专利名称：两电机变频调速系统的支持向量机逆控制器及其构造方法
技术领域：
本发明是一种两电机变频调速系统的支持向量机逆控制器及其构造方法，适用于两台 矢量控制变频器驱动两台感应电机带动共同负载(如带状性负载)的高性能协调控制，属 于电力传动控制设备的技术领域。
背景技术：
近年来，随着工业生产自动化程度的提高和生产规模的扩大，对各种机械性能和产品 质量的要求不断提高，要求控制两台甚至多台电机，以相同的速度协调运行。从我国目前 的张力设备来看，绝大部分仍采用模拟量张力型直流传动方式，但直流电机存在性能价格 比差、维护费用高、转速低和容量小等诸多难以克服的缺点。而现在随着交流调速技术的 不断发展，已经达到了直流调速的性能，所以用交流电机来代替直流电机驱动系统己成为 必然和工业应用的主流。由于以恒压频比方式工作的通用矢量控制变频器体积小、重量轻、 有较好的调速性能、可靠性高且价格低，采用这样的通用矢量控制变频器来直接驱动感应 电机在工业生产领域中应用已很广泛。因而，采用两台矢量控制变频器驱动两台感应电机 带动共同负载已逐渐成为可能。但是很难控制好两台矢量控制变频器使两台感应电机带动 共同负载以同一个速度实现高性能的协调运行，同时又能很好地控制传送带的张力。像这 样由两台矢量控制变频器驱动两台感应电机并带动共同负载就构成了两电机矢量控制变频 调速系统。由于两电机矢量控制变频调速系统的被控量通常是传送带的速度和传送带的张 力，因而两台感应电机可以看成一台是主感应电机，另一台是从感应电机。 一般主感应电 机控制两电机矢量控制变频调速系统的速度(如传送带的速度)，从感应电机控制两电机矢 量控制变频调速系统的张力(如传送带的张力)。由于两电机矢量控制变频调速系统是高阶、 强耦合、非线性的复杂控制对象，这使传统的线性定参数PID控制常常顾此失彼，无法达 到满意的控制效果，同时工业生产要求实现张力与速度的解耦控制，这就更增加了控制的 难度。因此如何去控制两电机矢量控制变频调速系统，让其更好地协调运行，通过速度和 张力的解耦控制来实现高性能的协调控制，是一个急待解决的问题。支持向量机是一种建 立在统计学习理论基础上的机器学习方法，该方法具有坚实的数学和理论基础。支持向量 机结构简单，性能优良，尤其是泛化能力明显提高，适合处理高维数据以及非线性问题。
支持向量机算法最终转化为一个二次型寻优问题，理论上得到的解是全局最优解，解决了 局部极值问题。因此，近年来受到了广泛的关注，主要应用于模式识别领域。基于支持向 量机的控制算法近年来也取得了较大的发展，但未见应用于两电机变频调速系统中。
发明内容
本发明的目的是提供一种运用支持向量机逆系统，通过速度和张力之间解耦使两电机 矢量控制变频调速系统实现高性能的协调运行，同时又能很好地控制好张力、易于实现的 两电机矢量控制变频调速系统的协调控制器。
本发明的另一目的是提供一种运用支持向量机逆系统的两电机矢量控制变频调速系统 的协调控制器的构造方法。
本发明两电机变频调速系统的支持向量机逆控制器采用的技术方案是包括被控的两 台变频器分别连接两台感应电机，两台感应电机通过传送带连接共同负载支持向量机逆 与线性闭环控制器相连接，所述支持向量机逆与线性闭环控制器相串接形成支持向量机逆 协调控制器，其中支持向量机逆用支持向量机加3个积分构成，线性闭环控制器由速度控 制器和张力控制器构成，速度控制器和张力控制器是由线性系统的设计方法对伪线性系统 分别作出；伪线性系统由两个已解耦的速度子系统和张力子系统组成，两电机矢量控制变 频调速系统由变频器、两台感应电机及共同负载作为一个整体组成，支持向量机逆连接于 所述的两电机矢量控制变频调速系统前，支持向量机逆和两电机矢量控制变频调速系统共
同组成等效的伪线性系统。
本发明两电机变频调速系统的支持向量机逆控制器及其构造方法采用的技术方案是依
次包括如下步骤①组成两电机矢量控制变频调速系统；②作整个两电机矢量控制变频调
速系统的等效，输入变量为两台变频器的速度给定，输出变量为两电机矢量控制变频调速
