本發(fā)明涉及電器控制領域，特別是一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡的接觸器速度閉環(huán)控制方法。

背景技術：

接觸器作為一種常見的電磁開關廣泛應用于各種工業(yè)控制領域中，其性能指標直接影響控制系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定。傳統(tǒng)接觸器在運行中存在諸多缺陷，如：難以實現(xiàn)交直流通用，且工作電壓范圍窄，在臨界吸合電壓下鐵心會產(chǎn)生持續(xù)的振動，導致觸頭熔焊；對電壓跌落較為敏感，激磁電壓低于釋放值5～10ms即可引起觸頭分斷，影響接觸器在石油、化工等連續(xù)生產(chǎn)系統(tǒng)中的運行可靠性；存在線圈操作過電壓，影響與線圈并聯(lián)的其他電氣設備的運行可靠性，為此增加的過電壓抑制電路又引入了額外的保持功耗。近年來國內(nèi)外學者提出了各種接觸器智能控制方案，改善了傳統(tǒng)接觸器存在的不足：

1、接觸器高壓直流起動、低壓直流保持的控制方案。在接觸器起動過程中施加一較高的直流電壓進行強激磁，使接觸器可靠起動，起動完成后施加一較低的直流電壓，使接觸器維持可靠的低壓保持狀態(tài)，在此基礎上采用分段強激磁的優(yōu)化控制方案來實現(xiàn)起動過程動鐵心的“軟著陸”控制，減少觸頭彈跳。

2、接觸器pwm電壓閉環(huán)控制技術。采用改造后的buck拓撲作為線圈驅(qū)動電路，以線圈電壓作為反饋，通過調(diào)節(jié)pwm占空比，來獲得所需的起動電壓等效值及保持電壓等效值，以接觸器能夠可靠吸合為約束條件，以減少彈跳為目標，通過虛擬樣機技術及動態(tài)計算程序，尋找最佳起動占空比。

3、接觸器pwm電流閉環(huán)控制方案。以線圈電流作為反饋量，動態(tài)調(diào)節(jié)接觸器方波驅(qū)動電壓的占空比，從而得到所需的線圈電流，該方案直接控制電磁系統(tǒng)的激磁狀態(tài)，便于進行優(yōu)化控制。

4、根據(jù)線圈電壓、線圈電流，配合接觸器的結構參數(shù)及材料特性參數(shù)來估算動鐵心實時位移，在此基礎上進行接觸器的位移閉環(huán)控制，減少起動過程中的觸頭彈跳。

5、所有具有可變氣隙的電磁電器在動態(tài)過程中存在一個共同特征，即：“運動反電勢引起的線圈電流下跌效應”，根據(jù)這一共性提出了接觸器的線圈電流斜率閉環(huán)控制方案，在起動過程中檢測線圈電流下跌斜率，形成斜率外環(huán)控制電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)結構，間接控制觸頭速度，減少觸頭彈跳。

技術實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的是提出一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡的接觸器速度閉環(huán)控制方法，引入神經(jīng)網(wǎng)絡技術建立接觸器神經(jīng)網(wǎng)絡(ann)模型，無需接觸器具體的結構及材料參數(shù)，更不需要對磁路進行簡化處理及非飽和假設，僅通過簡單的訓練過程即可完成任何接觸器模型的構建，從而輸出高精度的位移信息；在此基礎上構建接觸器的速度閉環(huán)控制方案，對動鐵心的運動速度進行閉環(huán)控制。

本發(fā)明采用以下方案實現(xiàn)：一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡的接觸器速度閉環(huán)控制方法，具體包括以下步驟：

