智能控制理论与智能电器教学的融合.pdf
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1、 第卷 第期 年月:智 能 控 制 理 论 与 智 能 电 器 教 学 的 融 合汤 龙 飞,陈炜,许 志 红,(福 州 大 学电 气 工 程 与 自 动 化 学 院;智 能 配 电 网 装 备 福 建 省 高 校 工 程 研 究 中 心,福 州)摘要:以 智 能 电 器 课 程 为 载 体,将 自 动 控 制 理 论 引 入 智 能 电 器 的 教 学 中,采 用 生动、直 观 的 方 式 给 学 生 展 现 艰 涩 的 控 制 理 论 转 化 成 实 际 控 制 方 案 的 过 程。采 用 神经 网 络 构 建 接 触 器 的 电 磁 吸 力 实 时 观 测 器,结 合 三 位 式 滞 环
2、 控 制 方 法,实 现 接 触 器的 直 接 吸 力 闭 环 控 制。采 用 联 合 仿 真 及 快 速 控 制 原 型 验 证 系 统,直 观 呈 现 智 能 控制 理 论 到 实 际 控 制 方 案 的 逐 步 转 化 过 程,不 仅 便 于 学 生 理 解 枯 燥 的 自 动 控 制 原 理,同 时 有 助 于 智 能 电 器 实 践 教 学 的 逐 级 深 入 开 展,实 现 理 论 与 实 践 的 融 合。关 键 词:智 能 电 器;智 能 控 制 理 论;接 触 器;神 经 网 络;吸 力 观 测 器;直 接 吸 力控 制中 图 分 类 号:文 献 标 志 码:文 章 编 号:(
3、),(;,):“”,:;收 稿 日 期:基 金 项 目:福 建 省 自 然 科 学 基 金 项 目();福 建 省 科 技 厅高 校 产 学 合 作 项 目()作 者 简 介:汤 龙 飞(),男,江 苏 徐 州 人,博 士,教 授,研 究 方 向为 智 能 电 器 及 其 在 线 监 测。:;:引言电 器 控 制 技 术 是 伴 随 着 自 动 控 制 理 论 的 发 展 而 逐步 发 展 的。从 经 典 控 制 理 论 到 现 代 控 制 理 论,再 到 智能 控 制 理 论,各 种 自 动 控 制 理 论 被 逐 步 应 用 到 开 关 电器 控 制 领 域,提 高 了 电 器 的 智 能
4、 化 水 平 及 分 合 闸 能 力,第卷进 而 提 高 电 力 系 统 的 控 制 灵 活 性 及 安 全 稳 定 性。经 典 控 制 理 论 以 拉 普 拉 斯 变 换 为 数 学 工 具,以 单输 入 单 输 出 的 线 性 定 常 系 统 为 主 要 研 究 对 象,将 描 述系 统 的 微 分 方 程 或 差 分 方 程 变 换 到 复 数 域 中,得 到 系统 传 递 函 数,并 以 此 为 基 础 在 频 域 中 对 系 统 进 行 分 析与 设 计,确 定 控 制 器 的 结 构 和 参 数。文 献 中 采用 经 典 控 制 理 论 及拓 扑 设 计 了 接 触 器 的 电 流
5、 闭环控 制 方 案,该 方 案 将 接 触 器 电 磁 回 路 看 作 恒 定阻 感 负 载,构 建 闭 环 控 制 系 统 的 小 信 号 模 型,采 用 交 流扫 描 得 到 系 统 伯 德 图,分 析 系 统 的 相 位 裕 度 及 幅 值 裕度,进 而 设 计 补 偿 网 络,兼 顾 电 流 闭 环 控 制 系 统 的 动 态性 能 及 稳 定 性;文 献 中 采 用 可 级 联 的 升 压 电 路 及馈 能 去 磁 电 路,在 电 流 闭 环 基 础 上 实 现 了 接 触 器 超 宽电 压 输 入 下 的 低 噪 声 运 行 及 分 断 速 度 调 节,之 后 同 样将 接 触
6、器 视 作 恒 定 阻 感 负 载,采 用 小 信 号 分 析 方 法 来设 计 控 制 系 统 的 补 偿 网 络。因 此,经 典 控 制 理 论 应 用于 接 触 器 的 控 制 领 域 中 实 现 了 其 线 圈 电 流 的 闭 环 控制,但 在 设 计 补 偿 网 络 时 需 将 接 触 器 电 磁 回 路 视 作 恒定 阻 感,即 假 设 为 线 性 定 常 系 统,与 接 触 器 动 作 过 程 的实 际 工 况 有 较 大 出 入。现 代 控 制 理 论 以 线 性 代 数 和 微 分 方 程 为 数 学 工具,以 状 态 空 间 法 为 基 础,从 时 域 角 度 来 分 析
