專利名稱：兩電機變頻調速系統的支持向量機逆控制器及其構造方法
技術領域：
本發明是一種兩電機變頻調速系統的支持向量機逆控制器及其構造方法，適用于兩臺 矢量控制變頻器驅動兩臺感應電機帶動共同負載(如帶狀性負載)的高性能協調控制，屬 于電力傳動控制設備的技術領域。
背景技術：
近年來，隨著工業生產自動化程度的提高和生產規模的擴大，對各種機械性能和產品 質量的要求不斷提高，要求控制兩臺甚至多臺電機，以相同的速度協調運行。從我國目前 的張力設備來看，絕大部分仍采用模擬量張力型直流傳動方式，但直流電機存在性能價格 比差、維護費用高、轉速低和容量小等諸多難以克服的缺點。而現在隨著交流調速技術的 不斷發展，已經達到了直流調速的性能，所以用交流電機來代替直流電機驅動系統己成為 必然和工業應用的主流。由于以恒壓頻比方式工作的通用矢量控制變頻器體積小、重量輕、 有較好的調速性能、可靠性高且價格低，采用這樣的通用矢量控制變頻器來直接驅動感應 電機在工業生產領域中應用已很廣泛。因而，采用兩臺矢量控制變頻器驅動兩臺感應電機 帶動共同負載已逐漸成為可能。但是很難控制好兩臺矢量控制變頻器使兩臺感應電機帶動 共同負載以同一個速度實現高性能的協調運行，同時又能很好地控制傳送帶的張力。像這 樣由兩臺矢量控制變頻器驅動兩臺感應電機并帶動共同負載就構成了兩電機矢量控制變頻 調速系統。由于兩電機矢量控制變頻調速系統的被控量通常是傳送帶的速度和傳送帶的張 力，因而兩臺感應電機可以看成一臺是主感應電機，另一臺是從感應電機。 一般主感應電 機控制兩電機矢量控制變頻調速系統的速度(如傳送帶的速度)，從感應電機控制兩電機矢 量控制變頻調速系統的張力(如傳送帶的張力)。由于兩電機矢量控制變頻調速系統是高階、 強耦合、非線性的復雜控制對象，這使傳統的線性定參數PID控制常常顧此失彼，無法達 到滿意的控制效果，同時工業生產要求實現張力與速度的解耦控制，這就更增加了控制的 難度。因此如何去控制兩電機矢量控制變頻調速系統，讓其更好地協調運行，通過速度和 張力的解耦控制來實現高性能的協調控制，是一個急待解決的問題。支持向量機是一種建 立在統計學習理論基礎上的機器學習方法，該方法具有堅實的數學和理論基礎。支持向量 機結構簡單，性能優良，尤其是泛化能力明顯提高，適合處理高維數據以及非線性問題。
支持向量機算法最終轉化為一個二次型尋優問題，理論上得到的解是全局最優解，解決了 局部極值問題。因此，近年來受到了廣泛的關注，主要應用于模式識別領域。基于支持向 量機的控制算法近年來也取得了較大的發展，但未見應用于兩電機變頻調速系統中。

發明內容
本發明的目的是提供一種運用支持向量機逆系統，通過速度和張力之間解耦使兩電機 矢量控制變頻調速系統實現高性能的協調運行，同時又能很好地控制好張力、易于實現的 兩電機矢量控制變頻調速系統的協調控制器。
本發明的另一目的是提供一種運用支持向量機逆系統的兩電機矢量控制變頻調速系統 的協調控制器的構造方法。
本發明兩電機變頻調速系統的支持向量機逆控制器采用的技術方案是包括被控的兩 臺變頻器分別連接兩臺感應電機，兩臺感應電機通過傳送帶連接共同負載支持向量機逆 與線性閉環控制器相連接，所述支持向量機逆與線性閉環控制器相串接形成支持向量機逆 協調控制器，其中支持向量機逆用支持向量機加3個積分構成，線性閉環控制器由速度控 制器和張力控制器構成，速度控制器和張力控制器是由線性系統的設計方法對偽線性系統 分別作出；偽線性系統由兩個已解耦的速度子系統和張力子系統組成，兩電機矢量控制變 頻調速系統由變頻器、兩臺感應電機及共同負載作為一個整體組成，支持向量機逆連接于 所述的兩電機矢量控制變頻調速系統前，支持向量機逆和兩電機矢量控制變頻調速系統共
同組成等效的偽線性系統。
本發明兩電機變頻調速系統的支持向量機逆控制器及其構造方法采用的技術方案是依
次包括如下步驟①組成兩電機矢量控制變頻調速系統；②作整個兩電機矢量控制變頻調
速系統的等效，輸入變量為兩臺變頻器的速度給定，輸出變量為兩電機矢量控制變頻調速
