專利名稱：三電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆自適應(yīng)控制器的構(gòu)造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種三電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆自適應(yīng)控制器的構(gòu)造方法，適用于三臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)三臺(tái)感應(yīng)電機(jī)以帶動(dòng)負(fù)載的高性能同步協(xié)調(diào)解耦控制，屬于電力傳動(dòng)控 制設(shè)備的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來，由多臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)多臺(tái)感應(yīng)電機(jī)并帶動(dòng)負(fù)載構(gòu)成的多電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)、城市軌道交通、印刷業(yè)等工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。關(guān)于多電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制技術(shù)的研究獲得了飛速的發(fā)展，高精度、持久而高效的多電機(jī)同步協(xié)調(diào)控制性能成為研究的焦點(diǎn)。對(duì)于三電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)而言，它具有多輸入、多輸出、非線性、強(qiáng)耦合的特性，加之容易受到負(fù)載變化和干擾因素的影響，它的結(jié)構(gòu)特性并不穩(wěn)定，所以很難獲得其精確的數(shù)學(xué)模型；另一方面，工業(yè)生產(chǎn)又要求各臺(tái)電機(jī)能夠在同速協(xié)調(diào)運(yùn)行的同時(shí)，保持傳送帶張力的相對(duì)穩(wěn)定，這顯然需要實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速和皮帶張力的解耦，增加了控制難度。因此，如何去實(shí)現(xiàn)三電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)高性能的協(xié)調(diào)運(yùn)行，特別是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和張力的解耦控制，是一個(gè)亟待解決的問題，也是當(dāng)今電力傳動(dòng)控制的重要研究方向。目前，主要的解耦控制方法包括交叉耦合控制、前饋控制、最優(yōu)控制、滑模控制等，這些方法在一定程度上改善了解耦效果，但是大多只適用于單電機(jī)或者兩電機(jī)，并且依賴于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型，很難保證系統(tǒng)在整個(gè)工作過程中最優(yōu)運(yùn)行并獲得滿意的控制效果。對(duì)于單電機(jī)和兩電機(jī)組成的變頻調(diào)速系統(tǒng)，由于其電機(jī)數(shù)量較少、硬件設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆或者神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆算法已經(jīng)應(yīng)用于單電機(jī)和兩電機(jī)組成的變頻調(diào)速系統(tǒng)中，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來逼近原系統(tǒng)的逆系統(tǒng)，從而構(gòu)建偽線性系統(tǒng)，不需要被控系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型。但是工業(yè)應(yīng)用中大量使用的卻是由三臺(tái)甚至更多臺(tái)電機(jī)組成的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，涉及的參數(shù)、耦合變量較多且設(shè)備復(fù)雜，因此，已有的控制策略有著明顯的局限性，而且其閉環(huán)控制器大多選用普通線性PID控制器，這種控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、易于實(shí)現(xiàn)，能滿足一般的調(diào)速要求，但由于它的控制參數(shù)保持恒定，所以系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能不佳，特別是啟動(dòng)速度比較慢、超調(diào)量比較大，當(dāng)遇到負(fù)載突增或者給定轉(zhuǎn)速突變時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)往往需要較長(zhǎng)時(shí)間才能恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種三電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆自適應(yīng)控制器的構(gòu)造方法，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆理論應(yīng)用到三電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，并且引入了模糊自適應(yīng)控制器作為閉環(huán)控制器，既能實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速和皮帶張力的解耦控制，又顯著減少系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間和超調(diào)量，顯著改善系統(tǒng)的跟蹤性能，增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性，實(shí)現(xiàn)三電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的聞性能協(xié)調(diào)運(yùn)打。