7、与 设 计 控制 系 统。状 态 空 间 法 不 仅 描 述 了 系 统 的 外 部 特 性,还揭 示 了 系 统 的 内 部 状 态。现 代 控 制 理 论 的 目 标 是 在 揭示 系 统 内 在 规 律 的 基 础 上,实 现 系 统 的 最 优 化,其 主 要分 支 有:线 性 系 统 理 论、最 优 滤 波 理 论、系 统 辨 识、最 优控 制、自 适 应 控 制 及 非 线 性 系 统 理 论。文 献 中 采 用 状 态 空 间 法 列 写 接 触 器 保 持 过 程 的 状 态 空 间 表达 式,构 建 保 持 磁 链 的 闭 环 状 态 观 测 器,结 合 起 动 及 分断 过
8、 程 的 积 分 磁 链 观 测 器,实 现 了 接 触 器 磁 链 的 全 程观 测,之 后 用 作 负 反 馈 形 成 磁 链 闭 环 控 制 系 统,实 现 了接 触 器 激 磁 磁 链 的 直 接 控 制。文 献 中 采 用 加 权 移动 平 均 滤 波 器 对 接 触 器 的 线 圈 电 流 和 电 压 进 行 滤 波,来 准 确 捕 捉 动 静 铁 心 的 闭 合 时 刻 及 此 时 的 电 流 值,据此 降 低 保 持 电 流,实 现 自 适 应 节 能 控 制。文 献 中对 接 触 器 线 圈 电 压 的 幅 值 与 作 用 时 间 进 行 模 型 预 测 控制,以 响 应 时
9、 间 最 短 为 优 化 准 则,同 时 确 保 动 静 触 头 相接 触 时 速 度 为 零,实 现 触 头 弹 跳 抑 制。文 献 中 基于 批 次 对 批 次(,)控 制 方 式 对 接 触 器的 吸 合 过 程 展 开 研 究,引 入 损 失 函 数 对 历 史 操 作 信 息进 行 反 馈 评 估 与 分 析,滚 动 优 化 过 程 模 型 并 调 整 控 制决 策,有 效 减 小 了 接 触 器 的 动 作 分 散 性 并 抑 制 触 头 弹跳。文 献 中 设 计 兼 顾 快 速 动 作 和 弹 跳 抑 制 的 接触 器 吸 合 过 程 电 流 闭 环 控 制 序 列,寻 找 线
10、圈 电 流 与 动作 时 间 的 直 接 关 系,之 后 引 入 无 模 型 自 适 应 控 制 对 电磁 机 构 吸 合 过 程 进 行 在 线 优 化,以 抑 制 动 作 分 散 性 及触 头 弹 跳。以 上 基 于 现 代 控 制 理 论 的 接 触 器 控 制 方 案均 不 同 程 度 地 优 化 了 起 动 性 能,但 仍 无 法 对 接 触 器 的电 磁 力、位 移 及 速 度 构 成 直 接 的 闭 环 控 制。智 能 控 制 是 控 制 理 论 发 展 的 高 级 阶 段,将 人 工 智能 技 术 及 运 筹 学 优 化 方 法 与 控 制 理 论 结 合,在 未 知 环境 下
11、 仿 效 人 或 生 物 的 智 能,实 现 对 系 统 的 控 制,主 要 涵盖 模 糊 控 制、专 家 系 统、神 经 网 络、遗 传 算 法 等 学 科 领域。智 能 控 制 理 论 应 用 于 电 器 实 时 控 制 的 研 究 尚少,大 部 分 人 工 智 能 方 法 仅 用 于 电 器 的 故 障 诊 断 及 状态 预 测。文 献 中 根 据 位 移 传 感 器 测 得 的 信号,采 用 带 自 调 整 函 数 的 模 糊 算 法 来 控 制 永 磁 机 构 的激 磁 电 流,使 断 路 器 按 给 定 曲 线 动 作,提 高 合 闸 稳 定性。文 献 中 采 用 神 经 网 络
12、估 计 接 触 器 动 铁 心 的运 动 速 度,之 后 采 用 模 糊 控 制 逐 次 调 整 线 圈 强 激 磁 电流 的 作 用 时 间,使 合 闸 速 度 逐 次 趋 近 于 给 定 值。以 上两 种 控 制 方 法 初 步 实 现 了 开 关 电 器 位 移 及 速 度 的 闭 环调 整。接 触 器 动 作 过 程 是 一 个 复 杂 的 非 线 性、强 耦 合 且快 速 时 变 的 系 统,无 法 采 用 经 典 及 现 代 控 制 理 论 建 立其“精 确 的 实 时 解 析 模 型”,制 约 着 接 触 器 的 高 性 能 控制,而 智 能 控 制 理 论 恰 恰 擅 长 解