系統的速度和系統的張力，得到整個兩電機矢量控制變頻調速系統的數學模型為靜止兩相
坐標系下的三階微分方程，速度相對階數為一階，張力相對階數為二階，確定其逆系統的
輸入變量為轉速的一階導數和張力的二階導數、輸出變量兩電機矢量控制變頻調速系統的
輸入；③構造支持向量機逆；④將階躍激勵信號加到兩變頻調速電機系統的輸入端；采集
激勵信號、實際轉速與張力；對實際轉速信號進行離線求一階導數和張力信號進行離線求
一、二導數；用構成的訓練樣本集對支持向量機進行訓練以確定支持向量機的向量系數和
閥值；⑤形成速度子系統和張力子系統；⑥作出閉環控制器后與支持向量機逆相串接構成
支持向量機逆協調控制器。
本發明通過構造支持向量機逆，將原兩電機矢量控制變頻調速系統速度和張力這一被 控量，將相互耦合的兩臺變頻器的速度給定的兩輸入和傳送帶的速度和張力的兩輸出的復 雜非線性耦合系統的控制問題轉化為簡單的兩個偽線性子系統的控制問題，相應地就可以 合理地設計線性閉環控制器，實現對兩電機矢量控制變頻調速系統的協調控制，可獲得優 良的轉速和張力的協調控制。本發明的優點在于
1、 采用支持向量機逆，解決了復雜非線性耦合系統的解耦控制問題，通過進一步合理設計線性閉環控制器，獲得高性能的協調控制以及抗負載擾動運行性能。
2、 本發明的方法不僅可設計新的多電機矢量控制變頻調速系統，而且在舊的多交流電機系統的改造中，應用前景非常廣闊的，構置系統方便，成本低且容易實現網絡控制。


圖1是以矢量控制方式工作的變頻器驅動的兩電機帶動同一負載(帶狀性負載)形成的兩電機矢量控制變頻調速系統的原理結構圖。其中有變頻器l、感應電機2、共同負載3。
圖2是兩電機矢量控制變頻調速系統對應的每一臺變頻器1加感應電機2的數學模型示意圖及其等效圖。
圖3是兩電機矢量控制變頻調速系統4的兩輸入(兩臺變頻器的輸入)和兩輸出(速度和張力)等效框圖。
圖4是支持向量機逆5與兩電機矢量控制變頻調速系統4復合構成的偽線性系統6的示意圖及其等效圖。其中有積分器、支持向量機51，偽線性系統6。
圖5是加到兩電機矢量控制變頻調速系統輸入端的階躍激勵信號(分別為兩臺變頻器的頻率給定fi^和必；)。
圖6是由線性閉環控制器7與偽線性系統6組成的閉環控制系統的結構圖。其中偽線性系統6包括速度子系統61和張力子系統62;閉環控制器包括速度控制器71和張力控制器72。
圖7是采用支持向量機逆協調控制器8對兩電機矢量控制變頻調速系統4進行控制的完整原理框圖。
圖8是采用工控機作為支持向量機逆協調控制器的本發明裝置組成示意圖。其中有工控機9、光電編碼器IO。
圖9是采用工控機作為支持向量機逆協調控制器時的程序運行框圖。
具體實施例方式
如圖l-3，將以矢量控制方式工作的兩臺變頻器l、兩臺感應電機2和共同負載3作為一個整體構成兩電機矢量控制變頻調速系統4。該兩電機矢量控制變頻調速系統4的數學模型為靜止兩相坐標系下的三階微分方程，兩個輸出分別為速度和張力，速度的相對階數為一階、張力的相對階數為二階，整體系統即兩電機矢量控制變頻調速系統4對應的逆系統存在。如圖4，采用5個輸入節點、2個輸出節點的支持向量機加3個積分并通過離線學習構成支持向量機逆5。再將支持向量機逆5串接在原系統即被控的兩電機矢量控制變頻
577調速系統4之前，復合成速度一階積分型和張力二階積分型偽線性子系統6,實現把被控量(速度和張力)相互耦合的兩輸入(兩臺變頻器的輸入)兩輸出(速度和張力)復雜非線性耦合系統的控制轉化為兩個簡單的單變量線性系統控制。見圖6,最后對得到的偽線性子系統6采用線性系統設計理論(如比例積分微分PID、極點配置等設計方法)進行線性閉環控制器7的設計。最終形成的支持向量機逆協調控制器8包括支持向量機逆5與線性閉環控制器7兩部分，可根據不同的控制要求采用不同的硬件或軟件來實現。具體實施分以下6步
① 如圖1所示，組成兩電機矢量控制變頻調速系統4。將兩臺以矢量控制方式工作的變頻器1與被控的兩臺感應電機2及其共同負載3(帶狀性負載)共同組成復合被控對象即兩電機矢量控制變頻調速系統4，該復合被控對象以兩臺變頻器1的轉速給定為輸入，以1號感應電機1的轉速和傳送帶張力為輸出。
