本發(fā)明涉及多電機同步控制技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自抗擾控制器的設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

多電機同步控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于紡織、冶金、印刷等領(lǐng)域。多電機同步控制系統(tǒng)是一個高階、時變、非線性的系統(tǒng)，且張力與速度存在著嚴(yán)重的耦合關(guān)系，這給多電機同步控制系統(tǒng)帶來了更嚴(yán)峻的考驗。目前，應(yīng)用于工業(yè)控制的大多為pid控制器，但pid控制器控制效果不太好，難以達(dá)到精確的解耦控制。迄今為止，解耦算法有傳統(tǒng)解耦算法、自適應(yīng)解耦算法、智能解耦算法、滑模控制、自抗擾控制器(adrc)等，各解耦算法優(yōu)勢不同，應(yīng)用層面也有所不同。adrc因其不依賴于精確數(shù)學(xué)的模型而廣泛應(yīng)用于復(fù)雜系統(tǒng)中。adrc雖優(yōu)勢眾多，但其算法復(fù)雜、參數(shù)多，即使adrc的部分參數(shù)可通過查詢文獻(xiàn)資料獲得，但很多參數(shù)大都是依靠經(jīng)驗試湊法，如誤差反饋增益、補償因子等方法獲得，費時費力，控制系統(tǒng)擾動因素多，無法實現(xiàn)參數(shù)的實時調(diào)節(jié)，很難得到最優(yōu)參數(shù)。近幾年，逐漸有人提出了智能參數(shù)調(diào)節(jié)方法，如北京理工大學(xué)周游及其導(dǎo)師王慶林在《性能評價方法在adrc參數(shù)整定中的應(yīng)用》中提出的性能評價方法，對adrc的大部分參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，但仍需要辨識過程傳遞函數(shù)和擾動傳遞函數(shù)，增加了對系統(tǒng)模型的依賴性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在不足，本發(fā)明提供了一種基于rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自抗擾控制器的設(shè)計方法，通過優(yōu)化自抗擾控制器adrc，并將rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和優(yōu)化后的自抗擾控制器adrc結(jié)合運用，實現(xiàn)對系統(tǒng)參數(shù)的實時調(diào)試。本發(fā)明是通過以下技術(shù)手段實現(xiàn)上述技術(shù)目的的。

一種基于rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自抗擾控制器的設(shè)計方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟1：搭建三電機同步系統(tǒng)的物理模型，檢測電機a的速度信號ωr1、電機a與電機b之間的張力信號f12以及電機b與電機c之間的張力信號f23；

步驟2：選擇自抗擾控制器adrc對速度和張力進(jìn)行解耦控制，并對自抗擾控制器adrc進(jìn)行優(yōu)化；

步驟3：確定優(yōu)化后的adrc需調(diào)試參數(shù)n,為反饋控制律比例系數(shù)kp以及補償因子b0；

步驟4：將一個兩個輸入層五個隱含層一個輸出層的2-5-1結(jié)構(gòu)的rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與優(yōu)化后的adrc結(jié)合，設(shè)計一個參數(shù)調(diào)節(jié)器；

步驟5：用參數(shù)調(diào)節(jié)器中的rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)跟蹤速度信號ωr1、張力信號f12以及張力信號f23，得到跟蹤信號，通過梯度下降算法得到優(yōu)化后的adrc需調(diào)試參數(shù)的調(diào)整信息，從而實現(xiàn)需調(diào)試參數(shù)的實時自調(diào)節(jié)。

