一種無刷直流電機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)多目標優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種無刷直流電機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)多目標優(yōu)化方法，屬于電機調(diào)速優(yōu) 化技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 無刷直流電機（BrushlessDirectCurrentMotor,BLDCM)具有結(jié)構(gòu)簡單、運行可 靠、維護方便以及無機械換向器等優(yōu)點，特別是隨著電力電子技術(shù)及新型永磁材料發(fā)展和 迅速成熟，無刷直流電機已經(jīng)被廣泛使用在工業(yè)生產(chǎn)中。
[0003] 目前無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)運用最典型是雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，其中雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 是由速度控制器和電流控制器控制；雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中控制器常選用原理簡單、應(yīng)用廣泛 的PI控制器。由于整定控制器參數(shù)直接影響無刷直流電機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的控制性能，因 此PI參數(shù)值的大小尤為重要。
[0004] 無刷直流電機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)通常由人工經(jīng)驗整定速度和電流控制器的參數(shù)大 小，可是這種方法不但費時費力而且控制系統(tǒng)性能差。為了能夠得到一個誤差小、響應(yīng)速度 快以及抗干擾能力強的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，可以采用先進人工智能算法對無刷直流電機雙閉 環(huán)調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)化。但是很多智能算法經(jīng)常會出現(xiàn)"早熟"和局部收斂能力差等現(xiàn)象，優(yōu)化結(jié) 果并不理想。
[0005] 傳統(tǒng)智能算法對PI參數(shù)優(yōu)化時，通常都是只考慮某一個控制環(huán)的偏差值，得出的 結(jié)果并不是最優(yōu)解，并且從元器件的保養(yǎng)角度看，考慮控制器的輸出量也十分重要，否則很 容易造成元器件損壞，從而加大維修成本。因此，設(shè)計一個先進優(yōu)化算法和多目標適應(yīng)度函 數(shù)方法來整定雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的控制器參數(shù)就顯得尤為重要。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種針對現(xiàn)有無刷直流電機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 進行改進，引入轉(zhuǎn)速偏差和電流偏差，采用量子遺傳算法能夠有效提高無刷直流電機工作 調(diào)速工作效率的無刷直流電機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)多目標優(yōu)化方法。
[0007] 本發(fā)明為了解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：本發(fā)明設(shè)計了一種無刷直流電 機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)多目標優(yōu)化方法，包括如下步驟：
[0008] 步驟001.建立無刷直流電機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，其中，包括速度環(huán)、電流環(huán)和無刷 直流電機，速度環(huán)中包括速度控制器，電流環(huán)中包括電流控制器，電流環(huán)接收速度環(huán)的輸出 量，作為電流環(huán)的輸入電流值，進入步驟002 ;
[0009] 步驟002.針對速度控制器中比例-積分控制器的比例系數(shù)kpJP積分時間常數(shù) kh，設(shè)定取值范圍；以及針對電流控制器中比例-積分控制器的比例系數(shù)kp2和積分時間常 數(shù)ki2，設(shè)定取值范圍；并初始化迭代次數(shù)m= 1，進入步驟003 ;
[0010] 步驟003.根據(jù)比例系數(shù)kPl、積分時間常數(shù)kii、比例系數(shù)kpjp積分時間常數(shù)ki2 的取值范圍，隨即產(chǎn)生預(yù)設(shè)組數(shù)的控制器參數(shù)，其中，各組控制器參數(shù)分別包括比例系數(shù) kPl、積分時間常數(shù)kii、比例系數(shù)kpjP積分時間常數(shù)ki2的取值，并進入步驟004 ;
