[发明专利]一种模糊PID控制器的参数自整定方法

说明书

技术领域

本发明涉及电机控制领域，具体为单绕组磁悬浮开关磁阻电机模糊PID控制系统的参数自整定方法。

背景技术

磁悬浮开关磁阻电机将磁悬浮技术与开关磁阻电机相结合,在继承一般磁悬浮电机无摩擦、无磨损、轴向空间利用率高、转子临界转速大等优点基础上,充分发挥了开关磁阻电机的高速优越性以及对恶劣环境的适应性,同时通过径向力的主动控制,有效改善了开关磁阻电机因不平衡磁拉力造成的振动和噪声问题。目前大多数情况采用的是双绕组结构的磁悬浮开关磁阻电机，其将用于产生径向力的绕组和转矩绕组一起叠绕在同一定子极上，使径向力绕组不占用独立的轴向空间。然而，双绕组结构中主绕组与悬浮绕组的强耦合性，使得电机在数学建模、控制算法方面更为复杂；额外的悬浮绕组加大了电机结构设计的难度；悬浮绕组的增加导致额外的功率放大器与相配套的电气子系统，增加了控制电路设计复杂度。针对双绕组结构磁悬浮开关磁阻电机的上述缺点，美国国家航空航天局、德国德累斯顿工业大学以及韩国庆星大学相继开展了单绕组磁悬浮开关磁阻电机。

单绕组磁悬浮开关磁阻电机的悬浮与旋转控制中，由于电机本身的非线性、参数变化以及负载的弹性等非线性因素影响,传统PID无法保证电机系统具有良好的运行性能,研究人员将模糊控制与PID相结合设计了诸如模糊PI控制器、模糊PD控制器、模糊PID控制器等多种结构的控制器。模糊控制器的设计关键在于模糊规则、隶属度函数、量化因子等因素,其中模糊规则主要来源于专家经验,隶属度函数则通常采用一些具有广泛适应性的函数,只有量化因子是通过一些实验数据和系统性能分析进行调整,因此,量化因子的设计对于模糊控制器至关重要。现阶段已经提出的关于模糊控制中量化因子自整定方法中，部分是将某一单一的控制性能作为优化目标，而选择不同的性能指标，会使控制器的参数、结构等也不同，在最优控制器设计时，经常需要考虑控制性能的多目标优化，而其中多控制性能指标之间矛盾一直存在，如超调量与调节时间之间的矛盾，超调量的减小势必造成调节时间增大，反之亦然，针对多控制性能指标之间的矛盾，已经提出了一种将多控制性能代数和作为优化目标的方法，但该方法理论依据不足，难以证明寻优得到的结果能使多控制性能整体最优，针对以上缺陷，本专利提出了以带精英策略的非支配排序遗传算法（Non-dominated Sorting Genetic Algorrithms-2,NSGA-2）作为控制性能多目标优化方法，应用于模糊控制量化因子的寻优。

发明内容

为了解决模糊PID控制中量化因子寻优目标多为单一目标的问题，本发明的目的是将多目标优化问题引入模糊控制参数优化领域，提供一种模糊PID控制器量化因子自整定的方法，使其具有多目标优化下的最优量化因子组合，实现实际工程需求的综合控制性能指标最优。

本发明针对单绕组磁悬浮开关磁阻电机的控制系统具体为：模糊控制器串接于PID控制器之前，复合成模糊PID控制器，模糊PID控制器之后串接单绕组磁悬浮开关磁阻电机的解耦器，解耦器之后连接单绕组磁悬浮开关磁阻电机；模糊控制器的输入是控制系统偏差e，在模糊控制器内部将偏差信号e经过微分环节得到偏差变化率信号ec，偏差信号e与量化因子Ke相乘得到模糊论域下的E，偏差变化率信号ec与量化因子Kec相乘得到模糊论域下的EC，E与EC输入模糊控制规则，模糊控制规则输出模糊论域下的比例参数K₁、微分参数K₂、积分参数K₃，比例参数K₁、微分参数K₂、积分参数K₃分别与量化因子Kp、Kd、Ki相乘得到基本论域下的比例参数k₁、微分参数k₂、积分参数k₃，比例参数k₁、微分参数k₂、积分参数k₃输入给PID控制器，以实现根据偏差信号e达到调整PID参数三个参数k₁、k₂、k₃的作用，PID控制器输出控制量U给解耦器，解耦器再对单绕组磁悬浮开关磁阻电机进行控制，单绕组磁悬浮开关磁阻电机的被控参数x反馈后与参考量xref作差得到偏差信号e，至此，形成完整的系统信号流通渠道。其中，涉及到的计算公式有：