)了兩電機同步系統(tǒng)速度和張力的解耦控制。該控制器結構簡單，具有自學習自適應的能力，能夠適應環(huán)境的變化。

1兩電機同步系統(tǒng)物理模型

    兩電機同步系統(tǒng)模型如圖1所示。一臺電機為主令電機，另一臺為從動電機，各臺電機軸通過減速機與軋棍相連，軋棍問為連接皮帶，經(jīng)皮帶中央的浮

動輥給皮帶施加張力。根據(jù)給定主令電機的速度及給定皮帶的張力，調(diào)節(jié)從動電機的速度，以滿足系統(tǒng)速度和張力的控制要求，實現(xiàn)對系統(tǒng)的同步協(xié)調(diào)控制。根據(jù)虎克定律，考慮前滑量，張力具有以下的形式^[6],即:

式中:k為傳遞系數(shù)，k=e/v;t為張力變化常數(shù)，t=l0/av；f為皮帶張力；r₁、k₁為第l臺皮帶輪(軋輥1)的半徑、速比；r₂、k₂為第2臺皮帶輪(軋輥2)的半徑、速比；ω_r1,ω_r2分別電機l和電機2的電角速度；n_p1,n_p2分別為電機l和電機2的極對數(shù)；a為皮帶截面積；e為皮帶的楊氏彈性模量；l。為機架間的距離；v為期望速度。

    從張力公式中可以看出，電機的速度與張力之間存在著耦合關系，它們相互影響，任何一個量的變化都會引起其它量的變化。因此，要實現(xiàn)對兩臺電機的同步協(xié)調(diào)控制，就必須對系統(tǒng)中的速度和張力進行解耦。

2兩電機同步系統(tǒng)控制器設計

2．1兩電機同步系統(tǒng)常規(guī)pid控制

    兩電機同步系統(tǒng)常規(guī)hd控制框圖如圖2所示。圖中，ω₂為主令電機的速度給定值，ω_r2 

為主令電機的速度實際值，由光電編碼器檢測得到；f。為皮帶張力的給定值，f為皮帶張力的實際值，由張力傳感器檢測得到。由于張力本質(zhì)上是由兩臺電機間的速度差決定^[5]，因此根據(jù)主令電機速度給定與張力pid控制器輸出的差來調(diào)節(jié)從動電機的速度，從而實現(xiàn)對皮帶張力的控制。

由于變頻器與感應電機系統(tǒng)為一個復雜的非線性系統(tǒng)，同時皮帶的動力學特性復雜，張