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是包括如下步驟1)三臺(tái)變頻器分別驅(qū)動(dòng)三臺(tái)感應(yīng)電機(jī)以帶動(dòng)負(fù)載構(gòu)成三電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，將三臺(tái)感應(yīng)電機(jī)和三臺(tái)變頻器分別連接S7-300 PLC，通過S7-300 PLC設(shè)定三臺(tái)變頻器的轉(zhuǎn)速給定值，以轉(zhuǎn)速給定值作為三電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸入，以三臺(tái)感應(yīng)電機(jī)中的主動(dòng)感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速Or1和皮帶張力F12、F23作為三電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出；2)通過靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加2個(gè)積分器和3個(gè)傳函來構(gòu)造三電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆，所述靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有8個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)和3個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)，所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆具有3個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)和3個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)，靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的第二、第五、第八個(gè)輸入為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆的輸入，第二個(gè)輸入經(jīng)第一個(gè)傳函為靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的第一個(gè)輸入，第五個(gè)輸入經(jīng)第二個(gè)傳函為靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的第四個(gè)輸入，第四個(gè)輸入經(jīng)第一個(gè)積分器為靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的第三個(gè)輸入，第八個(gè)輸入經(jīng)第三個(gè)傳函為靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的第七個(gè)輸入，第七個(gè)輸入經(jīng)第二個(gè)積分器為靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的第六個(gè)輸入，靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出即為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆的輸出；3)將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣 義逆連接于三電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)之前，共同組成由一個(gè)速度子系統(tǒng)和兩個(gè)張力子系統(tǒng)構(gòu)成的偽線性復(fù)合系統(tǒng)；4)分別對(duì)一個(gè)速度子系統(tǒng)和兩個(gè)張力子系統(tǒng)設(shè)計(jì)相應(yīng)的一個(gè)速度模糊自適應(yīng)控制器和兩個(gè)張力模糊自適應(yīng)控制器，每個(gè)所述模糊自適應(yīng)控制器均由模糊推理系統(tǒng)和PID控制器組成，由一個(gè)速度模糊自適應(yīng)控制器和兩個(gè)張力模糊自適應(yīng)控制器構(gòu)成模糊自適應(yīng)閉環(huán)控制器；5)將模糊自適應(yīng)閉環(huán)控制器和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆相串接形成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆自適應(yīng)控制器。本發(fā)明通過構(gòu)造神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆，將原三電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)這一復(fù)雜非線性強(qiáng)耦合系統(tǒng)的控制問題轉(zhuǎn)化為三個(gè)簡(jiǎn)單的偽線性子系統(tǒng)的控制問題，從而可以合理地設(shè)計(jì)出模糊自適應(yīng)閉環(huán)控制器，真正實(shí)現(xiàn)了電機(jī)轉(zhuǎn)速和皮帶張力這對(duì)被控量的解耦控制，解決了三電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制問題。在獲得優(yōu)良的轉(zhuǎn)速和張力協(xié)調(diào)控制性能的同時(shí)，顯著提高了系統(tǒng)啟動(dòng)速度、跟蹤性能和魯棒性。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于
