基于遺傳算法的交流永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的研究

徐丹+賈立

摘 要： 在現(xiàn)代電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展的今天，交流永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的性能已經(jīng)大大超越直流電機(jī)控制系統(tǒng)。交流永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)以其較高的功率因素、較小的轉(zhuǎn)動慣量、零勵磁損耗等優(yōu)點(diǎn)，在交流電機(jī)控制系統(tǒng)中占據(jù)著主導(dǎo)的地位。本文主要研究基于遺傳算法的交流永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)，通過分析遺傳算法的原理及特點(diǎn)，將遺傳算法應(yīng)用于交流永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)中。傳統(tǒng)的交流永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)是通過PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行電流環(huán)、速度環(huán)的負(fù)反饋控制，其控制系統(tǒng)自身調(diào)整能力弱，系統(tǒng)無法較快較為便捷地調(diào)整至最佳狀態(tài)?；谶z傳算法的交流永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)具有良好的尋優(yōu)能力，處于多變的使用環(huán)境時，其系統(tǒng)的適應(yīng)能力強(qiáng)、自身的調(diào)整能力強(qiáng)?；谶z傳算法的交流永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的自適應(yīng)能力，而且較為容易地取得更優(yōu)的控制效果。

關(guān)鍵詞： 交流永磁同步電機(jī)；遺傳算法；自適應(yīng)能力

0 引言

遺傳算法是由美國密西根大學(xué)的霍蘭德教授提出的模擬自然界的遺傳機(jī)制和生物進(jìn)化論而成的一種并行隨機(jī)搜索最優(yōu)化的方法。它將“優(yōu)勝劣汰，適者生存”的生物進(jìn)化原理引入到優(yōu)化參數(shù)形成的編碼串聯(lián)群體中，按所選擇的適配值函數(shù)并通過遺傳中的復(fù)制、交叉及變異對個體進(jìn)行篩選，使適配值高的個體被保留下來，組成新的群體，新的群體既繼承了上一代的信息，又優(yōu)于上一代。這樣周而復(fù)始，群體中個體適應(yīng)度不斷提高，直到滿足一定的條件。本研究將遺傳算法運(yùn)用到交流永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)，利用遺傳算法的自適應(yīng)尋優(yōu)能力，使交流永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度及穩(wěn)定性得到顯著提高。通過分析遺傳算法的原理及特點(diǎn)，將遺傳算法應(yīng)用于交流永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)中。

1 基于遺傳算法的交流永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

交流永磁同步電機(jī)帶有編碼器，通過檢測編碼器的信號，能夠完成閉環(huán)反饋控制，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的快速響應(yīng)和精確定位。本研究中的交流永磁同步電機(jī)采用光電編碼位置傳感器，交流永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為了滿足高精度高穩(wěn)定性的要求，采用三個負(fù)反饋閉環(huán)控制，即位置負(fù)反饋閉環(huán)、電流負(fù)反饋閉環(huán)、轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)。電機(jī)通過光電編碼器得到角度信號，將角度值進(jìn)行微分運(yùn)算轉(zhuǎn)化為實(shí)際速度值，采樣的多個速度值樣本參與遺傳算法得到控制值。

2 控制系統(tǒng)中遺傳算法的設(shè)計

遺傳算法為群體優(yōu)化算法，也就是從多個初始解開始進(jìn)行優(yōu)化，每個解稱為一個染色體，各染色體之間通過競爭、合作、單獨(dú)變異，不斷進(jìn)化。優(yōu)化時先要將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換到遺傳空間，就是把實(shí)際問題的解用染色體表示，稱為編碼；反過程為解碼，因為優(yōu)化后要進(jìn)行評價，所以要返回問題空間，故要進(jìn)行解碼。SGA采用二進(jìn)制編碼，染色體就是二進(jìn)制位串，每一位可稱為一個基因；解碼時應(yīng)注意將染色體解碼到問題可行域內(nèi)。

遺傳算法模擬“適者生存，優(yōu)勝劣汰”的進(jìn)化機(jī)制，染色體適應(yīng)生存環(huán)境的能力用適應(yīng)度函數(shù)衡量。對于優(yōu)化問題，適應(yīng)度函數(shù)由目標(biāo)函數(shù)變換而來。一般遺傳算法求解最大值問題，如果是最小值問題，則通過取倒數(shù)或者加負(fù)號處理。SGA要求適應(yīng)度函數(shù)>0，對于<0的問題，要通過加一個足夠大的正數(shù)來解決。這樣，適應(yīng)度函數(shù)值大的染色體生存能力強(qiáng)。遺傳算法有三個進(jìn)化算子：選擇、交叉和變異。

選擇的作用是形成整體性能優(yōu)良的父母群或基因池，作為產(chǎn)生下一代的基因基礎(chǔ)。基本機(jī)理是依據(jù)當(dāng)代個體的適應(yīng)度決定其進(jìn)入基因池的概率（或者說成為子代父母群成員的機(jī)會）。我們將所有的當(dāng)代個體編號進(jìn)入一個大轉(zhuǎn)盤中，適應(yīng)度高的占有的轉(zhuǎn)盤面積大，啟動轉(zhuǎn)盤后，開始隨機(jī)選擇父母群的成員，明額滿了以后停止。

父母群（或基因池）確定以后，進(jìn)行染色體互換生重組成預(yù)備后代（不妨稱之為幼苗），其中染色體片段的互換長度是隨機(jī)選取的。染色體的互換完成后，我們按照一定的幾率對“幼苗”進(jìn)行小尺度小規(guī)模的基因突變，最終形成全新的一代。再吃程序中我們以二進(jìn)制的一個位bit為最小單位。

新的一代以父輩的基因信息為基礎(chǔ)，又有了雜交和基因突變的優(yōu)勢，從感覺來說會一代比一代強(qiáng)?？筛杏X不一定靠得住，有時過于杰出的父輩可能因為染色體被打斷，或者基因突變，讓新生代無法超越。為了保證一輩比一輩強(qiáng)，我們讓最杰出的父輩保持長壽和繁衍的雙重權(quán)利，在繁衍出子代后有原封不動的成為子代的一員，參與新時代的競爭與繁衍。

遺傳算法最為恐慌的事情是收斂太慢或者是落入局部最優(yōu)陷阱，為了避免這些狀況，我們可以敞開大門，放眼看看外面的世界，勇敢的去甄別和引入超強(qiáng)的異族基因，然而為了避免圈子的正常健康穩(wěn)定發(fā)展，避免一時興起產(chǎn)生的災(zāi)難，引入外部基因時要堅持有序有度的原則。為此本設(shè)計中采取如下方式，異族個體在全局和已知最優(yōu)解局部區(qū)域兩個范圍內(nèi)隨機(jī)產(chǎn)生，然而并不直接參與本族的繁衍過程，只是在本族繁衍結(jié)束后和群體中的老頭領(lǐng)做一下PK，如果能將其PK下去該異族直接以頭領(lǐng)的身份成為群體的一員參與群體的進(jìn)化，PK不下去則立即消亡。更為殘酷的是，每一輪對所有的異族而言只有一個可加入的名額。

3 總結(jié)

本文提出了將遺傳算法應(yīng)用于交流永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)中的設(shè)想，鑒于傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的不足，本文中的控制系統(tǒng)有著較強(qiáng)的自適應(yīng)能力。在復(fù)雜多變的環(huán)境中本系統(tǒng)反應(yīng)速度更快，可以使控制系統(tǒng)更穩(wěn)定，因此本系統(tǒng)有著更好的應(yīng)用前景。

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