系统的速度和系统的张力，得到整个两电机矢量控制变频调速系统的数学模型为静止两相
坐标系下的三阶微分方程，速度相对阶数为一阶，张力相对阶数为二阶，确定其逆系统的
输入变量为转速的一阶导数和张力的二阶导数、输出变量两电机矢量控制变频调速系统的
输入；③构造支持向量机逆；④将阶跃激励信号加到两变频调速电机系统的输入端；采集
激励信号、实际转速与张力；对实际转速信号进行离线求一阶导数和张力信号进行离线求
一、二导数；用构成的训练样本集对支持向量机进行训练以确定支持向量机的向量系数和
阀值；⑤形成速度子系统和张力子系统；⑥作出闭环控制器后与支持向量机逆相串接构成
支持向量机逆协调控制器。
本发明通过构造支持向量机逆，将原两电机矢量控制变频调速系统速度和张力这一被 控量，将相互耦合的两台变频器的速度给定的两输入和传送带的速度和张力的两输出的复 杂非线性耦合系统的控制问题转化为简单的两个伪线性子系统的控制问题，相应地就可以 合理地设计线性闭环控制器，实现对两电机矢量控制变频调速系统的协调控制，可获得优 良的转速和张力的协调控制。本发明的优点在于
1、 采用支持向量机逆，解决了复杂非线性耦合系统的解耦控制问题，通过进一步合理设计线性闭环控制器，获得高性能的协调控制以及抗负载扰动运行性能。
2、 本发明的方法不仅可设计新的多电机矢量控制变频调速系统，而且在旧的多交流电机系统的改造中，应用前景非常广阔的，构置系统方便，成本低且容易实现网络控制。
图1是以矢量控制方式工作的变频器驱动的两电机带动同一负载(带状性负载)形成的两电机矢量控制变频调速系统的原理结构图。其中有变频器l、感应电机2、共同负载3。
图2是两电机矢量控制变频调速系统对应的每一台变频器1加感应电机2的数学模型示意图及其等效图。
图3是两电机矢量控制变频调速系统4的两输入(两台变频器的输入)和两输出(速度和张力)等效框图。
图4是支持向量机逆5与两电机矢量控制变频调速系统4复合构成的伪线性系统6的示意图及其等效图。其中有积分器、支持向量机51，伪线性系统6。
图5是加到两电机矢量控制变频调速系统输入端的阶跃激励信号(分别为两台变频器的频率给定fi^和必；)。
图6是由线性闭环控制器7与伪线性系统6组成的闭环控制系统的结构图。其中伪线性系统6包括速度子系统61和张力子系统62;闭环控制器包括速度控制器71和张力控制器72。
图7是采用支持向量机逆协调控制器8对两电机矢量控制变频调速系统4进行控制的完整原理框图。
图8是采用工控机作为支持向量机逆协调控制器的本发明装置组成示意图。其中有工控机9、光电编码器IO。
图9是采用工控机作为支持向量机逆协调控制器时的程序运行框图。
具体实施例方式
如图l-3，将以矢量控制方式工作的两台变频器l、两台感应电机2和共同负载3作为一个整体构成两电机矢量控制变频调速系统4。该两电机矢量控制变频调速系统4的数学模型为静止两相坐标系下的三阶微分方程，两个输出分别为速度和张力，速度的相对阶数为一阶、张力的相对阶数为二阶，整体系统即两电机矢量控制变频调速系统4对应的逆系统存在。如图4，采用5个输入节点、2个输出节点的支持向量机加3个积分并通过离线学习构成支持向量机逆5。再将支持向量机逆5串接在原系统即被控的两电机矢量控制变频
577调速系统4之前，复合成速度一阶积分型和张力二阶积分型伪线性子系统6,实现把被控量(速度和张力)相互耦合的两输入(两台变频器的输入)两输出(速度和张力)复杂非线性耦合系统的控制转化为两个简单的单变量线性系统控制。见图6,最后对得到的伪线性子系统6采用线性系统设计理论(如比例积分微分PID、极点配置等设计方法)进行线性闭环控制器7的设计。最终形成的支持向量机逆协调控制器8包括支持向量机逆5与线性闭环控制器7两部分，可根据不同的控制要求采用不同的硬件或软件来实现。具体实施分以下6步
① 如图1所示，组成两电机矢量控制变频调速系统4。将两台以矢量控制方式工作的变频器1与被控的两台感应电机2及其共同负载3(带状性负载)共同组成复合被控对象即两电机矢量控制变频调速系统4，该复合被控对象以两台变频器1的转速给定为输入，以1号感应电机1的转速和传送带张力为输出。