I、三電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)比簡(jiǎn)單的單電機(jī)或者兩電機(jī)組成的變頻調(diào)速系統(tǒng)在軋鋼、印染等工業(yè)中的應(yīng)用更為廣泛，因此，針對(duì)三電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)造的解耦控制器也更為合理和實(shí)用，有較高的應(yīng)用價(jià)值，特別是其解耦對(duì)象涉及三個(gè)變量，更符合實(shí)際工況，方便在更大范圍內(nèi)推廣。2、采用靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加積分器和傳函來實(shí)現(xiàn)三電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的廣義逆系統(tǒng)，然后再構(gòu)造神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆自適應(yīng)控制器，這種控制方法完全擺脫了傳統(tǒng)控制對(duì)于被控對(duì)象精確數(shù)學(xué)模型的依賴，解決了復(fù)雜非線性強(qiáng)耦合系統(tǒng)的解耦控制問題，大大提高了對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化、負(fù)載擾動(dòng)和網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的魯棒性。3、通過分別設(shè)計(jì)三個(gè)模糊自適應(yīng)閉環(huán)控制器來實(shí)現(xiàn)被控系統(tǒng)高精度同步協(xié)調(diào)運(yùn)行，控制器可以根據(jù)系統(tǒng)誤差情況在線實(shí)時(shí)調(diào)整控制參數(shù)，在實(shí)現(xiàn)三電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速和張力解耦的同時(shí)，對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的干預(yù)更為及時(shí)、靈敏、準(zhǔn)確，可以大幅度減少系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間和超調(diào)量，同時(shí)顯著提高系統(tǒng)的跟蹤精度和跟蹤速度，以獲得理想的啟動(dòng)和跟蹤效果，減少系統(tǒng)振湯，提聞系統(tǒng)魯棒性。4、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆與三電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)共同組成的偽線性復(fù)合系統(tǒng)可以等效為三個(gè)已解耦的積分線性子系統(tǒng)，包括一個(gè)速度子系統(tǒng)和兩個(gè)張力子系統(tǒng)，它們之間是相對(duì)獨(dú)立的，因此，如果實(shí)際生產(chǎn)對(duì)于電機(jī)轉(zhuǎn)速或者皮帶張力有特殊需要，可以為每個(gè)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)一個(gè)不同類型的控制器以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。5、經(jīng)過推導(dǎo)，得出張力本質(zhì)上是由相鄰兩臺(tái)電機(jī)之間的速度差所決定的，因此在做三電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)激勵(lì)時(shí)，特別設(shè)計(jì)了 3個(gè)PID控制器，并且以I號(hào)感應(yīng)電機(jī)(主動(dòng)電機(jī))的速度給定與2號(hào)PID張力控制器的輸出之差來調(diào)節(jié)2號(hào)感應(yīng)電機(jī)(從動(dòng)電機(jī))的速度，以2號(hào)感應(yīng)電機(jī)(從動(dòng)電機(jī))的速度輸入與3號(hào)PID張力控制器的輸出之差來調(diào)節(jié)3號(hào)感應(yīng)電機(jī)(從動(dòng)電機(jī))的速度，以使系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定，保證采集到更為有效的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，使訓(xùn)練出的靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逼近效果更佳。6、由于訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)較多且復(fù)雜，為提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的精度和學(xué)習(xí)速度，訓(xùn)練函數(shù)特意選取彈性梯度下降法函數(shù)“trainrp”;對(duì)采樣得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行掐頭去尾，等間隔選取，再進(jìn)行歸一化處理，最后再將歸一化后的數(shù)據(jù)分成訓(xùn)練數(shù)據(jù)集和檢驗(yàn)數(shù)據(jù)集兩組，前者訓(xùn)練數(shù)據(jù)集用于離線訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，直至訓(xùn)練誤差達(dá)到要求，后者檢驗(yàn)數(shù)據(jù)集用于檢驗(yàn)訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是否具有較好的泛化能力。7、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在逼近系統(tǒng)廣義逆時(shí)存在一定的誤差，以往的閉環(huán)控制器只能部分補(bǔ) 償由其所導(dǎo)致的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，而通過合理設(shè)計(jì)模糊自適應(yīng)閉環(huán)控制器，則可以完全消除這種逼近誤差引起的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差。8、在編寫下位機(jī)軟件STEP7程序時(shí)，特別采用了自頂而下的編程方式構(gòu)造軟件系統(tǒng)，整個(gè)程序較之以往簡(jiǎn)單的單電機(jī)或者兩電機(jī)更加模塊化、功能化，同時(shí)封裝性更好，以增強(qiáng)該控制算法的靈活性和可移植性。