② 通過分析、等效與推導，為支持向量機逆5的構造與學習訓練提供方法上的依據。首先作變頻器+感應電機的等效，對于每臺變頻器驅動的感應電機2其輸入變量為該變頻器l的速度給定，輸出變量為該感應電機2的速度，其等效結構如圖2所示。再作負載等效，由于兩臺感應電機2帶的共同負載3 (帶狀性負載如傳送帶)，傳送帶的張力與兩臺感應電機2的速度之差有關，其等效負載如圖3右虛線框內所示。然后作整個兩電機矢量控制變頻調速系統4的等效，輸入變量為兩臺變頻器1的速度給定，輸出變量為兩電機矢量控制變頻調速系統4的速度fi^ (l號感應電機速度)和系統的張力F (傳送帶的張力)，整個兩電機矢量控制變頻調速系統4的等效框圖如圖3所示。最后通過分析和推導可得到整個兩電機矢量控制變頻調速系統4的數學模型為靜止兩相坐標系下的三階微分方程，速度相對階數為一階，張力相對階數為二階，經推導可證明該系統的逆系統存在，并可確定其逆系統的輸入變量為轉速c^的一階導數^^和張力F的二階導數P、輸出變量為原系統(即被控的兩電機矢量控制變頻調速系統4)的輸入6^與fi)"。需要說明的是，這一步僅為以下的支持向量機逆5的構造與學習提供方法上的根據，在本發明的具體實施中，這一步的分析、等效以及逆系統的證明等可跳過。
③ 構造支持向量機逆5。采用支持向量機51加3個積分器構造支持向量機逆5，見圖4左圖中的虛線框內所示，支持向量機采用的內積核函數為高斯核函數，支持向量機的向量系數和閥值將在下一步的離線學習中確定；然后用此具有5個輸入節點、2個輸出節點的支持向量機加3個積分構成具有2個輸入節點、2個輸出節點的支持向量機逆5,見圖4左圖中的虛線框內所示，其中支持向量機的第一個輸入為支持向量機逆的第一個輸入，其經第一個傳函為支持向量機的第二個輸入，第三個輸入為支持向量機逆的第二個輸入，其經第二個傳函為支持向量機的第四個輸入，所述第四個輸入再經第一個積分為支持向量機
的第五個輸入，支持向量機的輸出即為支持向量機逆5的輸出。
④ 確定支持向量機的各個向量系數和閥值。其步驟是(A)選擇兩臺變頻器l的速度
給定信號(或頻率給定)作為學習激勵信號，如圖5所示，以便兩電機矢量控制變頻調速
系統4在其工作范圍內能被充分激勵；(B)將選定的激勵信號以輸入的形式加到圖l所示
的兩電機矢量控制變頻調速系統的輸入端^',、 ^'2，進行開環運行，按0.1秒的采樣間隔采樣激勵信號^、 w12'、實際轉速^、實際張力F，保存采樣數據—;,^',ft^，Fl; (C)對得到的實際轉速",1和實際張力尸進行離線求導6),1與戶、,，從而構成支持向量機的訓練樣本集(G^，o^,A,，Ai，F,戶,^h (D)對該樣本使用支持向量機進行訓練，正歸化參數C=200，核寬度=0.6，從而確定了支持向量機的各個向量系數和閥值。
⑤ 形成速度子系統61和張力子系統62。將離線訓練好的支持向量機配上三個積分構成的支持向量機逆5，如圖4左圖中的虛線框內所示，與圖1所示的被控的兩電機矢量控制變頻調速系統4串接復合，形成速度一階的偽線性子系統6和張力二階的偽線性子系統，如圖4所示，實現了把復雜非線性耦合系統控制轉化為簡單的兩個線性子系統控制。
⑥ 作出線性閉環控制器7。對得到的速度一階偽線性子系統和張力二階偽線性子系統分別進行閉環控制器7設計。依據線性系統的設計方法對偽線性系統6分別作出速度控制器71和張力控制器72,閉環控制器7可以采用線性系統理論中的比例積分微分PID、極點配置或二次型指標最優等設計方法。本發明的速度控制器71選用了比例微分調節器，PD=1.2+3s，張力控制器72選用比例微分調節器PD=2+5s。
⑦ 形成支持向量機逆協調控制器8。最終形成的支持向量機逆協調控制器8包括支持向量機逆與線性閉環控制器兩部分，如圖7所示，可根據不同控制要求采用不同的硬件或軟件來實現。