[0011] 步驟004.將各組控制器參數(shù)分別代入對應(yīng)速度控制器中的比例-積分控制器，以 及電流控制器中的比例-積分控制器；同時，針對無刷直流電機設(shè)定一個預(yù)設(shè)額定轉(zhuǎn)速，控 制無刷直流電機開始工作，并進入步驟005 ;
[0012] 步驟005.分別對應(yīng)于各組控制器參數(shù)，分別獲取無刷直流電機工作過程中的實 際轉(zhuǎn)速和實際電流值，并分別獲取無刷直流電機實際轉(zhuǎn)速與預(yù)設(shè)額定轉(zhuǎn)速之間的轉(zhuǎn)速偏差 v(t)，以及無刷直流電機實際電流值與電流環(huán)所接收輸入電流值之間的電流偏差e(t)，并 進入步驟006 ;
[0013] 步驟006.分別對應(yīng)于各組控制器參數(shù)，根據(jù)如下適應(yīng)度函數(shù)f，分別獲得各組控 制器參數(shù)所對應(yīng)的適應(yīng)度函數(shù)值f;
[0014]
[0015] 其中，f為適應(yīng)度函數(shù)值，t為無刷直流電機的運行時間，％、《2分別為轉(zhuǎn)速偏差 v(t)的絕對值積分項和電流偏差e(t)的絕對值積分項分別乘以無刷直流電機的運行時間t后，所獲得的速度控制器權(quán)重和電流控制器權(quán)重，并且0 < 《2< 1，《i+?2= 1，進 入步驟007 ;
[0016] 步驟007.判斷迭代次數(shù)m是否等于預(yù)設(shè)總迭代次數(shù)，是則進入步驟008 ;否則進 入步驟009 ;
[0017] 步驟008.獲得各組控制器參數(shù)所對應(yīng)適應(yīng)度函數(shù)值中的最大適應(yīng)度函數(shù)值，并 獲得該最大適應(yīng)度函數(shù)值對應(yīng)的一組控制器參數(shù)，該組控制器參數(shù)即為最優(yōu)控制器參數(shù)， 將最優(yōu)控制器參數(shù)中的比例系數(shù)kPl、積分時間常數(shù)kh、比例系數(shù)kpdP積分時間常數(shù)ki2 分別代入速度控制器中的比例-積分控制器和電流控制器中比例-積分控制器，實現(xiàn)針對 無刷直流電機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的控制，優(yōu)化方法結(jié)束；
[0018] 步驟009.針對各組控制器參數(shù)，分別按如下模型進行量子編碼，即獲得比例 系數(shù)kPl、積分時間常數(shù)kh、比例系數(shù)kpdP積分時間常數(shù)ki2所對應(yīng)的量子編碼為
[0019] jj) = aJ〇) +0J 1)；
[0020] j2) = a2|〇) +02| 1)；
[0021] j3) = a3|〇) + 03|1)；
[0022] j4) = a4|〇) + 04| 1)；
[0023] 其中，| 表示比例系數(shù)kPl在量子力學(xué)中的表示狀態(tài)，|j2〉表示積分時間常數(shù) kii在量子力學(xué)中的表示狀態(tài)，|j3〉表示比例系數(shù)kp2在量子力學(xué)中的表示狀態(tài)，|j4〉表示 積分時間常數(shù)ki2在量子力學(xué)中的表示狀態(tài)；a,表示|0〉的概率，0 ,表示|1〉的概率，且 a，+| 1|2= 1，i= {1、2、3、4};進入步驟 010 ;
[0024] 步驟010.獲得各組控制器參數(shù)所對應(yīng)適應(yīng)度函數(shù)值中的最大適應(yīng)度函數(shù)值，并 獲得該最大適應(yīng)度函數(shù)值對應(yīng)的一組控制器參數(shù)，并獲得該組控制器參數(shù)所對應(yīng)的量子編 碼，作為當前迭代最優(yōu)量子編碼，然后根據(jù)如下公式，并結(jié)合現(xiàn)有量子旋轉(zhuǎn)角選擇策略，分 別將其余各組控制器參數(shù)所對應(yīng)的量子編碼向著該當前迭代最優(yōu)量子編碼的方向進行演 化，更新獲得除當前迭代最優(yōu)量子編碼以外的各組量子編碼；
[0025]
[0026] 其中，9i為量子旋轉(zhuǎn)門的旋轉(zhuǎn)角度，a' $ai演化后的更新值，0 0i演化 后的更新值，分別用a',和，的值去更新對應(yīng)a,和0,的值；進入步驟011;
[0027] 步驟011.根據(jù)更新獲得的各組量子編碼，獲得該各組量子編碼所分別對應(yīng)的各 組控制器參數(shù)，并將該各組控制器參數(shù)與當前迭代最優(yōu)量子編碼所對應(yīng)的一組控制器參數(shù) 構(gòu)成預(yù)設(shè)組數(shù)的控制器參數(shù)，將迭代次數(shù)m的值加1，針對迭代次數(shù)m進行更新，并返回步驟 004〇
[0028] 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案：所述控制器參數(shù)的預(yù)設(shè)組數(shù)為40組，所述預(yù)設(shè) 總迭代次數(shù)為30。