9、三電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)高性能協(xié)調(diào)傳動(dòng)控制涉及到電機(jī)模型的不確定性、負(fù)載的不確定性和所跟蹤給定信號(hào)的不確定性，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆模糊自適應(yīng)控制理論就是針對(duì)這些不確定性而提出的，本發(fā)明采用的模糊自適應(yīng)控制器作為閉環(huán)控制器，這種控制器是基于模糊語(yǔ)言變量、模糊集理論和模糊推理的智能控制器，能夠根據(jù)誤差和誤差的變化率在線實(shí)時(shí)調(diào)整控制參數(shù)，對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的干預(yù)更為及時(shí)、靈敏、準(zhǔn)確。因此，較之以往的控制方法，這種新型控制策略可以在實(shí)現(xiàn)線性化解耦控制的同時(shí)，大幅度減少系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間和超調(diào)量，顯著提高系統(tǒng)的跟蹤精度和跟蹤速度，以獲得理想的啟動(dòng)和跟蹤效果，減少系統(tǒng)振蕩，實(shí)現(xiàn)高性能魯棒控制。由于模糊自適應(yīng)控制器在解決非線性的不確定性和抗干擾方面的優(yōu)勢(shì)，可以把它推廣到更多類型的多電機(jī)協(xié)調(diào)傳動(dòng)控制中。


圖I是三臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)三臺(tái)感應(yīng)電機(jī)帶動(dòng)負(fù)載組成的三電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)4的原理結(jié)構(gòu)圖，
圖2是三電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)4的數(shù)學(xué)模型示意圖及其等效 圖3是三電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)4激勵(lì)及數(shù)據(jù)采樣原理 圖4是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆5與三電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)4共同構(gòu)成的偽線性復(fù)合系統(tǒng)6的示意圖及其等效 圖5是由模糊自適應(yīng)閉環(huán)控制器7與偽線性復(fù)合系統(tǒng)6組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。圖6是單個(gè)模糊自適應(yīng)控制器的原理結(jié)構(gòu) 圖7是采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆自適應(yīng)控制器8對(duì)三電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)4進(jìn)行控制的完整原理框 圖8是采用PLC作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆自適應(yīng)控制器8的本發(fā)明裝置組成示意 圖9是采用PLC作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆自適應(yīng)控制器8的主程序運(yùn)行框 圖中1.三臺(tái)變頻器；2.三臺(tái)感應(yīng)電機(jī)3.負(fù)載；4.三電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；5.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆；6.偽線性復(fù)合系統(tǒng)；7.模糊自適應(yīng)閉環(huán)控制器；8.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆自適應(yīng)控制器；9.工控機(jī)；10.光電編碼器；11.張力傳感器；51.靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；61.速度子系統(tǒng)；62、63.張力子系統(tǒng)；71.速度模糊自適應(yīng)控制器；72、73.張力模糊自適應(yīng)控制器。
具體實(shí)施例方式如圖I所示，組成三電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)4。三電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)4包括三臺(tái)交流異步感應(yīng)電機(jī)2和三臺(tái)變頻器1，1、2、3號(hào)變頻器分別對(duì)應(yīng)地連接1、2、3號(hào)感應(yīng)電機(jī)，1、2、3號(hào)感應(yīng)電機(jī)又分別經(jīng)減速機(jī)減速后分別驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的三個(gè)驅(qū)動(dòng)輥運(yùn)轉(zhuǎn)，三個(gè)驅(qū)動(dòng)輥由一條皮帶相連， 皮帶上設(shè)有浮動(dòng)輥，由于浮動(dòng)輥的張緊作用，皮帶會(huì)產(chǎn)生張力F12、F23，從而使系統(tǒng)可以帶負(fù)載3運(yùn)行。三臺(tái)變頻器I分別驅(qū)動(dòng)三臺(tái)交流異步感應(yīng)電機(jī)2以帶動(dòng)負(fù)載3，就構(gòu)成了三電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)4。考慮到三電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)4中各感應(yīng)電機(jī)2的轉(zhuǎn)速和皮帶的張力是相互聯(lián)系和影響的，本發(fā)明采用了主從控制的方式，設(shè)I號(hào)感應(yīng)電機(jī)為主動(dòng)電機(jī)，其轉(zhuǎn)速和皮帶張力F12、F23作為系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)速和張力，其余電機(jī)為從動(dòng)電機(jī)，從動(dòng)電機(jī)以張力為跟蹤依據(jù)與主動(dòng)電機(jī)保持同步，2號(hào)感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速號(hào)感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速ωΛ。