步驟s1：采用電流閉環(huán)作為基礎內(nèi)環(huán)，用以靈活調(diào)節(jié)接觸器的激磁狀態(tài)；

步驟s2：采集接觸器的激磁電壓及激磁電流，利用嵌入式ann模型計算接觸器動鐵心的實時位移；

步驟s3：利用實時位移信息來計算動鐵心的實時速度，構建接觸器速度閉環(huán)控制。

進一步地，所述步驟s2具體包括以下步驟：

步驟s21：采用霍爾電壓傳感器及霍爾電流傳感器對線圈激磁電壓、線圈激磁電流進行采樣，并采用下式積分得到磁鏈：

ψ＝∫(ucoil-icoilrcoil)；

其中，ψ為磁鏈，ucoil為線圈激磁電壓，icoil為線圈激磁電流，rcoil為線圈電阻；

步驟s22：將步驟s1采集得到的線圈激磁電流以及計算得到的磁鏈輸入ann模型，在ann模型的非線性映射下輸出準確的動鐵心位移x。

進一步地，步驟s3中，所述構建接觸器速度閉環(huán)控制具體包括電流內(nèi)環(huán)控制以及速度外環(huán)控制；

所述電流內(nèi)環(huán)控制為：采用電流互感器對線圈電流進行檢測，得到線圈激磁電流icoil，將icoil與參考電流iref比較，以滯環(huán)或pi模式更新驅(qū)動信號的占空比dpwm，驅(qū)動信號經(jīng)一隔離電路作用于電磁系統(tǒng)的驅(qū)動電路，調(diào)節(jié)線圈激勵電壓的導通周期數(shù)及占空比，實現(xiàn)線圈電流的閉環(huán)控制；

所述速度外環(huán)控制為：采用電壓互感器檢測線圈電壓，得到線圈激磁電壓ucoil，連同icoil及線圈電阻rcoil一起進行磁鏈計算，得到磁鏈ψ，將磁鏈ψ及icoil送入訓練好的接觸器嵌入式ann模型中，輸出動鐵心的實時位移x，之后采用數(shù)值微分進行速度計算得到實時速度v，將v與參考速度vref比較，以滯環(huán)或pi模式更新電流參考值iref。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明有以下有益效果：本發(fā)明以接觸器電流閉環(huán)控制為基礎，引入神經(jīng)網(wǎng)絡技術建立接觸器神經(jīng)網(wǎng)絡(ann)模型：僅通過采集線圈電壓及線圈電流即可計算動鐵心實時位移，避免了復雜磁路方程的計算；同時由于神經(jīng)網(wǎng)絡強大的非線性擬合能力，本發(fā)明模型的建立過程中無需接觸器具體的結構及材料參數(shù)，更不需要對磁路進行簡化處理及非飽和假設，僅通過簡單的訓練過程即可完成任何接觸器模型的構建，從而輸出高精度的位移信息；在此基礎上構建接觸器的速度閉環(huán)控制方案，對動鐵心的運動速度進行閉環(huán)控制，能夠有效提高接觸器的運行安全性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例的系統(tǒng)原理示意圖。

圖2為本發(fā)明實施例的位移與磁鏈關系示意圖。

圖3為本發(fā)明實施例的神經(jīng)網(wǎng)絡模型原理圖。

具體實施方式

下面結合附圖及實施例對本發(fā)明做進一步說明。

如圖1所示，本實施例提供了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡的接觸器速度閉環(huán)控制方法，具體包括以下步驟：

步驟s1：采用電流閉環(huán)作為基礎內(nèi)環(huán)，用以靈活調(diào)節(jié)接觸器的激磁狀態(tài)；

步驟s2：采集接觸器的激磁電壓及激磁電流，利用嵌入式ann模型計算接觸器動鐵心的實時位移；

步驟s3：利用實時位移信息來計算動鐵心的實時速度，構建接觸器速度閉環(huán)控制。

此外，位移及速度的實時計算，還可以實現(xiàn)接觸器常見故障的診斷，如：拒分、拒合、誤分、誤合故障，甚至包括鐵心卡澀等故障的識別，提高接觸器的運行安全性。

在本實施例中，所述步驟s2具體包括以下步驟：

步驟s21：采用霍爾電壓傳感器及霍爾電流傳感器對線圈激磁電壓、線圈激磁電流進行采樣，并采用下式積分得到磁鏈：

ψ＝∫(ucoil-icoilrcoil)；

其中，ψ為磁鏈，ucoil為線圈激磁電壓，icoil為線圈激磁電流，rcoil為線圈電阻；

步驟s22：將步驟s1采集得到的線圈激磁電流以及計算得到的磁鏈輸入ann模型，在ann模型的非線性映射下輸出準確的動鐵心位移x。

在本實施例中，步驟s3中，所述構建接觸器速度閉環(huán)控制具體包括電流內(nèi)環(huán)控制以及速度外環(huán)控制；

所述電流內(nèi)環(huán)控制為：采用電流互感器對線圈電流進行檢測，得到線圈激磁電流icoil，將icoil與參考電流iref比較，以滯環(huán)或pi模式更新驅(qū)動信號的占空比dpwm，驅(qū)動信號經(jīng)一隔離電路作用于電磁系統(tǒng)的驅(qū)動電路，調(diào)節(jié)線圈激勵電壓的導通周期數(shù)及占空比，實現(xiàn)線圈電流的閉環(huán)控制；

