第1期 2017年1月 组合机床与自动化加工技术 Modular Machine Tool&Automatic Manufacturing Technique No.1 Jan.2017 文章编号:1001—2265(2017)01—0116-03 DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.O1.032 基于RBF神经网络的永磁同步电机速度PI.IP控制木 周 佳,卢少武,周凤星 (武汉科技大学信息科学与工程学院,武汉430081) 摘要:针对PMSM伺服系统速度环PI和IP两种控制方式控制效果不佳的问题,提出一种基于RBF 神经网络的伺服系统速度PI-IP控制参数自整定方法。该方法结合RBF神经网和PI.IP复合控制二 者的优点,构造了基于RBF神经网络的速度PI—IP控制器,对速度环控制参数进行整定,改善常规PI 和IP两种控制器的控制效果,最后通过仿真实验进行了验证。仿真结果表明:与常规PI和IP两种 控制方法相比,该方法能有效减小速度超调,抑制扰动,用该方法设计的伺服系统具有良好的跟踪给 定性能和较强的抗负载转矩扰动能力。 关键词:伺服系统;永磁同步电机;RBF神经网络;PI—IP参数整定 中图分类号:TH166;TG506 文献标识码:A Speed PI・IP Controi of PMSM Based on RBF Neural Network ZH0U Jia,LU Shao—WU,ZH0U Feng.xing (College of Information Science and Engineering,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081,China) Abstract:Aiming at the problem that the control method of speed loop PI and IP of PMSM servo system is not good enough,this paper presents a speed PI—IP control parameters auto-tuning algorithm of servo system based Oil RBF neural network.A speed PI—IP controller based On RBF neural network was designed through combining the advantages of RBF neural network and PI-IP composite contro1.The control effect of tradi— tional PI and IP controller was improved by setting speed loop control parameters.It is verified through sim— ulation finally.The simulation results show that,compared with traditional PI and IP control algorithm,the proposed algorithm can effectively reduce the speed overshoot,control interference.The servo system de— signed by this algorithm has good tracking performance and strong anti interference capability of load torque. Key words:servo system;PMSM;RBF neural network;PI—IP parameter tuning 0 引言 以永磁同步电机为代表的伺服控制系统在越来越 多的领域得到广泛应用,人们对电机的控制性能也提 出了更高要求。速度环作为交流伺服系统中非常重要 的一个环节,其控制参数的好坏直接影响到伺服系统 的控制性能。为获得满意的伺服系统控制性能,需要 对速度环设置的制参数进行整定 。 常规速度PI控制方法超调量容易过大,受逆变器 驱动电压、电机电流等限制,当速度阶跃给定较大时, 控制器积分饱和会产生windup现象 。常规速度IP 控制方法存在跟踪响应慢、整定效率低的问题,不能较 好的满足系统性能要求 。文献[5]提出一种将评价 函数IITAE和坐标轮换法结合的算法来整定PI控制 参数,但存在优化时间过长的问题。PI—IP复合控制器 综合了PI和IP两种控制器的优点,结构简单,性能优 异 收稿日期:2016—04—11;修回日期:2016—04—28 近年来,神经网络逐渐应用到伺服系统控制研究 中。径向基函数(RBF.Radial Basis Function)神经网络 能以任意精度逼近任意连续函数,是一种局部逼近的 神经网络 。本文以永磁同步电机伺服系统速度环 为研究对象,将具有自学习和自适应能力的RBF神经 网络引入到PI—IP复合控制器中,整定伺服系统速度控 制参数,实现伺服系统速度环控制参数自动调节,进而 使整定后的伺服系统具有优良的控制性能。最后通过 仿真实验验证了该方法的有效性。 1 RBF神经网络的速度PI—IP控制 1.1 RBF神经网络 RBF网络是具有单隐层的三层前馈网络,由输入 到输出的映射是非线性的,隐含层空间到输出空间的 映射是线性的,可以在加快学习速度的同时并避免局 部极小问题 。RBF神经网络结构如图1所示,由输 入层、隐含层、输出层组成。 基金项目:国家自然科学基金项目(51405349) 作者简介:周佳(1990~),男,湖北黄冈人,武汉科技大学硕士研究生,研究方向为伺服控制器和嵌入式,(E—mail)598308367@qq.coln。 