所述步驟2中對自抗擾控制器adrc進(jìn)行優(yōu)化的公式為：

e＝z1-y

z1＝z1+h(z2-β01e+b0u)

z2＝z2+h(-β02fal(e,α,δ))

e1＝v-z1

u0＝kpe1

其中，e為觀測誤差；z1為y的觀測信號；y為三電機同步系統(tǒng)的速度信號或張力信號實際值，即速度信號ωr1、張力信號f12以及張力信號f23；z2為三電機同步系統(tǒng)總擾動的觀測值；h為三電機同步系統(tǒng)的采樣周期值；b0為補償因子；β01，β02為狀態(tài)誤差反饋增益；fal(e,α,δ)為冪次函數(shù)；α為自抗擾控制器adrc的非線性因子；δ為冪次函數(shù)的線性區(qū)間；e1為狀態(tài)誤差信號；v為三電機同步系統(tǒng)的速度信號或張力信號給定信號，即ωr1^*、f12^*、f23^*；kp為自抗擾控制器adrc的反饋控制律比例系數(shù)；u為實際控制量；u0為誤差反饋控制量；

其中，fal(e,α,δ)非線性函數(shù)表達(dá)式為：

所述梯度下降算法為：

步驟a：設(shè)定指標(biāo)函數(shù)e(k)；

步驟b：調(diào)節(jié)優(yōu)化后的adrc需調(diào)試參數(shù)，使k時刻的三電機同步系統(tǒng)的速度信號或張力信號的實際值y(k)逼近k時刻的三電機同步系統(tǒng)的速度信號或張力信號的給定信號v(k)，根據(jù)梯度下降算法，得需調(diào)試參數(shù)n的增量δn(k)；

步驟c：用y(k)的跟蹤值ym(k)代替y(k)，得到δn(k)：

步驟d：通過運算得到k時刻時調(diào)整后的需調(diào)試參數(shù)n。

所述步驟a中的指標(biāo)函數(shù)e(k)為，其中，v(k)為k時刻的三電機同步系統(tǒng)的速度信號或張力信號的給定信號；y(k)為k時刻的三電機同步系統(tǒng)的速度信號或張力信號的實際值，e(k)為k時刻v(k)與y(k)的差值；

步驟b中需調(diào)試參數(shù)n的增量δn(k)的計算公式為

其中，η為梯度下降算法的步長；

步驟d中調(diào)整后的需調(diào)試參數(shù)n的運算方法為，n(k)＝n(k-1)+δn(k)。

本發(fā)明的有益效果在于：

1.對一階adrc進(jìn)行了優(yōu)化，并與rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合來實現(xiàn)需調(diào)試參數(shù)的實時自調(diào)節(jié)功能，省時省力，與未進(jìn)行改變的一階adrc相比，在很大程度上減少了超調(diào)量，甚至實現(xiàn)了無超調(diào)調(diào)節(jié)，減少了調(diào)節(jié)時間和穩(wěn)態(tài)偏差。

2.該設(shè)計方法的運用使得三電機同步系統(tǒng)的電機速度和電機間皮帶的張力可以獨立控制，達(dá)到了很好的解耦控制效果，同時可以看出該方法在調(diào)試需調(diào)試參數(shù)方面優(yōu)勢，可實時調(diào)整優(yōu)化后的自抗擾控制器adrc的需調(diào)試參數(shù)，減少了所需的人力和時間，使三電機同步系統(tǒng)能很快進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，其動態(tài)性能和穩(wěn)定性也得到很大的提高，增強了三電機同步系統(tǒng)的自適應(yīng)性和魯棒性，具有實際應(yīng)用效果。

附圖說明

圖1為本發(fā)明三電機同步系統(tǒng)的物理模型。

圖2為本發(fā)明優(yōu)化后的一階adrc。

圖3為本發(fā)明優(yōu)化后的adrc與rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合后的參數(shù)調(diào)節(jié)器的控制圖。

圖4為本發(fā)明三電機同步系統(tǒng)的控制策略框圖。

圖5為本發(fā)明三電機同步系統(tǒng)的實驗平臺圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖以及具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于此。

如圖1所示三電機同步系統(tǒng)的物理模型，三臺變頻器，變頻器a、變頻器b、變頻器c分別控制三臺異步電機，電機a、電機b、電機c的轉(zhuǎn)速，電機a、電機b、電機c分別驅(qū)動滾筒1、滾筒2、滾筒3運轉(zhuǎn)，滾筒1、滾筒2、滾筒3的半徑分別為r1、r2、r3通過一條皮帶相連，通過浮動輥1和浮動輥2的張緊作用分別產(chǎn)生皮帶張力信號f12和f23。根據(jù)數(shù)學(xué)建模得到的三電機同步系統(tǒng)的物理模型可知，張力信號f12和f23分別與電機a和電機b之間的速度差以及電機b和電機c之間的速度差成正比，張力信號f12和f23與速度差之間存在著耦合關(guān)系。

