华中科技大学 硕士学位论文 基于神经网络的交流调速系统智能算法研究 姓名：马坦 申请学位级别：硕士 专业：控制理论与控制工程 指导教师：赵金 20090529 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘摘 要要 交流异步电机具有高阶、强耦合、多变量、非线性以及时变性等特点，如何设 计出具有高控制性能、强适应性和抗扰动性的控制方案一直是国内外研究的热点。 如今矢量控制在电机系统控制方面已得到较好的控制效果，但其速度环的设计常采 用传统的 PID 控制器，这具有一定得局限性，如当电机某些参数变化时，原本的控 制系统的控制效果就会大打折扣。鉴于此，引入智能控制来提高矢量控制系统的抗 扰动性和适应性的意义重大。 论文介绍了异步电机调速系统的各种控制策略、阐述了交流调速系统的发展和 研究重点、描述了矢量控制系统的基本原理并介绍了矢量控制中异步电机的数学模 型、矢量控制的基本方程、坐标变换、矢量控制的系统结构等。通过对矢量控制系 统的分析， 引入电机速度环中传统 PID 控制器， 分析其中三个控制参数 pid kkk、 、的 作用，并指出了传统 PID 控制在矢量控制中的不足。 在此基础上进一步指出了智能控制在电机调速控制中应用的意义，分析了各种 智能控制在电机控制方面的优缺点。基于 BP 网络的数学理论，对 BP 神经网络 PID 控制器进行建模。针对一般 BP 算法收敛速度慢、易陷入局部极小、稳态时震荡等缺 点引入动量因子自适应学习算法改进 PID 网络，并用 Matlab 进行了实时仿真训练。 基于 BP 神经网络 PID 和传统 PID，本文针对速度控制设计了两类速度控制器， 并用 Matlab 进行了仿真对比，其仿真结果突出了在电机参数变化以及突加负载扰动 时 BP 神经网络 PID 控制器在矢量控制系统速度环中的优越性， 并表明系统具有优良 的控制性能，在被控对象未知或改变的情况下有很强的适应性和鲁棒性。 关键词关键词：BP 神经网络 PID 控制器 矢量控制 交流异步电机 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract Asynchronous motor is an nonlinear and time-change system. It has multiple variables and the personality of strong gearing, so how to design high quality control scheme with strong flexibility and robust is always a hot research area in the world. Although vector control can solve the problem of gearing to some degree, the system is still nonlinear and time-change. Whats more, during the real running course, there are many disturbance factors. So, the designing of regulators in AC adjusting speed system is the focus of researches so far. Classical PID controller is generally used in many fields of control. But it cant deal with nonlinear and time-change efficiently, therefore, the introducing of intelligent control to the vector control system is meaningful. Firstly, several kinds of popular control policies of AC motor speed control system together with the development history and research focuses of this area are introduced in this thesis. After that, the effect of the three parameters of pid kkk、 、 in the traditional PID controller in the parts of speed loop and current loop is analyzed, and then the shortcomings of the traditional PID controller are analyzed in detail. On this basis, the meaning of introducing intelligent control theory into the AC motor vector control system together with the advantages and disadvantages of it are analyzed. After that the basic BP neural network arithmetic is lucubrated and then used to build the PID controller model. According to the shortcomings of general PB neural network arithmetic, a new model with the algorithm of adaptive learning momentum factor is given and investigated in detail. The new model is simulated based on the Matlab. After the compare of the control results between BP neural network PID controller and traditional PID controller in the situation of changing the parameters of the AC motor and load disturb is done, the advantage of the BP neural network PID is obvious. The results of the simulation show that the BP-PID controller can act well in the conditions that the control target and the working environment are unknown or diverse, and has strong anti-interference ability and robustness. Keywords: BP Neural Network PID Controller Vector Control System AC Motor 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保 密 ，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪论绪论 1.1 课题的背景、目的和意义课题的背景、目的和意义 交流电动机在工业、交通运输、农业、国防军事以及日常生活中有着广泛的应 用， 因此交流调速系统的设计一直是自动化控制领域中的一个热门研究方向1。 目前 交流调速系统的控制效果在许多方面已经胜过直流调速系统，矢量控制原理也从根 本上改善了交流异步电机的控制效果。但由于异步电机是一个多变量、强耦合、非 线性的控制对象，在磁场定向控制中速度控制器均采用传统的 PID 设计，系统在运 行过程中遇到一些不可控以及不确定因素时很难满足高精度，强鲁棒性等要求。常 常实际的传动系统是时变的，电动机本身的参数和负载的参数在实际应用中会随环 境的变化而变化，同时存在许多的非线性因素，矢量控制系统不可能完全达到理想 的特性。因此研究一种满足系统高精度、快速、高鲁棒性的要求，并且参数调整简 单的 PID 控制器是非常有意义的2。 因为神经网络具有较强的非线性映射能力、自学习和自适应能力以及并行信息 处理能力和容错能力，以人工神经网络为代表的智能控制方法的出现为改善交流调 速系统的动态性能提供了有效的途径。目前国内外电气传动专家研究研究的一个热 点就是将智能控制引入到矢量控制中。但用智能控制还未能完全取代矢量控制系统， 目前热门的研究方向是神经网络控制器作为交流调速的速度控制器代替传统 PID 控 制器。 在深入分析BP神经网络的原理后本文设计出一种结合BP神经网络与传统PID 控制的 BP-PID 控制器来提高矢量控制系统的控制效果。在系统存在不确定性因素 时，BP-PID 控制器更能体现出神经网络控制的优越性，电气传动中的非线性、变参 数等问题可以利用神经网络非线性、变结构、自寻优的特点来克服。从而系统的鲁 棒性和适应性得到了很大的提高3 4。 如今因为矢量控制方法的存在电气传动系统建模已并非难事，在电气传动系统 中引入神经网络等是希望用这些新的控制算法来克服电气传动对象的变参数、非线 性等不利因素，最终提高系统的整体控制性能。 基于上述观点，本文以在交流异步电机矢量控制系统为对象，利用 BP 神经网络 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 PID 控制，结合国内外智能控制的研究成果，研究了 BP 神经网络 PID 控制在交流异 步电机矢量控制系统中的应用问题。 1.2 国内外研究概况国内外研究概况 在上个世纪，有关神经网络、智能控制和交流调速系统的研究就方兴未艾，下 面分别对其研究进展进行叙述，然后对异步电机的调速系统控制策略进行了介绍。 1.2.1 智能控制的发展状况智能控制的发展状况 智能控制是一种高级的信息处理与控制技术，它是在控制理论、