13、决 此 类 问 题。因 此,本文 引 入 神 经 网 络 对 接 触 器 电 磁 机 构“二 元 一 一 对 应”的 静 态 机 电 关 系 进 行 映 射,构 建 电 磁 吸 力 观 测 器;采 用三 位 式 滞 环 控 制 器 构 建 接 触 器 直 接 吸 力 闭 环 控 制 策略,实 现 接 触 器 电 磁 吸 力 的 精 确 控 制。整 个 控 制 方 案采 用 灵 活、直 观 地 联 合 仿 真 及 快 速 控 制 原 型 验 证 系 统予 以 实 现,展 示 控 制 原 理 的 实 现 过 程,并 方 便 控 制 方 案的 改 写,用 于 进 一 步 自 主 探 索 智 能 控
14、制 理 论 在 智 能 电器 中 的 应 用。接 触 器 静 态 机 电 关 系 映 射 神 经 网 络 映 射 原 理利 用 有 限 元 软 件 构 建 接 触 器 仿 真 模 型,在 每 个 不同 的 固 定 动 铁 心 位 移 下 加 载 一 系 列 的 线 圈 电 流 值,得到 接 触 器 静 态 磁 链 及 吸 力 数 据,并 将 其 绘 制 到 图所示 三 维 图 中。以 线 圈 电 流,磁 链约 束 对 为 底 面,穿 竖 直 直 线,有 唯 一 的 电 磁 吸 力与 之 对 应,即 存 在着(,)“二 元 一 一 对 应”的 非 线 性 静 态 映 射 关系。而 神 经 网 络
15、 具 有 强 大 的 非 线 性 拟 合 能 力,可 对 该图静 态 机 电 数 据 对 应 关 系第期汤 龙 飞,等:智 能 控 制 理 论 与 智 能 电 器 教 学 的 融 合映 射 关 系 进 行 拟 合,实 现 已 知 接 触 器 的 线 圈 电 流 及 磁路 磁 链 估 计 电 磁 吸 力,进 而 构 建 基 于 神 经 网 络 的 吸 力实 时 观 测 器。采 用 图所 示 的 单 隐 含 层神 经 网 络 即 可 满 足接 触 器 静 态 映 射 关 系 拟 合 精 度 的 要 求,同 时 便 于 实 时应 用。两 个 输 入 节 点及经 隐 含 层 神 经 元 权 值与 阈
16、值叠 加 后 输 入 激 活 函 数计 算,输 出;之后作 为 输 出 层 网 络 的 输 入,经 输 出 层 权 值与 阈值的 叠 加 及 激 活 函 数 的 计 算 即 可 输 出 观 测 吸 力,具 体 计 算 过 程 为:()()()式 中:为 输 入 层 的 输 入 信 号,即 线 圈 电 流 及 磁 链;为 设 定 的 隐 含 层 节 点 个 数。图 神 经 网 络 模 型 结 构 计 算 观 测 值与 期 望 输 出的 误 差,并 进 行 反向 传 播:根 据 误 差 的 大 小 和 方 向,采 用“梯 度 下 降 法”修 正 神 经 网 络 的 权 值 及 阈 值,直 至 达
17、到 预 先 设 定 的 最大 训 练 次 数 或 输 出 误 差 满 足 要 求。训 练 完 成 后 即 可 根据 输 入 的(,)映 射 出 电 磁 吸 力。电 磁 吸 力 实 时 观 测 器 构 建利 用 上 述神 经 网 络 的 高 精 度 映 射 能 力 构 建 电磁 吸 力 实 时 观 测 器,由 图可 见,将 电 磁 系 统(,)的 一 系 列 静 态 数 据 作 为 二 元 输 入,电 磁 吸 力作 为 期 望 输 出,对神 经 网 络 进 行 离 线 训 练,训 练 完成 后 进 行 嵌 入 式 改 写 即 可 用 于 静 态 机 电 关 系 的 实 时 映射。根 据 公 式:
18、()()()式 中:为 离 线 测 量 的 接 触 器 线 圈 电 阻;为 观 测 器工 作 的 时 间,初 始 磁 链、线 圈 电 压及 线 圈 电 流皆 为。构 建 磁 链 观 测 器,仅 需 利 用 传 感 器 采 集 接 触器 的 线 圈 电 压和 线 圈 电 流即 可 实 时 计 算 磁 链。最 后,将、输 入 到 嵌 入 式 神 经 网 络 模 型,即 可实 时 映 射 出,完 成 吸 力 实 时 观 测 器 的 构 建。图电 磁 吸 力 实 时 观 测 器 原 理 吸 力 观 测 器 中神 经 网 络 的 离 线 训 练 可 利 用软 件 的神 经 网 络 工 具 箱 方 便 地
