交流伺服系统的主要控制策略

交流伺服系统的主要控制策略
【摘要】本文介绍了一些交流伺服系统中常用的控制策略，如矢量控制、直接转矩控制、滑模变结构控制、非线性控制、模糊控制理论和神经网络控制、PID控制、复合控制，并提出了基于GA-BP的PID复合控制方法。

【关键词】控制策略复合控制GA-BP
在交流伺服系统的控制中，高效的控制策略不仅可以弥补机械结构设计中的缺陷，而且能够很好的提高系统的各项性能。

高性能的交流伺服系统的控制策略的要求可以总结为：不仅能够使系统能够进行快速的动态响应，且具有高的动、静态精度，且系统要对内外部参数的变化和干扰不敏感[1]。

交流伺服系统的重要组成部分就是交流电动机，故对交流伺服系统的控制策略的研究有时候也可认为是对交流电机控制理论和策略的研究。

1 矢量控制理论
在上个世纪的70年代，德国科学家（西门子公司）F.Blaschke提出了电动机矢量控制方法。

基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，以转子磁链为参考坐标，根据磁场定向原理将定子电流分解成相互正交的两个分量，同时控制两分量间的幅值和相位，然后分别独立控制，故可以将将一台三相异步电机等效为直流电机来控制，获得与直流调速系统同样的静、动态性能，此控制策略已经非常成熟，广泛地应用在siemens，AB，GE，Fuji等国际化大公司变频器上，形成了产品的商业化[2]。

但矢量控制系统结构复杂，计算量大，系统性能会受到电动机参数变化的影响。

2 直接转矩控制理论
矢量控制的缺点是过于理论化，实际应用中要进行大量复杂的坐标变换，对数学的要求较高，很难保证完全解耦。

故20世纪80年代中期，Depenbrock教授（德国）根据矢量控制的缺点，提出了直接转矩控制理论不用对定子中流过的电流进行解耦，不用进行矢量变换的复杂的科学计算，控制器的结构简单易用。

直接转矩理论利用空间矢量、定子磁场定向的分析方法，把电机和逆变器看成一个整体，把转矩检测值与转矩给定值作比较，容差的大小由频率调节器来控制，产生PWM脉宽调制信号，采用空间电压的矢量分析方法在定子坐标系中进行磁通和转矩的计算，通过跟踪型PWM逆变器的开关状态直接控制转矩。

直接转矩控制技术采用离散式的两点式调节器，对控制异步电动机的磁链和转矩进行计算，并在定子坐标系下直接数学模型，分析异步电动机的磁链和转矩，使转矩的波动范围限制在一定的允许误差范围内，为获得高动态性能的转矩输出，此调节器还能够直接对逆变器的开关状态加以控制。

其控制的效果并不取决于所建立的异步电动机的数学模型能否进一步简化，而是取决于异步电动机转矩的实际状况，它不需要模仿直流电动机的控制，即并不需要将交流电动机与直流
电动机作比较、等效和转化，故省去了大量的矢量坐标变换与计算，且不需要专门为解耦而简化异步电动机的数学模型，也没有通常所采用的的PWM脉宽调制信号发生器，故它的控制结构非常简单、控制信号处理的物理概念明晰、系统的转矩响应快速且无超调，在工程应用上是一种具有高静、高动态性能的进行交流调速的控制方式[3]。

3 滑模变结构控制
20世纪60年代初，前苏联的一些学者，欧曼扬诺夫、依特克斯和犹金等人，开始着手研究变结构控制系统（即VSC）。

滑模变结构控制是一种使系统的结构随时变化的开关特性的阶跃控制，具有不连续性，即根据系统误差等实时状态，系统结构得以以阶跃方式，有目标地变化，系统的运行状态是一种非摩擦的，预先设定好的、滑动的状态进行轨迹运动
滑模变结构具有一套反馈控制律和一个决策规则的特征，切换函数是其决策规则（用输入来衡量当前系统的运动状态，系统所应采取的反馈控制律该瞬间决定），在滑动模式发生的时候，该系统被强迫在开关平面附近滑动，能够保持对系统结构不确定性、参数不确定性以及外界干扰等不确定性因素的良好的鲁棒性，系统获得了较为满意的动态性能。

变结构控制理论发展至今，已经逐渐形成了自己的体系，并在自动控制领域中占有了自己的一席之地，它适用的控制任务有运动追踪与镇定等，成为自动控制系统中一种一般的设计方法，
滑模变结构控制不需要任何在线辨识，很容易实现，对参数和外部扰动变化不敏感。

但在实际工程应用中的应用效果还不够尽如人意，比如高的开关损耗，为了保证能够达到的系统要求的较高的加速度和稳态抖动等，需估计一些测量起来很困难的变量等，这使其在工程应用中受到了局限。

