基于Hammerstein模型的感應(yīng)電機(jī)變頻器調(diào)速系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

錦州航星艦船研究所有限公司 胡文浩 李 欣

前言

感應(yīng)電機(jī)是一種非線性、多變量、強(qiáng)耦合的、依靠電磁感應(yīng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能互相轉(zhuǎn)換的電機(jī)，其具有變頻調(diào)速特性，同時(shí)參數(shù)比較復(fù)雜。而變頻調(diào)速系統(tǒng)是一種比較理想的調(diào)速手段，不僅調(diào)速效率高，且工作性能良好，其工作過程中，通過改變電動(dòng)機(jī)的電源頻率，來調(diào)節(jié)速度。而感應(yīng)電機(jī)變頻器調(diào)速系統(tǒng)則是一種相當(dāng)復(fù)雜系統(tǒng)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。針對感應(yīng)電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)具有的非線性的特點(diǎn)，通常采用α階力系統(tǒng)對其進(jìn)行控制，但此種控制方法，操作難度相對較大，不易實(shí)施，且適用范圍比較有限。鑒于此，急需一種效率更好、性能更好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，解決其存在的非線性問題。

一、Hammerstein模型與感應(yīng)電機(jī)變頻器調(diào)速系統(tǒng)簡介

（一）Hammerstein模型

Hammerstein模型即具有特定結(jié)構(gòu)的一種典型的非線性系統(tǒng)模型，能夠?qū)Χ喾N非線性特性進(jìn)行描述。Hammerstein模型由兩部分組成，一部分是線性的動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)，另一部分是非線性的靜態(tài)環(huán)節(jié)，二者連接方式為串聯(lián)[1]。Hammerstein模型的結(jié)構(gòu)如圖1所示。目前，Hammerstein模型已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到了應(yīng)用并取得了一定成果，研究成果最為突出的，即電機(jī)建模與相關(guān)控制領(lǐng)域。例如，通過Newton法在Hammerstein模型中對交軸與直軸的電感進(jìn)行辨識，設(shè)計(jì)出了一種基于Hammerstein模型的永磁同步電機(jī)參數(shù)辨認(rèn)的技術(shù)；將Hammerstein模型應(yīng)用與直流電機(jī)的建模過程中，利用其非線性模塊，對直流電機(jī)的非線性特征進(jìn)行描述，等。

圖1 Hammerstein模型的結(jié)構(gòu)

（二）感應(yīng)電機(jī)變頻器調(diào)速系統(tǒng)

通常情況下，感應(yīng)電機(jī)變頻器的工作模式有恒壓頻比、直接轉(zhuǎn)矩以及磁場定向這三種模式，其中，恒壓頻比這一種工作模式的應(yīng)用范圍最為廣泛，其工作原理如圖2所示。由圖2可知，當(dāng)變頻器接受到一定的頻率信號時(shí)，感應(yīng)電機(jī)便可以獲得與之相對應(yīng)的轉(zhuǎn)速輸出。恒壓頻比控制的最終目的，是保證定子磁鏈恒定。

圖2 恒壓頻比調(diào)速系統(tǒng)工作原理

二、基于Hammerstein模型的感應(yīng)電機(jī)變頻器調(diào)速系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

（一）基于Hammerstein模型的感應(yīng)電機(jī)控制對策

由圖1可知：У（k）、ν（k）、μ（k）分別代表，在k這一時(shí)刻，單輸入單輸出系統(tǒng)的輸出、中間變量以及輸入。由于電機(jī)的低通特性，在利用Hammerstein模型對電機(jī)變頻器調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行表示時(shí)，其非線性模塊采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊進(jìn)行逼近，而線性動(dòng)態(tài)模塊則應(yīng)該采取ARMR模型辨識[2]?；诖?，本文在Hammerstein模型基礎(chǔ)上，提出了感應(yīng)電機(jī)變頻器調(diào)速系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)，詳見圖3。由圖3分析可知，基于Hammerstein模型的感應(yīng)電機(jī)變頻器調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，即將該模型中的非線性模塊逆模塊和電機(jī)原系統(tǒng)進(jìn)行串聯(lián)連接，進(jìn)而構(gòu)成線性復(fù)合系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上，再利用常規(guī)線性系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程與設(shè)計(jì)方法進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。