所述速度外環(huán)控制為：采用電壓互感器檢測線圈電壓，得到線圈激磁電壓ucoil，連同icoil及線圈電阻rcoil一起進行磁鏈計算，得到磁鏈ψ，將磁鏈ψ及icoil送入訓練好的接觸器嵌入式ann模型中，輸出動鐵心的實時位移x，之后采用數(shù)值微分進行速度計算得到實時速度v，將v與參考速度vref比較，以滯環(huán)或pi模式更新電流參考值iref。

下面進一步對本實施例的原理進行說明，在本實施例中，采用ansys建立接觸器的結構模型，輸入鐵磁材料非線性磁化曲線等參數(shù)，進行網(wǎng)格剖分，加載磁場邊界條件和電流載荷，隨后將位移和電流分段并進行循環(huán)計算，在每個不同固定位移下加載一系列的電流值(0.5-6a)，得到圖2所示位移與磁鏈的關系。由圖2可知：在線圈電流icoil固定時，磁鏈ψ隨著動鐵心位移x的增加而增大，屬于單調(diào)關系；在x固定時，ψ隨著icoil的增大而增大，亦為單調(diào)關系。根據(jù)以上單調(diào)關系可以得出：每一個特定的(ψ,icoil)狀態(tài)對應著唯一的鐵心位置，即每一個(ψ,icoil)對應著唯一的x。但該(ψ,icoil)至x之間的一一映射關系較為復雜，為高度非線性函數(shù)，而神經(jīng)網(wǎng)絡具有良好的非線性擬合能力，在非線性建模領域具有非常重要的應用，因此引入神經(jīng)網(wǎng)絡來解決接觸器的非線性建模問題。經(jīng)以上分析可以確定：接觸器ann模型的輸入向量為(ψ,icoil)，輸出向量為x，因此模型輸入層具有2個神經(jīng)網(wǎng)絡節(jié)點，輸出層具有1個節(jié)點。

在本實施例中，在接觸器ann模型的訓練及驗證過程中需采集足夠的磁鏈、線圈電流及動鐵心位移數(shù)據(jù)。線圈電流可以采用霍爾電流傳感器測量，鐵心位移可以采用基恩士激光位移傳感器測量，而磁鏈信息則較難直接測量。接觸器在運動過程中線圈滿足電壓平衡方程：

式中：ucoil為線圈電壓；icoil為線圈電流；rcoil為線圈電阻。

方程(1)改寫成積分形式為：

∫(ucoil-icoilrcoil)＝ψ(2)

因此，通過采集線圈電壓、線圈電流后進行簡單的積分計算即可間接得到磁鏈。最終接觸器ann模型原理如圖3所示：通過在線或離線測量的方式獲取電磁開關的線圈電阻rcoil，采用霍爾電壓傳感器及霍爾電流傳感器對線圈電壓、線圈電流進行采樣，之后積分得到磁鏈，磁鏈數(shù)據(jù)及電流數(shù)據(jù)輸入ann模型，在模型的非線性映射下輸出準確的動鐵心位移x。在上位機完成接觸器ann模型的訓練及驗證過程，確定ann模型各網(wǎng)絡節(jié)點的連接權值及閾值，之后將其寫成模塊化的嵌入式語言，進行接觸器ann模型的嵌入式應用。

接觸器速度閉環(huán)控制原理如圖1所示，可分為硬件控制電路及軟件控制策略，硬件電路原理為：

交/直流輸入電源經(jīng)整流、濾波后變?yōu)槊}動較小的直流，之后經(jīng)線圈驅(qū)動電路斬波變成高頻方波電壓，施加在線圈兩端；斬波控制電路由電力電子開關s1、s4及快恢復二極管d2、d3構成，根據(jù)施加在線圈兩端的電壓極性定義三種電路狀態(tài)：當s1、s4同時導通，正向電壓施加在線圈兩端，使線圈電流快速上升，定義此時電路狀態(tài)為+1態(tài)；當s1、s4同時關斷且線圈電流不為零時，線圈電流通過d2、d3向濾波電容回饋能量，導致負的電容電壓施加在線圈兩端，迫使線圈電流快速下降，將接觸器電磁系統(tǒng)中的電磁能轉(zhuǎn)換成濾波電容中的電場能，促使接觸器快速退磁，定義此時電路狀態(tài)為-1態(tài)；當僅有s4導通，線圈電流通過d3、s4續(xù)流時，線圈兩端承受負的d3及s4管壓降，接近0v，線圈電流僅能緩慢下降，定義此時電路狀態(tài)為0態(tài)。接觸器的線圈三態(tài)驅(qū)動電路可以靈活調(diào)節(jié)電磁系統(tǒng)的激磁狀態(tài)，為速度閉環(huán)控制打下基礎；采用電流互感器采樣線圈電流，電壓互感器采樣線圈電壓，采用隔離驅(qū)動電路來驅(qū)動電力電子開關，人機接口負責設置起動及分斷過程中的觸頭速度參考曲線及顯示故障狀態(tài)，ann模型配置接口負責接收訓練好的神經(jīng)網(wǎng)絡參數(shù)及線圈電阻值，配置接觸器嵌入式ann模型，最后采用數(shù)字控制芯片進行速度閉環(huán)控制策略的全數(shù)字控制，提高控制策略的靈活性及擴展性。