19、 完 成,如图所 示,将 静 态 数 据(,)作 为 样 本,取 其 中的用 于 训 练,剩 下用 于 检 验。设 置神 经 网络 为 单 隐 含 层 结 构,其 中 隐 含 层 的 神 经 元 个 数 为;激 活 函 数 采 用 双 曲 正 切 函 数();训 练 函 数 采 用算 法(误 差 梯 度 下 降 法);学 习 率设 为;训 练 的 最 小 性 能 精 度设 为;最大 连 续 验 证 误 差 不 减 小 次 数设 为次;训 练的 最 大 终 止 次 数 设 为 次。图 神 经 网 络 训 练 过 程 神 经 网 络 拟 合 精 度 采 用 均 方 误 差来 表 示,在误 差 梯
20、度 曲 线 连 续 第次 迭 代 不 再 下 降 时,训 练 终止。整 个 过 程 的 训 练 次 数 为次,时 间 仅 用,最 小 值 达 到 ,满 足 拟 合 精 度 要 求,离 线 训练 完 成。提 取 神 经 网 络 模 型 的 前 向 网 络,包 括 各 网 络第卷层 的 权 值 与 阈 值,按 照 式()的 计 算 结 构 改 写 成 嵌 入式 形 式,即 可 实 现 对 难 以 直 接 测 量 的 接 触 器 电 磁 吸 力的 实 时 观 测。之 后 将 其 用 作 反 馈 信 号,构 建 接 触 器的 高 性 能 闭 环 控 制 策 略。接 触 器 直 接 吸 力 闭 环 控
21、制 原 理 线 圈 驱 动 原 理驱 动 电 路 采 用 非 对 称 半 桥 结 构,如 图所 示,分 为励 磁、续 流 以 及 去 磁种 状 态。交 流 电 压()经整 流 桥 及 滤 波 电 容作 用 后 输 出 直 流 电 压,用 作驱 动 电 路 的 输 入 电 源。、为 电 子 开 关 管,、为快 恢 复 二 极 管。当 上 下 桥 臂 开 关 管、同 时 导 通时,加 在 线 圈 两 端 的 电 压 近 似 为 正 的 电 容 电 压,即 励 磁状 态;当关 断、仅 下 桥 臂 开 关 管导 通 时,线 圈 电流 经 过、形 成 闭 合 回 路,此 时 线 圈 两 端 电 压 为
22、二极 管 与 开 关 管 的 导 通 压 降 和,近 似,即 续 流 状 态;当、同 时 关 断 时,线 圈 电 流 经、回 馈 至 电 容,线 圈 两 端 承 受 负 的 电 容 电 压,为 去 磁 状 态。该态 驱动 电 路 可 灵 活 地 控 制 开 关 管及的 通 断,进 而 灵活 控 制 电 磁 系 统 的 激 磁 状 态,为 接 触 器 闭 环 控 制 提 供硬 件 基 础。()励 磁 状 态()续 流 状 态()去 磁 状 态图非 对 称 半 桥 驱 动 电 路种 工 作 状 态 电 磁 吸 力 三 位 式 滞 环 控 制 原 理在 驱 动 电 路 的种 状 态 划 分 后,即
23、可 针 对 不 同 的吸 力 误 差 范 围 选 择 合 适 的 开 关 状 态 组 合,来 构 建 三 位式 吸 力 滞 环 控 制 器,原 理 如 图所 示。控 制 器 的 运 行频 率 为,为 吸 力 参 考 值。将与 观 测 吸 力作差,得 到 吸 力 误 差,再 与 设 定 的 滞 环 宽 度比 较。当时,选 择 励 磁 电 路 状 态,使 电 磁 吸 力 快 速 上升;时,选 择 续 流 电 路 状 态,电 磁 吸 力 缓 慢 下降;时,选 择 去 磁 电 路 状 态,电 磁 吸 力 快 速 下 降。之 后,将 对 应 的 电 路 状 态 转 换 成及的 开 关 状 态,即 可 控
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- 智能 控制 理论 电器 教学 融合
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