② 通过分析、等效与推导，为支持向量机逆5的构造与学习训练提供方法上的依据。首先作变频器+感应电机的等效，对于每台变频器驱动的感应电机2其输入变量为该变频器l的速度给定，输出变量为该感应电机2的速度，其等效结构如图2所示。再作负载等效，由于两台感应电机2带的共同负载3 (带状性负载如传送带)，传送带的张力与两台感应电机2的速度之差有关，其等效负载如图3右虚线框内所示。然后作整个两电机矢量控制变频调速系统4的等效，输入变量为两台变频器1的速度给定，输出变量为两电机矢量控制变频调速系统4的速度fi^ (l号感应电机速度)和系统的张力F (传送带的张力)，整个两电机矢量控制变频调速系统4的等效框图如图3所示。最后通过分析和推导可得到整个两电机矢量控制变频调速系统4的数学模型为静止两相坐标系下的三阶微分方程，速度相对阶数为一阶，张力相对阶数为二阶，经推导可证明该系统的逆系统存在，并可确定其逆系统的输入变量为转速c^的一阶导数^^和张力F的二阶导数P、输出变量为原系统(即被控的两电机矢量控制变频调速系统4)的输入6^与fi)"。需要说明的是，这一步仅为以下的支持向量机逆5的构造与学习提供方法上的根据，在本发明的具体实施中，这一步的分析、等效以及逆系统的证明等可跳过。
③ 构造支持向量机逆5。采用支持向量机51加3个积分器构造支持向量机逆5，见图4左图中的虚线框内所示，支持向量机采用的内积核函数为高斯核函数，支持向量机的向量系数和阀值将在下一步的离线学习中确定；然后用此具有5个输入节点、2个输出节点的支持向量机加3个积分构成具有2个输入节点、2个输出节点的支持向量机逆5,见图4左图中的虚线框内所示，其中支持向量机的第一个输入为支持向量机逆的第一个输入，其经第一个传函为支持向量机的第二个输入，第三个输入为支持向量机逆的第二个输入，其经第二个传函为支持向量机的第四个输入，所述第四个输入再经第一个积分为支持向量机
的第五个输入，支持向量机的输出即为支持向量机逆5的输出。
④ 确定支持向量机的各个向量系数和阀值。其步骤是(A)选择两台变频器l的速度
给定信号(或频率给定)作为学习激励信号，如图5所示，以便两电机矢量控制变频调速
系统4在其工作范围内能被充分激励；(B)将选定的激励信号以输入的形式加到图l所示
的两电机矢量控制变频调速系统的输入端^',、 ^'2，进行开环运行，按0.1秒的采样间隔采样激励信号^、 w12'、实际转速^、实际张力F，保存采样数据—;,^',ft^，Fl; (C)对得到的实际转速",1和实际张力尸进行离线求导6),1与户、,，从而构成支持向量机的训练样本集(G^，o^,A,，Ai，F,户,^h (D)对该样本使用支持向量机进行训练，正归化参数C=200，核宽度=0.6，从而确定了支持向量机的各个向量系数和阀值。
⑤ 形成速度子系统61和张力子系统62。将离线训练好的支持向量机配上三个积分构成的支持向量机逆5，如图4左图中的虚线框内所示，与图1所示的被控的两电机矢量控制变频调速系统4串接复合，形成速度一阶的伪线性子系统6和张力二阶的伪线性子系统，如图4所示，实现了把复杂非线性耦合系统控制转化为简单的两个线性子系统控制。
⑥ 作出线性闭环控制器7。对得到的速度一阶伪线性子系统和张力二阶伪线性子系统分别进行闭环控制器7设计。依据线性系统的设计方法对伪线性系统6分别作出速度控制器71和张力控制器72,闭环控制器7可以采用线性系统理论中的比例积分微分PID、极点配置或二次型指标最优等设计方法。本发明的速度控制器71选用了比例微分调节器，PD=1.2+3s，张力控制器72选用比例微分调节器PD=2+5s。
⑦ 形成支持向量机逆协调控制器8。最终形成的支持向量机逆协调控制器8包括支持向量机逆与线性闭环控制器两部分，如图7所示，可根据不同控制要求采用不同的硬件或软件来实现。
