基于免疫算法的導(dǎo)軌電車轉(zhuǎn)差頻率控制策略研究

中車永濟(jì)電機(jī)有限公司 牛劍博 詹哲軍 李 巖 張瑞峰 李 東

由于現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，導(dǎo)致環(huán)境污染嚴(yán)重，為了提倡環(huán)保意識(shí)，采用電能代替不可再生能源，成為當(dāng)前控制領(lǐng)域的發(fā)展方向。

導(dǎo)軌電車系統(tǒng)為膠輪行走，單軌導(dǎo)向，電力引擎，具有省功、節(jié)能等特點(diǎn)，是當(dāng)今世界最新型的城市公共交通系統(tǒng)之一。2006年12月6日，由法國勞爾公司開發(fā)的集公共汽車和輕量軌道交通優(yōu)勢(shì)于一體的現(xiàn)代導(dǎo)軌電車，在天津?yàn)I海新區(qū)開通。2009年12月31日，上海張江導(dǎo)軌電車正式投入運(yùn)營。為了與國際軌道交通技術(shù)接軌，中車永濟(jì)承接了國產(chǎn)化導(dǎo)軌電車電傳動(dòng)系統(tǒng)的研發(fā)工作。為了快速響應(yīng)項(xiàng)目進(jìn)度的需求，本車牽引控制采用了基于免疫算法的感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)差頻率控制策略，免疫算法是一種非線性優(yōu)化控制[1-2]，有很強(qiáng)的自學(xué)習(xí)能力和自適應(yīng)性。本文將免疫算法引入到轉(zhuǎn)差頻率控制當(dāng)中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所采取的控制策略的有效性。

1.感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)差頻率控制工作原理[3-5]

感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)歸根到底為對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，恒磁通控制方式下的轉(zhuǎn)矩公式為：

其中，Lr、Rr為轉(zhuǎn)子電阻和轉(zhuǎn)子電感，np為感應(yīng)電機(jī)極對(duì)數(shù)，ω1為磁場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn)角速度ω1=2πf1，f1為同步頻率，s為轉(zhuǎn)差率。

將E1=4.44f1·Ns·kNs·ψm代入式(1)可得：

令ωs=sω1，C=1.5np(Ns·kNs·ψm)2，代入式(2)可得：

當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)差率s會(huì)很小，從而ωs很小，Rr＞＞ωsLr，化簡(jiǎn)可得：

在恒磁通情況下，通過控制轉(zhuǎn)差頻率ωs就可以控制電磁轉(zhuǎn)矩Te了。

令式(3)對(duì)轉(zhuǎn)差頻率求導(dǎo)等于零，便可以得到最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)差頻率ωsmax，即：

當(dāng)ωs滿足此條件時(shí)，電機(jī)具有最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。為了能夠在全局范圍內(nèi)有更佳的動(dòng)態(tài)性能，本文將免疫算法引入到轉(zhuǎn)差控制中，利用免疫算法的自適應(yīng)性對(duì)轉(zhuǎn)差頻率進(jìn)行優(yōu)化。

2.采用免疫算法的轉(zhuǎn)差頻率控制方法

2.1 免疫機(jī)理[2]

生物免疫系統(tǒng)是生物體當(dāng)中最復(fù)雜、功能最獨(dú)特的系統(tǒng)之一，是一種在大量干擾和不確定性環(huán)境中都具有很強(qiáng)魯棒性和自適應(yīng)的分布式自治系統(tǒng)。當(dāng)機(jī)體被抗原入侵時(shí)，機(jī)體內(nèi)的Th細(xì)胞分泌加速，促使B細(xì)胞分泌抗體，從而抑制了Tc細(xì)胞的產(chǎn)生，隨著抗原的減少，體內(nèi)的Tc細(xì)胞增多，相應(yīng)地抑制了Th細(xì)胞產(chǎn)生。

2.2 轉(zhuǎn)差頻率控制中免疫算法的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)免疫應(yīng)答機(jī)理，引入免疫控制算法，假設(shè)第k代的抗原數(shù)量為e(k)，由抗原刺激而產(chǎn)生的Th細(xì)胞的濃度為Th(k)，抑制性Tc細(xì)胞濃度為Tc(k)，則B細(xì)胞所接受到的刺激u(k)為：

將ξ(k)設(shè)為控制器的輸出，則有如下反饋控制律：

其中：

g(Du(k))為一選定的非線性函數(shù)，與抗原數(shù)量的變化有關(guān)，K為增益等于k1，控制反應(yīng)速度，μ=k2/k1控制穩(wěn)定效果，起抑制作用。根據(jù)免疫應(yīng)答過程中抗原濃度變化對(duì)抗體作用的規(guī)律，取：

無論b取何值，對(duì)于非線性函數(shù)g(Du)都存在0＜ g(Du)＜1，b的取值決定了g(Du)的輸入/輸出關(guān)系以及g(Du)曲線的形狀，b越大g(Du)曲線越平滑。

將免疫算法引入到轉(zhuǎn)差頻率控制中，對(duì)其性能進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)參數(shù)在線調(diào)整。

輸出值，ω*為輸入轉(zhuǎn)速值，ωr為反饋轉(zhuǎn)速，代入式(13)可得：

由上式可知，通過調(diào)整kp的值來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

3.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證提出的采用免疫算法的感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)差頻率控制策略的可行性，在實(shí)驗(yàn)臺(tái)位上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，表1給出了對(duì)應(yīng)電機(jī)的參數(shù)列表。

表1 感應(yīng)電機(jī)參數(shù)

圖1給出了全程范圍內(nèi)采用免疫算法的感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)的電流波形。圖中CH1通道(藍(lán)顏色)為直流母線電壓，通過波形觀測(cè)母線電壓無波形現(xiàn)象；CH4通道(紅色)為定子電流波形，通過波形觀測(cè)電機(jī)出力穩(wěn)定，正弦度良好。驗(yàn)證了采用免疫算法的感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與正確性。

圖1 采用免疫算法的感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)差頻率控制波形

4.結(jié)論

本文將免疫算法引入到感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率控制中，通過免疫算法實(shí)時(shí)調(diào)整轉(zhuǎn)差頻率的給定值，提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明采用免疫算法的感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)差頻率控制比傳統(tǒng)轉(zhuǎn)差頻率控制效果更好，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。

[1]袁桂麗,劉吉臻,牛玉廣.免疫內(nèi)模控制及其在過熱氣溫系統(tǒng)的應(yīng)用[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2010,30(9):89-92.

[2]尹忠剛,牛劍博,鐘彥儒.采用免疫算法的感應(yīng)電機(jī)內(nèi)?？刂撇呗訹J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2013,33(24):97-105.

[3]石停停,葉燁,冒建亮.電動(dòng)車輛轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率調(diào)速控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].電氣傳動(dòng),2015,45(10):3-6.

[4]王成元,夏加寬,孫宜標(biāo).現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

[5]陳中,胡國文.轉(zhuǎn)差頻率控制的轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的改進(jìn)方法[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2012,35(5):609-612.