圖8是本發明的具體實施例的示意圖，圖中，支持向量機逆協調控制器8采用工控機，加模擬數字轉換A/D卡、計數卡與通信卡來實現，兩臺變頻器采用西門子MMV型號，被控感應電機型號為Y90S-4，電機參數為尸,1.1A:W; C/e=220/380 V; /e=2.7A; /e=50Hz; "p=2;G)e=1400rpm。。系統程序框圖如圖9所示，包括主程序和中斷服務程序，實現系統的初始化和速度，并進行數據顯示、故障診斷和報警以及張力的支持向量機逆解耦控制。
權利要求
1.一種兩電機變頻調速系統的支持向量機逆控制器，包括被控的兩臺變頻器(1)分別連接兩臺感應電機(2)、兩臺感應電機(2)通過傳送帶連接共同負載(3)、支持向量機逆(5)與線性閉環控制器(7)相連接，其特征是所述支持向量機逆(5)與線性閉環控制器(7)相串接形成支持向量機逆協調控制器(8)，其中支持向量機逆(5)用支持向量機(51)加3個積分構成，線性閉環控制器(7)由速度控制器(71)和張力控制器(72)構成，速度控制器(71)和張力控制器(72)由線性系統的設計方法對偽線性系統(6)分別作出；偽線性系統(6)由兩個已解耦的速度子系統(61)和張力子系統(62)組成，兩電機矢量控制變頻調速系統(4)由變頻器(1)、兩臺感應電機(2)及共同負載(3)作為一個整體組成，支持向量機逆(5)連接于所述的兩電機矢量控制變頻調速系統(4)前，支持向量機逆(5)和兩電機矢量控制變頻調速系統(4)共同復合組成等效的偽線性系統(6)。
2. 根據權利要求l所述的兩電機變頻調速系統的支持向量機逆控制器，其特征是所述支 持向量機(51)有5個輸入節點和2個輸出節點，支持向量機逆(5)具有2個輸入節點和2 個輸出節點，其中支持向量機(51)的第一、第三個輸入為支持向量機逆(5)的輸入，第 一個輸入經第一個積分為支持向量機(51)的第二個輸入，第三個輸入經第二個積分為支持 向量機(51)的第四個輸入，第四個輸入經第三個積分為支持向量機(51)的第五個輸入， 支持向量機(51)的輸出即為支持向量機逆(5)的輸出。
3. —種兩電機變頻調速系統的支持向量機逆控制器的構造方法，其特征是包括如下步驟:① 組成兩電機矢量控制變頻調速系統(4);② 作整個兩電機矢量控制變頻調速系統(4)的等效，輸入變量為兩臺變頻器(1)的速 度給定，輸出變量為兩電機矢量控制變頻調速系統(4)的速度和系統的張力，得到整個兩 電機矢量控制變頻調速系統(4)的數學模型為靜止兩相坐標系下的三階微分方程，速度相 對階數為一階，張力相對階數為二階，確定其逆系統的輸入變量為轉速的一階導數和張力的 二階導數、輸出變量兩電機矢量控制變頻調速系統的(4)輸入；③ 構造支持向量機逆(5);④ 將階躍激勵信號加到兩變頻調速電機系統(4)的輸入端；采集激勵信號、實際轉速 與張力；對實際轉速信號進行離線求一階導數和張力信號進行離線求一、二導數；用構成的 訓練樣本集對支持向量機(51)進行訓練以確定支持向量機(51)的向量系數和閥值；⑤ 形成速度子系統(61)和張力子系統(62);⑥ 作出閉環控制器(7)后與支持向量機逆(5)相串接構成支持向量機逆協調控制器 (8)。
全文摘要
本發明公開了一種兩電機變頻調速系統的支持向量機逆控制器及其構造方法，包括支持向量機逆與線性閉環控制器，變頻器、兩臺感應電機及共同負載作為一個整體組成一個兩電機矢量控制變頻調速系統，將支持向量機逆接在所述的兩電機矢量控制變頻調速系統前，共同復合成由兩個已解耦的速度子系統和張力子系統組成的偽線性系統，將速度控制器和張力控制器構成線性閉環控制器，將所述支持向量機逆與線性閉環控制器相串接形成支持向量機逆協調控制器，可獲得優良的轉速和張力的協調控制，不僅可設計新的多電機矢量控制變頻調速系統，而且在舊的多交流電機系統的改造中應用前景廣闊，構置系統方便，成本低且易實現網絡控制。
文檔編號H02P21/14GK101640513SQ20091018431
公開日2010年2月3日 申請日期2009年8月12日 優先權日2009年8月12日
發明者劉國海, 鈺 張, 躍 沈, 彥 蔣 申請人:江蘇大學