如圖5所示，pc機作為上位機，里面裝有視窗控制中心wincc組態(tài)軟件，利用wincc組態(tài)軟件來實現(xiàn)系統(tǒng)的實時監(jiān)控。西門子s7-300plc作為主控單元，并通過profinet方式與上位機進(jìn)行通訊，完成程序的下載調(diào)試等功能，plc與三臺西門子變頻器采用profibus-dp通訊方式，實現(xiàn)主從站通訊，分別控制三臺異步電機a、電機b和電機c，光電編碼器和壓力傳感器。plc帶有對光電編碼器發(fā)出的脈沖計數(shù)的高速計數(shù)器模塊fm350-1，fm350-1對光電編碼器在一個采樣周期內(nèi)發(fā)出的脈沖進(jìn)行計數(shù)，通過公式進(jìn)行轉(zhuǎn)速換算，其中ω為異步電機的電氣角速度，單位為rad/s；n為異步電機的轉(zhuǎn)速，單位為r/min；t為采樣周期；c為在時間t內(nèi)的計數(shù)器所計的脈沖數(shù)；e為光電編碼器每轉(zhuǎn)發(fā)出的脈沖數(shù)，即e＝2048。使用壓力傳感器采集張力信號f12和f23，且將采集的信號送入模擬量模塊sm335，數(shù)字量模塊sm321用于設(shè)置控制電機啟停按鈕。

一種基于rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自抗擾控制器的設(shè)計方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟1：搭建三電機同步系統(tǒng)的物理模型，檢測電機a的速度信號ωr1、電機a與電機b之間的張力信號f12以及電機b與電機c之間的張力信號f23；

步驟2：選擇adrc對速度和張力進(jìn)行解耦控制，并對自抗擾控制器adrc進(jìn)行優(yōu)化；

步驟3：確定優(yōu)化后的adrc需調(diào)試參數(shù)n，為反饋控制律比例系數(shù)kp以及補償因子b0；

步驟4：將rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，一個兩個輸入層五個隱含層一個輸出層的2-5-1結(jié)構(gòu)的rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與優(yōu)化后的adrc結(jié)合，設(shè)計一個如圖3所示的參數(shù)調(diào)節(jié)器；

步驟5：用參數(shù)調(diào)節(jié)器中的rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)跟蹤速度信號ωr1、張力信號f12以及張力信號f23，得到跟蹤信號，通過運算，即梯度下降算法，得到優(yōu)化后的adrc需調(diào)試參數(shù)的調(diào)整信息，從而實現(xiàn)需調(diào)試參數(shù)的自調(diào)節(jié)。

如圖2所示，所述步驟2中對自抗擾控制器adrc進(jìn)行優(yōu)化的公式為：

e＝z1-y

z1＝z1+h(z2-β01e+b0u)

z2＝z2+h(-β02fal(e,α,δ))

e1＝v-z1

u0＝kpe1

其中，e為觀測誤差；z1為y的觀測信號；y為三電機同步系統(tǒng)的速度信號或張力信號的實際值，即速度信號ωr1、張力信號f12以及張力信號f23；z2為三電機同步系統(tǒng)總擾動的觀測值；h為三電機同步系統(tǒng)的采樣周期值；b0為補償因子；β01，β02為狀態(tài)誤差反饋增益；fal(e,α,δ)為冪次函數(shù)；α為自抗擾控制器adrc的非線性因子；δ為冪次函數(shù)的線性區(qū)間；e1為狀態(tài)誤差信號；v為三電機同步系統(tǒng)的速度信號或張力信號的給定信號，即ωr1^*、f12^*、f23^*；kp為自抗擾控制器adrc的反饋控制律比例系數(shù)；u為實際控制量；u0為誤差反饋控制量；