為盡可能模擬實(shí)際工況下負(fù)載的多樣性和不均衡性，使每臺(tái)感應(yīng)電機(jī)2所加負(fù)載3都獨(dú)立可調(diào)，本發(fā)明特別地在三個(gè)驅(qū)動(dòng)輥上分別安裝了磁粉制動(dòng)器，通過施加勵(lì)磁電流來傳遞負(fù)載轉(zhuǎn)矩。將三電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)4連接S7-300 PLC，將三臺(tái)感應(yīng)電機(jī)2和三臺(tái)變頻器I均分別連接S7-300 PLC，通過S7-300 PLC設(shè)定1、2、3號(hào)變頻器的轉(zhuǎn)速給定值ω^ω^ω^，通過轉(zhuǎn)速給定值ω2*、ω3*來分別控制1、2、3號(hào)感應(yīng)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。各臺(tái)感應(yīng)電機(jī)經(jīng)減速機(jī)以15 :1減速后驅(qū)動(dòng)三個(gè)驅(qū)動(dòng)輥運(yùn)轉(zhuǎn)。三臺(tái)變頻器I的轉(zhuǎn)速給定值GJ1' ω/、(03*作為系統(tǒng)的輸入。轉(zhuǎn)速和張力實(shí)際值通過測(cè)量?jī)x器反饋至S7-300 PLC0在組成了三電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)4和通過S7-300 PLC給定三臺(tái)變頻器轉(zhuǎn)速給定值之后，做整個(gè)三電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)4的等效，并且通過常規(guī)方法的分析、等效與推導(dǎo)，證明三電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)4的廣義逆存在，從而為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆5的構(gòu)造、學(xué)習(xí)與訓(xùn)練提供理論依據(jù)。首先確定三電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)4的數(shù)學(xué)模型，數(shù)學(xué)模型的輸入變量為三臺(tái)變頻器I的轉(zhuǎn)速給定值ω,、ω2' ω3%輸出變量為I號(hào)感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速Cori和皮帶張力F12、F23 ;然后對(duì)三電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)4進(jìn)行等效，如圖2所示；最后通過分析和推導(dǎo)可得到整個(gè)三電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)4的數(shù)學(xué)模型表達(dá)式為靜止兩相坐標(biāo)系下的三階微分方程，包括一個(gè)相對(duì)階數(shù)為一階的速度輸出和兩個(gè)相對(duì)階數(shù)為二階的張力輸出，速度相對(duì)階數(shù)為一階，兩個(gè)張力的相對(duì)階數(shù)均為二階，可證明被控系統(tǒng)即三電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)4的廣義逆存在，并可確定其廣義逆的三個(gè)輸入為速度COr1的一階導(dǎo)數(shù)和張力F12、F23的二階導(dǎo)數(shù)F12(2)、F23(2)，三個(gè)輸出為三電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)4的三個(gè)輸入，轉(zhuǎn)速給定值ω^、ω/、ω3%從而建立其廣義逆數(shù)學(xué)表達(dá)式。需要指出的是，這一步只是為下面的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆5的構(gòu)造、學(xué)習(xí)與訓(xùn)練提供理論上的根據(jù)，在本發(fā)明的具體實(shí)施中，這一步的分析、等效以及廣義逆存在的理論證明等，均可跳過。確定靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)51的各個(gè)權(quán)值、域值。如圖3所示，由于張力本質(zhì)上是由相鄰兩臺(tái)電機(jī)之間的速度差所決定的，所以本發(fā)明設(shè)計(jì)了 3個(gè)PID控制器使三電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)4穩(wěn)定，并且以I號(hào)感應(yīng)電機(jī)2的速度給定與2號(hào)PID張力控制器的輸出之差來調(diào)節(jié)2號(hào)感應(yīng)電機(jī)2的速度，以2號(hào)感應(yīng)電機(jī)2的速度輸入與3號(hào)PID張力控制器的輸出之差來調(diào)節(jié)3號(hào)感應(yīng)電機(jī)2的速度，以使系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定，然后施加三個(gè)合理的F12, F23隨機(jī)方波信號(hào)到三電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)4的輸入端以激勵(lì)系統(tǒng)，得到的采樣信號(hào)經(jīng)過處理后構(gòu)成訓(xùn)練樣本集。采樣信號(hào)包括轉(zhuǎn)速PID輸出U1、張力PID輸出U2和u3、實(shí)際轉(zhuǎn)速ωΗ、實(shí)際張力F12和F23 ;對(duì)實(shí)際轉(zhuǎn)速信號(hào)離線求其一階導(dǎo)數(shù)ω丨1)，對(duì)實(shí)際張力信號(hào)離線求其一、二階導(dǎo)數(shù)F12(1)、F2，、F12(2)、F23(2)，輸入節(jié)點(diǎn)包括 rl、( CorlWrl(D)J12J12'(F12(2)+1. 414 ρ 2(ι)+ Fl2)、F23、F23 ⑴、(F23(2)+l. 414 F23(1)+ F23)，輸出節(jié)點(diǎn)包括ui、u2、u3。