4 非线性控制
矢量控制和直接转矩控制等控制方法没有或很少应用现代控制理论，都只是从物理的关系上构成转矩与磁链的近似解耦控制。

作为多变量非线性系统的典型代表——交流电动机，为了更能体现问题的本质，可以采用非线性控制理论研究它的控制策略。

20世纪80年代年，MarijaIlic-Spong等人第一次提出可以将基于微分几何的非线性反馈线性化理论应用于交流电动机的控制，并取得了良好的效果。

转子磁链子系统的积分和微分两个惯性环节能根据线性控制器设计理论分别设计，通过对非线性状态的反馈和非线性的变换，实现了异步电动机系统的动态解耦和全局线性化，可以使系统得到预期的性能指标。

5 模糊控制理论和神经网络控制
随着控制理论和控制策略的发展，许多国内外学者都将智能控制引入了交流传动控制中，如目前非常流行的模糊控制盒神经网络控制。

模糊控制理论及神经网络控制理论是目前智能控制的交流传动中应用比较成熟的可控制策略。

模糊控制理论最早由美国著名学者——加利福尼亚大学教授Zadeh·L·A于1965年提出，模糊控制就是利用计算机模拟人的思维方式，按照人的操作规则进行控制，实现人的控制经验。

模糊控制以模糊数学为基础，将数学和模糊性统一起来，使控制器可以更实在地模仿熟练操作人和专家的控制经验和方法[4]。

模糊控制目前已经成为自动控制领域中一个非常活跃而又硕果累累的分支，如在工业控制领域中的水净化处理等的；在专用系统和其它方面的地铁靠站停车、自动扶梯及机器人的模糊控制等。

模糊控制器的结构如图1所示，模糊控制特别适合于非线性、强耦合、参数变化多的控制对象，因此，在交流电动机控制中具有很强的优势。

这里所说的神经网络指的是以生物神经网络为仿生对象的人工神经网络ANN，它是由大量简单处理元件（神经元）、模拟电子元件、光学元件等组成的非线性、自适应、自组织系统。

是对人脑或自然神经网摹本特性的抽象和模拟，试图通过模拟人类神经系统对信息进行加工、记忆和处理的方式，设计出的一种具有人脑风格的信息处理系统，但并不是神经系统的逼真描述。

它具有生物神经元的诸多特性，具有自组织、自学习、自联想等诸多特点。

神经网络的特点决定了它在交流伺服控制领域具有广泛的应用前景。

神经网络对于具有严重不确定性的系统和高度非线性的控制系统方面具有很强的能力。

此外，神经网络控制策略可以与经典控制理论相结合，凭借其高度的并行性和分布性的特点，以及快速处理纠错，自学习、自适应和自组织的能力，可以与各类控制系统相结合，发展成为神经网络控制，其中非常著名的是BP前向神经网络控制算法控制，很多时候与其它控制理论相结合，或对其它控制理论进行优化后对交流伺服系统进行控制。

6 PID控制
PID控制器就是大家耳熟能详的比例、积分、微分控制，目前被广泛的应用于在工程实践的各个领域中，在交流伺服系统中的应用也较多，主要是用在三环（电流环、速度环、位置环）控制系统中。

PID控制（实际当中也有PI和PD控制）是根据系统的误差，采用比例、积分、微分计算控制量的控制方法。

PID控制器的出现已经将近80年的历史，其结构简单、稳定性好、工作可靠、调节方便，已经使其成为交流控制系统重要的控p7 复合控制策略
每一种控制策略都有各有其特色，但对于系统的控制无法做到尽善尽美，要想解决这个问题，就得将各种控制策略加以融合，互相补充和渗透形成复合控制。

传统的控制策略和现代控制理论的智能控制策略的组合或智能控制策略间相互结合的复合控制的形式以其控制性能良好、易于实现等优点，在交流伺服系统中的应用中越来越广泛和深入。

各种各样的控制策略集成的复合控制策略，为提高交流调速系统的性能和寻求鲁棒性较强的更优质的控制策略，提供了一种新方法。

如模糊神经网络控制、基于神经网络的PID控制等，更或者说可以将现在非常流行的遗传算法GA，BP神经网络与PID控制相结合，既克服了传统PID
控制适应性差，对参数变化大的场合束手无策，抗干扰能力较差的缺点，又利用了BP神经网络自组织、自学习、自联想等诸多优点，可以使PID实现自适应控制，并使交流系统具有很强的鲁棒性，但由于BP神经网络的搜索是一维搜索，易陷入局部最小，可以利用GA的全局搜索能力对BP神经网络进行优化，从而提高系统的稳定性。

8 结论
本文介绍了一些交流伺服系统常用的控制策略，并非常关注复合控制策略在交流伺服控制系统的控制发展对象，并提出了一种基于GA-BP神经网络的PID 控制方法。

参考文献：
[1]韩殷.基于IRMCK201的2kW伺服系统与灰色PID控制算法的实现.[沈阳工业大学硕士学位论文].辽宁沈阳，2007，24.
[2]胡琳.从新老铣面机的不同看电气技术的发展.装备制造技术.2010，（10）
[3]王赟，史伟强，王文娟.交流电机的矢量控制与直接转矩控制策略.内江科技.2010，（2）.
[4]曾玉金.高性能交流伺服系统及其复合控制策略研究：[浙江大学硕士学位论文].浙江杭州，2004，10.。