其中，fal(e,α,δ)非線性函數(shù)表達(dá)式為：

所述梯度下降算法為：

步驟a：設(shè)定指標(biāo)函數(shù)e(k)；

步驟b：調(diào)節(jié)優(yōu)化后的adrc需調(diào)試參數(shù)，使k時刻的三電機同步系統(tǒng)的速度信號或張力信號的實際值y(k)逼近k時刻的三電機同步系統(tǒng)的速度信號給定信號v(k)，根據(jù)梯度下降算法，得需調(diào)試參數(shù)n的增量δn(k)；

步驟c：用y(k)的跟蹤值ym(k)代替y(k)，得到δn(k)：

步驟d：通過運算得到k時刻時調(diào)整后的需調(diào)試參數(shù)n。

所述步驟a中的指標(biāo)函數(shù)e(k)為，其中，v(k)為k時刻的三電機同步系統(tǒng)的速度信號或張力信號的給定信號；y(k)為k時刻的三電機同步系統(tǒng)的速度信號或張力信號的實際值，e(k)為k時刻v(k)與y(k)的差值；

步驟b中需調(diào)試參數(shù)n的增量δn(k)的計算公式為

其中，η為梯度下降算法的步長；

步驟d中調(diào)整后的需調(diào)試參數(shù)n的運算方法為，n(k)＝n(k-1)+δn(k)。

三電機同步系統(tǒng)遵循主從控制模式，如圖4所示的三電機同步系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，該系統(tǒng)是一個三輸入三輸出的系統(tǒng)，三輸入分別為電機a的速度信號給定值ωr1^*以及電機a、電機b間的張力信號給定值f12^*和電機b、電機c間的張力信號給定值f23^*，而三輸出則分別為這三個量的實際值ωr1、f12和f23。電機a是電機b的主動電機，電機b是電機c的主動電機，電機c是從動電機。根據(jù)數(shù)學(xué)建模得到的三電機同步系統(tǒng)的物理模型可知，張力的大小很大程度取決于皮帶連接著的兩臺電機的轉(zhuǎn)速差?？刂迫_電機轉(zhuǎn)速的三臺變頻器，可以視為該系統(tǒng)的“執(zhí)行器”，所以控制電機a、電機b間的張力主要是在確定電機a速度的基礎(chǔ)上控制電機b的速度?？刂齐姍Cb、電機c間的張力，主要是在電機b的轉(zhuǎn)速確定之后，控制電機c轉(zhuǎn)速。根據(jù)圖4可知，將實際速度信號值ωr1和電機a速度信號給定值ωr1^*送入所設(shè)計的優(yōu)化后的一階adrc1中獲得電機a的控制信號ω1^*；將實際張力信號值f12與給定張力信號值f12^*送入優(yōu)化后的一階adrc2中，從而獲得一個速度增量值δω2^*，用電機a的控制信號減去速度增量值δω2^*可得電機b的控制信號ω2^*；將實際張力信號值f23與給定張力信號值f23^*送入優(yōu)化后的一階adrc3中，獲得一個速度增量值δω3^*，用電機b的控制信號減去增量值δω3^*可得電機c的控制信號ω3^*。在此過程中用rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)去跟蹤電機a的速度信號，從而去調(diào)節(jié)優(yōu)化后的一階adrc1的參數(shù)kp1、優(yōu)化后的一階adrc2的參數(shù)kp2、b02以及優(yōu)化后的一階adrc3的參數(shù)kp3，并將其調(diào)節(jié)后的參數(shù)返回給優(yōu)化后的adrc1、adrc2、adrc3中，從而實現(xiàn)實時調(diào)節(jié)需調(diào)試參數(shù)。

所述實施例為本發(fā)明的優(yōu)選的實施方式，但本發(fā)明并不限于上述實施方式，在不背離本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠做出的任何顯而易見的改進(jìn)、替換或變型均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。