[0029] 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案：所述步驟002中，針對速度控制器中比例-積分 控制器的比例系數(shù)kpJP積分時間常數(shù)kii，設(shè)定取值范圍為（0, 2. 3)。
[0030] 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案：所述步驟002中，針對電流控制器中比例-積分 控制器的比例系數(shù)kpjP積分時間常數(shù)ki2，設(shè)定取值范圍為（0, 12)。
[0031] 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案：所述步驟006中，? 2= 0. 5。
[0032] 本發(fā)明所述一種無刷直流電機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)多目標優(yōu)化方法采用以上技術(shù)方 案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：本發(fā)明設(shè)計的一種無刷直流電機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 多目標優(yōu)化方法，基于量子遺傳算法實現(xiàn)針對無刷直流電機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的多目標優(yōu) 化，能夠有效解決了人工整定費時費力、誤差大等問題，以及克服了以往算法"早熟"和局部 收斂能力差等困難；另外設(shè)計多目標適應(yīng)度函數(shù)，可以有效防止控制量過大而造成元器件 損害，有利于得到良好的調(diào)速系統(tǒng)。
【附圖說明】
[0033] 圖1是無刷直流電機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的示意圖；
[0034] 圖2是本發(fā)明應(yīng)用實施例中適應(yīng)度函數(shù)迭代示意圖；
[0035] 圖3是本發(fā)明實施例中最優(yōu)控制器參數(shù)實施效果示意圖。
【具體實施方式】
[0036] 下面結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步詳細的說明。
[0037] 本發(fā)明所設(shè)計一種無刷直流電機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)多目標優(yōu)化方法，在實際應(yīng)用過 程當中，具體包括如下步驟：
[0038] 步驟001.如圖1所示，基于MATLAB/SMULINK平臺，建立無刷直流電機雙閉環(huán)調(diào) 速系統(tǒng)，其中，包括速度環(huán)、電流環(huán)和、無刷直流電機、電壓逆變器、脈寬調(diào)制與換相、角速度 檢測、位置檢測、速度計算以及電流檢測等模塊，速度環(huán)中包括速度控制器，電流環(huán)中包括 電流控制器，電流環(huán)接收速度環(huán)的輸出量，作為電流環(huán)的輸入電流值，進入步驟002。
[0039] 其中，在本次實施例中，所選用的無刷直流電機的參數(shù)如下：定子相繞組電阻R =0. 6Q，定子相繞組自感L= 0. 205e-3H，轉(zhuǎn)動慣量J= 9. 25e-6kg?m2,阻尼系數(shù)B= le_9N?m?s/rad，極對數(shù)p= 8〇
[0040] 步驟002.針對速度控制器中比例-積分控制器的比例系數(shù)kpJP積分時間常數(shù) kii，設(shè)定取值范圍為（0, 2.3);以及針對電流控制器中比例-積分控制器的比例系數(shù)kpdP 積分時間常數(shù)ki2，設(shè)定取值范圍為（0, 12);并初始化迭代次數(shù)m= 1，進入步驟003。
[0041] 步驟003.根據(jù)比例系數(shù)kPl、積分時間常數(shù)kh、比例系數(shù)kpjP積分時間常數(shù)ki2 的取值范圍，隨即產(chǎn)生40組的控制器參數(shù)，其中，各組控制器參數(shù)分別包括比例系數(shù)kPl、積 分時間常數(shù)kh、比例系數(shù)kpjP積分時間常數(shù)ki2的取值，并進入步驟004。
[0042] 步驟004.將各組控制器參數(shù)分別代入對應(yīng)速度控制器中的比例-積分控制器，以 及電流控制器中的比例-積分控制器；同時，針對無刷直流電機設(shè)定一個預(yù)設(shè)額定轉(zhuǎn)速，控 制無刷直流電機開始工作，并進入步驟005。
[0043] 步驟005.分別對應(yīng)于各組控制器參數(shù)，分別獲取無刷直流電機工作過程中的實 際轉(zhuǎn)速和實際電流值，并分別獲取無刷直流電機實際轉(zhuǎn)速與預(yù)設(shè)額定轉(zhuǎn)速之間的轉(zhuǎn)速偏差 v(t)，以及無刷直流電機實際電流值與電流環(huán)所接收輸入電流值之間的電流偏差e(t)，并 進入步驟006。
[0044] 步驟006.分別對應(yīng)于各組控制器參數(shù)，根據(jù)如下適應(yīng)度函數(shù)f，分別獲得各組控 制器參數(shù)所對應(yīng)的適應(yīng)度函數(shù)值f。