2017年1月 周 佳,等:基于RBF神经网络的永磁同步电机速度PI-IP控制 ・117・ 输入屡 臌禽层 输出层 图1 RBF神经网络结构 辨识网络的输出为: m(七)= lh1+z 2h2+…+Wmh (1) 1.2 RBF神经网络的速度PI-IP整定原理 在交流伺服系统三环控制中,速度环通常采用PI 控制,PI控制具有响应快、迅速消除偏差的优点,但存 在着超调量容易过大、抗干扰性弱的问题。由PI控制 变形得到的IP控制作用灵活,具有抗干扰性强、鲁棒 性好的特点,缺点是响应慢 。为了更好的结合和 利用PI和IP两种控制的优点,本文中伺服系统速度 环控制结构采用了带前馈因子的PI—IP复合控制器。 速度环PI.IP复合控制结构如图2所示。其中, 为前馈因子,可在0到1内连续变化,当 =1时为PI 控制器, =0时为IP控制器。 本文采用增量式PI-IP控制器,速度误差为: PI—IP控制器的离散形式: “( )= ∞ ( )一 cc,( )+ ∑e( ) (3) PI—IP控制算法: 令kfl 为k… 为k ,则得到: 其中,∞ ( )是速度输入指令, ( )是速度输出, ( )是控制器输出。 PI—IP三项项输入为: rxc(1)= (k一1)一(cJ(k) {xc(2)=e( ) (6) txc(3)=(cJ ( )一 (k一1) 伺服系统速度环控制指标为: E( )= 1( ) (7) 采用梯度下降法可得到k ,k k 的调整量: 0E0E 8y aAu=一町 =一 △=叼e( ) 8Ac(1) u =一 瓦OE=一'7 OAu= ) OAu c(2)(8) OEOE OAu:一叼 :一叩 = ) c(3) 利用RBF神经网络的非线性隐射能力在线辨识 被控对象的数学模型,作为辨识器跟踪对象变化,为控 制器提供系统所需的Jacobian信息,从而通过整定算 法实时调节控制器参数。经过变形后得到的基于RBF 神经网络的速度PI.IP控制系统结构如图3所示。 . ( )= (k一1)一3.478×10 (c,( 一2)+1.388 Jl _1 ( )= () 0 一1)一3.‘l9 6 _2478×1) 0 ∞( 一2)+1.388 0‘25 (9) L“(k一1)+0.1986M(k一2)一0.474 0.25≤t<5 名称 值 额定相电流 3极对数 一, 额定转矩 转子惯量 额定速度 转子电阻 转子电感 表2伺服系统被控对象特征参数变化 RBF网络结构选为3—6—1,RBF神经网络辨识 的三个输入为:Au( ),∞( ), (k一1)。输入指令 信号为 (£):1.0;采样周期取0.001 S;控制器三个 参数取值范围取[一10,lO],初始值取k =1.18,k = 0.025,k =0.18;控制器参数的学习速率取0.3,动 量因子取0.05。经过500个采样周期后的仿真结果如 图4 图6 ・118・ 组合机床与自动化:0 ̄-v技术 第1期 罨l茎 //一 一 j : 时间/ (a)速度阶跃响应 E 目 时间,s (b)速度跟踪误差 . : : rr r rr r rr 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0 35 0.4 0.45 0 5 时间,s (a)速度阶跃响应 时间,s (b)速度跟踪误差 量 g 厂 『{ r ● r , , ●● 时间/s (a)速度阶跃响应 ^、~{ ~…一…一一. 一一~~~一一一 0 0.O5 0.1 015 0 2 0.250 3035 0.4045 O 5 时间,s (b)速度跟踪误差 0.2 过O.1 0 0.25 0.2 0 005 0 l 0.15 0 2 0.25 时间,s (c)控制参数自适应整定 图6 RBF神经网络速度PI-II,控制 图4为常规速度IP控制,图5为常规速度PI控 制,图6为RBF神经网络速度PI—IP控制。由图4一图 6可以看出,在对阶跃信号的跟踪上,在0~0.25s期 间,伺服系统空载时,常规PI控制方法出现超调和震 荡,而基于RBF神经网络的速度PI—IP控制方法的响 应速度要明显快于常规IP控制方法,同时其跟踪误差 达到0的时间比常规IP控制方法跟踪误差达到0的 时间更短;在0.25s~0.5s期间,对伺服系统施加负载 时,与常规速度PI和IP控制方法相比,基于RBF神经 网络的速度PI.IP控制方法响应速度更快,跟踪误差达 到0的时间更短,并具有一定的抗干扰能力。由此可 以看出,采用基于RBF神经网络的速度PI—IP控制方 法较速度PI和IP两种控制方法而言,跟踪给定性能 更好,抗干扰能力更强,伺服系统具有更好的控制效 果。 3 结束语 本文以永磁同步电机伺服系统速度环为研究对 象,采用基于RBF神经网络的PI—IP控制器对伺服系 统速度环控制参数进行整定,实现速度环参数自动调 节。仿真结果表明,基于RBF神经网络的伺服系统速 度PI—IP控制方法稳定有效,具有良好的跟踪给定性能 和较强的抗负载转矩扰动能力,可以明显改善常规PI 和IP两种控制效果。 [参考文献] [1]郑世祺,唐小琦,卢少武,等.PMSM伺服系统参数自整 定研究[J].电气传动,2013,43(3):10—13. [2]CHOI J W,LEE S C.Anti—windup strategy for PI—type speed controller[J].IEEE Transactions on Industrial Elec— tronics,2009,56(6):2039—2046. (下转第122页) ・122・ 组合机床与自动化加工技术 一 Ⅱ】醛器碰辎 8 7 6 5 4 3 2 1 0 第1期 一l一聪霹 鞋 8 7 6 5 4 3 2 0 机床刀具端的稳定性叶瓣图,如图11所示。由图中可 以看出,当主轴摆动到 轴一90。