對(duì)采樣得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行掐頭去尾，等間隔選取，然后進(jìn)行歸一化處理，最后再將歸一化后的數(shù)據(jù)分成訓(xùn)練樣本集和檢驗(yàn)樣本集兩組，訓(xùn)練樣本集{ ωΓ , ( Qrl+Qrl(1)),F12,F12(1), (F12(2)+l. 414 F12(1)+ F12),F23,F23(1), (F23(2)+l. 414F23(1)+ F23)，ui，u2，u3}用于訓(xùn)練靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)51，檢驗(yàn)樣本集用于檢驗(yàn)訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是否具有較好的泛化能力。其中靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)51采用3層BP網(wǎng)絡(luò)，輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)為8，隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)為11，輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)為3，隱含層傳函采用“l(fā)ogsig”，輸出層傳函采用“purelin”，訓(xùn)練函數(shù)選取彈性梯度下降法函數(shù)“trainrp”，經(jīng)過4000次訓(xùn)練，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出均方誤差小于O. 001，滿足要求，從而可以確定靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)51的各個(gè)權(quán)值、域值。 構(gòu)造神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆5。如圖4左圖中的虛線框內(nèi)所示，采用具有8個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)、3個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)的靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)51加2個(gè)積分器和3個(gè)傳函構(gòu)成具有3個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)、3個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆5。其中靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)51的第二、第五、第八個(gè)輸入為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆5的輸入,第二個(gè)輸入經(jīng)第一個(gè)傳函為靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)51的第一個(gè)輸入,第五個(gè)輸入經(jīng)第二個(gè)傳函為靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)51的第四個(gè)輸入，第四個(gè)輸入經(jīng)第一個(gè)積分器為靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的第三個(gè)輸入，第八個(gè)輸入經(jīng)第三個(gè)傳函為靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)51的第七個(gè)輸入,第七個(gè)輸入經(jīng)第二個(gè)積分器為靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的第六個(gè)輸入，靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)51的輸出即為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆5的輸出。構(gòu)造偽線性復(fù)合系統(tǒng)6,從而形成速度子系統(tǒng)61和張力子系統(tǒng)62、63。如圖4左圖中的虛線框內(nèi)所示，將確定了各個(gè)權(quán)值、域值的靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)51和2個(gè)積分器、3個(gè)傳函共同組成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆5，其中積分器為1/S，傳函分別為l/(aias+an)、S/(a2as2+a2Ps+a22)、S/{a^+a^s+a,,)。如圖4右圖所示，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆5連接于三電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)4之前，共同組成等效的偽線性復(fù)合系統(tǒng)6，該偽線性復(fù)合系統(tǒng)6由一個(gè)一階穩(wěn)定的速度子系統(tǒng)和兩個(gè)二階穩(wěn)定的張力子系統(tǒng)共同構(gòu)成，從而實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速與張力之間的解耦，這樣就把被控量(一個(gè)速度和兩個(gè)張力)相互耦合的三輸入(三臺(tái)變頻器的輸入)、三輸出(一個(gè)速度和兩個(gè)張力)、非線性、強(qiáng)耦合的復(fù)雜系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為三個(gè)簡(jiǎn)單的單變量線性子系統(tǒng)來進(jìn)行控制。設(shè)計(jì)模糊自適應(yīng)閉環(huán)控制器7。如圖5所示，依據(jù)模糊控制理論分別對(duì)得到的一個(gè)速度子系統(tǒng)61和兩個(gè)張力子系統(tǒng)62、63設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)的速度模糊自適應(yīng)控制器71和張力模糊自適應(yīng)控制器72、73。如圖6所示，每個(gè)模糊自適應(yīng)控制器均由模糊推理系統(tǒng)和PID控制器組成，使用模糊控制規(guī)則在線調(diào)整控制參數(shù)，采用兩輸入三輸出的結(jié)構(gòu)，以系統(tǒng)誤差e和e的變化率ec作為輸入量，輸出量為PID控制器的比例系數(shù)Kp、積分系數(shù)&、微分系數(shù)Kd的變化量ΛΚΡ、AKi, Λ Kd，輸入量和輸出量的模糊子集為{NB，ΝΜ，NS，Z0，PS，PM，PB}，其中元素NB的隸屬度函數(shù)選用“zmf”，元素PB的隸屬度函數(shù)選用“smf”，其余元素的隸屬度函數(shù)選用“trimf”。