图8是本发明的具体实施例的示意图，图中，支持向量机逆协调控制器8采用工控机，加模拟数字转换A/D卡、计数卡与通信卡来实现，两台变频器采用西门子MMV型号，被控感应电机型号为Y90S-4，电机参数为尸,1.1A:W; C/e=220/380 V; /e=2.7A; /e=50Hz; "p=2;G)e=1400rpm。。系统程序框图如图9所示，包括主程序和中断服务程序，实现系统的初始化和速度，并进行数据显示、故障诊断和报警以及张力的支持向量机逆解耦控制。
权利要求
1.一种两电机变频调速系统的支持向量机逆控制器，包括被控的两台变频器(1)分别连接两台感应电机(2)、两台感应电机(2)通过传送带连接共同负载(3)、支持向量机逆(5)与线性闭环控制器(7)相连接，其特征是所述支持向量机逆(5)与线性闭环控制器(7)相串接形成支持向量机逆协调控制器(8)，其中支持向量机逆(5)用支持向量机(51)加3个积分构成，线性闭环控制器(7)由速度控制器(71)和张力控制器(72)构成，速度控制器(71)和张力控制器(72)由线性系统的设计方法对伪线性系统(6)分别作出；伪线性系统(6)由两个已解耦的速度子系统(61)和张力子系统(62)组成，两电机矢量控制变频调速系统(4)由变频器(1)、两台感应电机(2)及共同负载(3)作为一个整体组成，支持向量机逆(5)连接于所述的两电机矢量控制变频调速系统(4)前，支持向量机逆(5)和两电机矢量控制变频调速系统(4)共同复合组成等效的伪线性系统(6)。
2. 根据权利要求l所述的两电机变频调速系统的支持向量机逆控制器，其特征是所述支 持向量机(51)有5个输入节点和2个输出节点，支持向量机逆(5)具有2个输入节点和2 个输出节点，其中支持向量机(51)的第一、第三个输入为支持向量机逆(5)的输入，第 一个输入经第一个积分为支持向量机(51)的第二个输入，第三个输入经第二个积分为支持 向量机(51)的第四个输入，第四个输入经第三个积分为支持向量机(51)的第五个输入， 支持向量机(51)的输出即为支持向量机逆(5)的输出。
3. —种两电机变频调速系统的支持向量机逆控制器的构造方法，其特征是包括如下步骤:① 组成两电机矢量控制变频调速系统(4);② 作整个两电机矢量控制变频调速系统(4)的等效，输入变量为两台变频器(1)的速 度给定，输出变量为两电机矢量控制变频调速系统(4)的速度和系统的张力，得到整个两 电机矢量控制变频调速系统(4)的数学模型为静止两相坐标系下的三阶微分方程，速度相 对阶数为一阶，张力相对阶数为二阶，确定其逆系统的输入变量为转速的一阶导数和张力的 二阶导数、输出变量两电机矢量控制变频调速系统的(4)输入；③ 构造支持向量机逆(5);④ 将阶跃激励信号加到两变频调速电机系统(4)的输入端；采集激励信号、实际转速 与张力；对实际转速信号进行离线求一阶导数和张力信号进行离线求一、二导数；用构成的 训练样本集对支持向量机(51)进行训练以确定支持向量机(51)的向量系数和阀值；⑤ 形成速度子系统(61)和张力子系统(62);⑥ 作出闭环控制器(7)后与支持向量机逆(5)相串接构成支持向量机逆协调控制器 (8)。
全文摘要
本发明公开了一种两电机变频调速系统的支持向量机逆控制器及其构造方法，包括支持向量机逆与线性闭环控制器，变频器、两台感应电机及共同负载作为一个整体组成一个两电机矢量控制变频调速系统，将支持向量机逆接在所述的两电机矢量控制变频调速系统前，共同复合成由两个已解耦的速度子系统和张力子系统组成的伪线性系统，将速度控制器和张力控制器构成线性闭环控制器，将所述支持向量机逆与线性闭环控制器相串接形成支持向量机逆协调控制器，可获得优良的转速和张力的协调控制，不仅可设计新的多电机矢量控制变频调速系统，而且在旧的多交流电机系统的改造中应用前景广阔，构置系统方便，成本低且易实现网络控制。
文档编号H02P21/14GK101640513SQ20091018431
公开日2010年2月3日 申请日期2009年8月12日 优先权日2009年8月12日
发明者刘国海, 钰 张, 跃 沈, 彦 蒋 申请人:江苏大学