圖3 基于Hammerstein模型的感應(yīng)電機(jī)變頻器調(diào)速系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

（二）靜態(tài)非線性模型逆模型

本文設(shè)計(jì)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆模型可選擇的靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)比較隨意，可以任選其中一種，其主要作用是負(fù)責(zé)對感應(yīng)電機(jī)的非線性特性進(jìn)行補(bǔ)償。在感應(yīng)電機(jī)變頻器的調(diào)速系統(tǒng)中，施加辨識激勵(lì)信號，以獲得系統(tǒng)輸出響應(yīng)，對這一響應(yīng)值進(jìn)行離線訓(xùn)練，便可以得到靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)最初的連接權(quán)值[3]。需要關(guān)注的是，變頻器調(diào)速系統(tǒng)最初施加的信號必須符合系統(tǒng)的允許范圍，同時(shí)最大程度上降低其對系統(tǒng)產(chǎn)生的沖擊。由于辨識系統(tǒng)具有一定的靜態(tài)特性，故需要通過階梯信號實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的激勵(lì)作用。假定線性模塊的增益穩(wěn)定且恒為1，則通過圖3中的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)輸出與相應(yīng)的輸入信號，便能夠?qū)Ψ蔷€性模塊逆模型進(jìn)行訓(xùn)練。

圖4 感應(yīng)電機(jī)變頻器調(diào)速系統(tǒng)的激勵(lì)信號與響應(yīng)

（三）線性動(dòng)態(tài)模塊的辨識

考慮到感應(yīng)電機(jī)低通特性，故能夠通過對階躍響應(yīng)信號的有效辨識，得到線性動(dòng)態(tài)模塊。由圖2可知，ν（k）、μ（k）二者的變化是同步的，這種情況下，將μ（k）視為階躍信號，則ν（k）即同步階躍響應(yīng)信號[4]。為了進(jìn)一步提高辨識的有效性與方便性，可將線性模塊視為一個(gè)具有增益的系統(tǒng)，且增益恒為1，在感應(yīng)電機(jī)的變頻器調(diào)速系統(tǒng)中輸入一個(gè)固定的階躍值，在系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的輸出值達(dá)到平穩(wěn)之后，借助ARMA模型，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的辨識，進(jìn)而得到感應(yīng)電機(jī)原本系統(tǒng)的線性模塊。

三、結(jié)論

感應(yīng)電機(jī)變頻器的調(diào)速系統(tǒng)是一種較為復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，傳統(tǒng)的控制調(diào)節(jié)方式效果有限，逐漸被社會(huì)淘汰。本文在Hammerstein模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制模式，在這一模式中，利用靜態(tài)非線性模型實(shí)現(xiàn)了對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆模型的特性補(bǔ)償，同時(shí)通過ARMA模型，實(shí)現(xiàn)了對該模型中線性模塊的辨認(rèn)。相比于傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)逆模型，本文設(shè)計(jì)的靜態(tài)逆模型，可實(shí)現(xiàn)性更強(qiáng)，且適用于開環(huán)控制，不僅具有較高可行性，而且能夠取得令人滿意的控制效果。因此，Hammerstein模型的應(yīng)用，為感應(yīng)電機(jī)變頻器調(diào)速系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，創(chuàng)造了新的發(fā)展空間。

[1]羅小麗,陳意軍,劉萬太,等.前端帶小電容整流器的感應(yīng)電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)控制[J].微特電機(jī),2017,45(07):54-58.

[2]葉世澤,嚴(yán)云帆,陳恒林.變頻傳動(dòng)系統(tǒng)感應(yīng)電機(jī)的共模阻抗模型[J].電源學(xué)報(bào),2017,15(03):18-24.

[3]趙海森,張冬冬,王義龍,等.變頻供電條件下感應(yīng)電機(jī)空載鐵耗分布特點(diǎn)及其精細(xì)化分析[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2016,36(08):2260-2269.

[4]喬鳴忠,夏益輝,梁京輝,等.基于電流閉環(huán)和死區(qū)補(bǔ)償?shù)淖冾l驅(qū)動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)低頻振蕩抑制[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2014,29(11):126-133.