整個(gè)系統(tǒng)如圖 I 所示，其中 G11=I/(a10s+au)、G22S=S/(a20s2+a21s+a2^) >G33S=S/{a^0S2+a^1S+a^2)。如圖7，最后，將模糊自適應(yīng)閉環(huán)控制器7與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆5相串接，由模糊自適應(yīng)閉環(huán)控制器7和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆5共同組成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆自適應(yīng)控制器8，可根據(jù)不同的控制要求采用不同的硬件或軟件來實(shí)現(xiàn)。圖8是本發(fā)明的具體實(shí)施例的示意圖，包括整個(gè)系統(tǒng)的電氣結(jié)構(gòu)及其通訊組成。其中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆自適應(yīng)控制器8由可編程控制器即PLC通過工控機(jī)9的軟件來實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)主程序框圖如圖9所示。PLC通過Profibus-DP方式控制三臺(tái)變頻器I，WinCC通過MPI方式監(jiān)控PLC并通過OPC技術(shù)把PLC中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采樣到Excel中，Matlab直接調(diào)用Excel中的數(shù)據(jù)訓(xùn)練靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)51，再通過OPC技術(shù)將訓(xùn)練完成后的權(quán)值、域值寫到PLC中。其中0PC采用的是服務(wù)器/客戶機(jī)結(jié)構(gòu)，首先使用OPC DA Sever服務(wù)器，然后在Excel中建立OPC Clien t客戶機(jī)，與WinCC服務(wù)器連接，讀取系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送至Excel。在變頻器I上添加了 CB15通訊模塊實(shí)現(xiàn)PLC與變頻器I之間的Profibus-DP通訊；在工控機(jī)9中插接了 CP5611通訊卡，實(shí)現(xiàn)與PLC的MPI通訊；PLC選用西門子S7-300型，主要包括CPU模塊(S7-315-2DP)、模擬量輸入輸出模塊(SM335)、高速計(jì)數(shù)器模塊(FM350-1);三臺(tái)變頻器I采用西門子Micromaster Vector型號(hào)；被控的三臺(tái)感應(yīng)電機(jī)2的型號(hào)為Y100L1-4，額定功率為2. 2kW，額定電流為5A，額定轉(zhuǎn)速為1420r/min ;光電編碼器10的型號(hào)為YGM-615 ;張力傳感器11的型號(hào)為SL100。
權(quán)利要求
1.一種三電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆自適應(yīng)控制器的構(gòu)造方法，其特征是包括如下步驟I)由三臺(tái)變頻器分別驅(qū)動(dòng)三臺(tái)感應(yīng)電機(jī)以帶動(dòng)負(fù)載構(gòu)成三電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，將三臺(tái)感應(yīng)電機(jī)和三臺(tái)變頻器分別連接S7-300 PLC，通過S7-300 PLC設(shè)定三臺(tái)變頻器的轉(zhuǎn)速給定值，以轉(zhuǎn)速給定值作為三電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸入，以三臺(tái)感應(yīng)電機(jī)中的主動(dòng)感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速ωΓ 和皮帶張カF12、F23作為三電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸出； 2)通過靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加2個(gè)積分器和3個(gè)傳函來構(gòu)造三電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆，所述靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有8個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)和3個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)，所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆具有3個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)和3個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)，靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的第二、第五、第八個(gè)輸入為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆的輸入，第二個(gè)輸入經(jīng)第一個(gè)傳函為靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的第一個(gè)輸入，第五個(gè)輸入經(jīng)第二個(gè)傳函為靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的第四個(gè)輸入，第四個(gè)輸入經(jīng)第一個(gè)積分器為靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的第三個(gè)輸入，第八個(gè)輸入經(jīng)第三個(gè)傳函為靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的第七個(gè)輸入，第七個(gè)輸入經(jīng)第二個(gè)積分器為靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的第六個(gè)輸入，靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出即為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆的輸出； 