軟件策略從控制結構上可分為電流內(nèi)環(huán)及速度外環(huán)。

電流內(nèi)環(huán)：采用電流互感器對線圈電流進行檢測，得到icoil，icoil與參考電流iref比較，以滯環(huán)或pi模式更新驅(qū)動信號的占空比dpwm，驅(qū)動信號經(jīng)隔離電路作用于電磁系統(tǒng)驅(qū)動電路，調(diào)節(jié)線圈激勵電壓的導通周期數(shù)及占空比，實現(xiàn)線圈電流的閉環(huán)控制。電流閉環(huán)可實現(xiàn)線圈激磁狀態(tài)的快速調(diào)節(jié)，為其他復雜控制方法的實現(xiàn)提供基礎，因此電流閉環(huán)可作為基礎內(nèi)環(huán)。

速度外環(huán)：采用電壓互感器檢測線圈電壓，得到ucoil，連同icoil及線圈電阻rcoil一起進行磁鏈計算，得到ψ，ψ及icoil送入訓練好的接觸器嵌入式ann模型中，即可輸出動鐵心的實時位移x，之后采用數(shù)值微分進行速度計算得到實時速度v，v與參考速度vref比較，以滯環(huán)或pi模式更新電流參考值iref，通過對電流參考值的控制來實現(xiàn)速度外環(huán)控制電流內(nèi)環(huán)，進而實現(xiàn)對動鐵心速度的控制。

軟件策略從控制時序上可以分為起動過程、保持過程及分斷過程。

起動過程：起動過程中電流內(nèi)環(huán)根據(jù)參考電流值，使電路結構在+1態(tài)及-1態(tài)間動態(tài)變化(s1、s4開關狀態(tài)保持一致，都由dpwm來控制)，進行激磁電流的快速調(diào)節(jié)；同時加載設置的參考速度曲線，通過速度外環(huán)控制電流內(nèi)環(huán)的形式，對接觸器起動過程中的動鐵心速度進行有效控制；主要控制動靜觸頭閉合時刻的動鐵心速度及動靜鐵心閉合時刻的動鐵心速度，可以有效減少接觸器起動過程中的一次彈跳及二次彈跳，從而減少起動過程中的觸頭電弧侵蝕，同時減少起動過程對本體框架造成的沖擊，提高接觸器的電壽命及機械壽命。

保持過程：保持過程主要以電流內(nèi)環(huán)為主，設置一較低的保持電流參考值，同時s4置高電平，使電路結構僅在+1態(tài)及0態(tài)間動態(tài)變化，在維持保持電流動態(tài)平衡的同時，還可以大大降低開關管的開關次數(shù)，取得更好的節(jié)能保持效果；在保持過程中，仍然通過嵌入式ann模型來計算動鐵心的實時位移及實時速度，主要用于監(jiān)測動鐵心是否存在預期外的位移及速度變化，用于判斷接觸器的誤分、誤合、拒分、拒合及機構卡澀等故障。

分斷過程：接觸器接到分斷指令后，快速將電路結構置為-1態(tài)，使接觸器電磁系統(tǒng)快速退磁，加快觸頭分斷速度，從而減少分斷電弧對觸頭的侵蝕；在此過程中若觸頭分斷速度過快，對接觸器本體框架造成了過大的沖擊，可采取在分斷過程中分段(可以監(jiān)測分斷過程中動鐵心的實時位移，以動靜觸頭剛分時刻為分段點)加入電路0態(tài)(s4置高電平)的方式來降低分斷沖擊力，既加快了動靜觸頭剛分時刻的速度，同時又減少了對框架造成的沖擊，提高接觸器的電壽命及機械壽命。

至此，完成了基于神經(jīng)網(wǎng)絡的接觸器速度閉環(huán)控制過程。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，凡依本發(fā)明申請專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應屬本發(fā)明的涵蓋范圍。