时,极限切深的最小 值接近2mm,与其他6个位姿相比稳定性最好。当主 轴摆动到曰轴90。时,极限切深的最小值接近1mm,与 其他6个位姿相比稳定性最差。 结果表明,机床的稳定性分析结果和动态特性分 析结果相吻合,即在主轴摆动到曰轴一90。时动态特性 较好,宜选择较大切深,而在主轴摆动到 轴90。时动 态特性较差,宜选择较小的切深,否则发生颤振的危险 更大。 稳定性叶瓣图 4结论 本文建立了机床刀具端动态特性的预测模型,从刀 具端频响函数提取动态特性评价指标,对机床刀具端在 不同位姿时的整体动态特性作出定量的评价和分析。 利用该方法在WHLG120×35车铣复合加工中心进行了 刀具端动态特性评估与分析,指出了机床加工过程中的 薄弱环节,并通过稳定性lobe图对该方法进行了验证。 一§u)聪器鹾辎 结果表明,通过对机床进行动态特性评估与分析,可以 有效找出加工过程的薄弱环节,对工艺参数的合理选择 和提高加工效率有较好的理论指导意义。 8 7 6 5 4 3 2 1 0 [参考文献] [1]T L Sehmitz,R Donaldson.Predicting high—speed machining dynamics by a substructure analysis{J].Annals of CIRP, [2]M R Movahhedy,J M Gerami.Prediction of spindle dynam・ 0 2500 5000 7500 10000 0 25o0 5000 7500 100130 转速Wmin) 转速(dmin1 (a)主轴摆动到B轴一9O。 稳定性叶瓣图 8 7(b)主轴摆动到B轴一60。 稳定性叶瓣图 [3]s S Park,Y Ahintas,M Movahhedy.Receptance coup1ing for end mills[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture,2003,43(9):889—896. 氍一\ ~面番 一~ 2000,49(1):303—308. 4):243—251. ics in milling by sub-structure coupling[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture,2006,46(3— ; 璧4 譬 0 [4]T L Schmitz,G S Duncan.Three—component receptance coupling substructure analysis for tool point dynamics predic— 转速(r/min) tion[J].Journal of Manufacturing Science and Engineeirng, Trnsacations of the ASME,2005,127(4):781—9O. (C)主轴摆动到B轴一30。 稳定性叶瓣图 [5]闫蓉,蔡飞飞,彭芳瑜,等.基于响应耦合方法的铣刀刀 尖点频响函数预测[J].华中科技大学学报:自然科学 版,2013,41(4):1—5. [6]席裕庚,柴天佑,恽为民.遗传算法综述[J].控制理论 与应用,1996,13(6):697—708. 0 2500 5000 750o 1000o 0 2—50 一0 一一。—500 0。~一…7‘5—0—0… … 0o [7]Tang X,Yan R,Peng F,et a1.A Simpliifed Method to I— dentify the Equivalent Joint Parameters of Holder--Tool Inter-・ 转速(r/min) 转速(r/min) (e)主轴摆动到曰轴3O。 (f)主轴摆动到B轴6O。 face[M].Intelligent Robotics and Applications,Springer In— ternational Publishing,2015. [8]刘海涛,赵万华.基于广义加工空间概念的机床动态特 性分析[J].机械工程学报,2010,46(21):54—60. [9]关锡友,孙伟.数控机床主轴系统动力学特性分析方法研 究[J].组合机床与自动化加工技术,2010(4):1—5,12. [1O]潘文斌.正交车铣加工系统综合动刚度建模与加工稳 转速(r/arin) (g)主轴摆动到B轴90。 定性分析[D].武汉:华中科技大学,2013. (编辑(2):13—19. 图l1从一90。一90。7个位姿的机床刀具端稳定性叶瓣图 李秀敏) (上接第118页) [3]王宏佳,杨明,牛里,等.永磁交流伺服系统速度控制 [7]强勇,凌有铸,贾冕茜.基于RBF神经网络的永磁同步 电机速度控制[J].微电机,2013,46(4):53—56. [8]刘金坤.先进PID控制MATLAB仿真[M].3版.北京: 电子工业出版社,2011. 器优化设计方法[J].电机与控制学报,2012,16(2): 25—31. [4]肖启明,杨明,刘可述,等.PMSM伺服系统速度环PI 控制器参数自整定及优化[J].电机与控制学报,2014, 18(2):102—107. [9]郭新华,温旭辉,赵峰,等.基于电磁转矩反馈补偿的 永磁同步电机新型IP速度控制器[J].中国电机工程学 报,2010,30(27):7一l3. [5]陈鹏展,唐小琦.基于IITAE评价指标的交流伺服系统 参数自动整定研究[J].微电机,2010,43(2):70—73. [6]徐庆宏,戴先中.基于在线学习RBF神经网络的汽门开 度自适应补偿控制方法[J].电机与控制学报,2010,14 [1O]郑伟峰.交流伺服系统无时滞反馈高响应驱动控制研 究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2010. (编辑李秀敏)