3)將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆連接于三電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)之前共同組成由ー個(gè)速度子系統(tǒng)和兩個(gè)張カ子系統(tǒng)構(gòu)成的偽線性復(fù)合系統(tǒng)； 4)分別對(duì)ー個(gè)速度子系統(tǒng)和兩個(gè)張カ子系統(tǒng)設(shè)計(jì)相應(yīng)的ー個(gè)速度模糊自適應(yīng)控制器和兩個(gè)張力模糊自適應(yīng)控制器，每個(gè)所述模糊自適應(yīng)控制器均由模糊推理系統(tǒng)和PID控制器組成，由ー個(gè)速度模糊自適應(yīng)控制器和兩個(gè)張力模糊自適應(yīng)控制器構(gòu)成模糊自適應(yīng)閉環(huán)控制器； 5)將模糊自適應(yīng)閉環(huán)控制器和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆相串接形成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆自適應(yīng)控制器。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的三電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆自適應(yīng)控制器的構(gòu)造方法，其特征是設(shè)計(jì)模糊自適應(yīng)控制器吋，以三電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)誤差e和e的變化率ec為輸入量，輸出量為PID控制器的比例系數(shù)Kp、積分系數(shù)Ki.微分系數(shù)Kd的變化量ΛΚρ、AKi, AKd。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的三電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆自適應(yīng)控制器的構(gòu)造方法，其特征是通過調(diào)整靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和域值使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆實(shí)現(xiàn)三電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的逆系統(tǒng)；靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和域值的確定方法為施加ort、F12、F23隨機(jī)方波信號(hào)到三電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸入端以激勵(lì)系統(tǒng)，采樣信號(hào)包括速度模糊自適應(yīng)控制器輸出U1、兩個(gè)張カ模糊自適應(yīng)控制器輸出U2和U3以及《rt、F12、F23;對(duì)《Μ離線求其一階導(dǎo)數(shù)ωノ心對(duì)F12、ん離線求其ーニ階導(dǎo)數(shù)匕⑴七/^匕氣ん^用構(gòu)成的訓(xùn)練樣本集いが㈨ー^^⑴)，F(xiàn)12，F(xiàn)12(1)，(F12(2)+L414 F12(1)+ F12), F23, F23(1), (F23(2)+1.414 F23⑴ + F23), U1, u2，u3}對(duì)靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練以確定權(quán)值和域值。
全文摘要
本發(fā)明公開一種三電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆自適應(yīng)控制器的構(gòu)造方法，由三臺(tái)變頻器分別驅(qū)動(dòng)三臺(tái)感應(yīng)電機(jī)以帶動(dòng)負(fù)載構(gòu)成三電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，通過S7-300PLC設(shè)定三臺(tái)變頻器的轉(zhuǎn)速給定值，通過靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加2個(gè)積分器和3個(gè)傳函來構(gòu)造三電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆連接于三電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)之前組成偽線性復(fù)合系統(tǒng)；分別對(duì)一個(gè)速度子系統(tǒng)和兩個(gè)張力子系統(tǒng)設(shè)計(jì)相應(yīng)的模糊自適應(yīng)控制器構(gòu)成模糊自適應(yīng)閉環(huán)控制器，將模糊自適應(yīng)閉環(huán)控制器和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆相串接形成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆自適應(yīng)控制器，能夠根據(jù)系統(tǒng)誤差在線調(diào)整控制參數(shù)，大幅度減少系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間和超調(diào)量，顯著提高系統(tǒng)的跟蹤精度和跟蹤速度。
文檔編號(hào)G06N3/02GK102629843SQ20121009787
公開日2012年8月8日 申請(qǐng)日期2012年4月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月6日
發(fā)明者于堃, 劉國(guó)海, 胡德水, 趙文祥 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)