周曉華 藍會立?┱乓? 李振強

摘要：針對傳統(tǒng)PI雙閉環(huán)直流電機調(diào)速系統(tǒng)存在響應(yīng)速度慢、超調(diào)量大、抗干擾能力及自適應(yīng)能力差等問題，提出了一種雙閉環(huán)直流電機調(diào)速系統(tǒng)的神經(jīng)元PID轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計方法。該轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器采用神經(jīng)元控制器和比例控制相結(jié)合進行設(shè)計，從而構(gòu)成了一種具有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)能力的神經(jīng)元PID控制器，然后與傳統(tǒng)單神經(jīng)元PID設(shè)計的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器控制效果進行了對比。結(jié)果表明，基于神經(jīng)元PID轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)直流電機調(diào)速系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)速度、良好的動態(tài)和靜態(tài)穩(wěn)定性、較強的自適應(yīng)能力和抗干擾能力。

關(guān)鍵詞：直流電機；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器；神經(jīng)元控制；比例控制；神經(jīng)元PID

中圖分類號：TM331文獻標(biāo)識碼：ADOI：10.3969/j.issn.10036199.2017.01.005

1引言

雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)由于起動轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍廣、調(diào)速精度高、動態(tài)性能好和易于控制，因而在冶金、建材、印刷、軋鋼機、電動汽車、電力機車及礦山等工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。傳統(tǒng)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)廣泛采用PI控制器設(shè)計其轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，雖然PI轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好以及可靠性高等優(yōu)點，但也存在超調(diào)量大、負載自適應(yīng)能力差、抗干擾能力不強及魯棒性差等缺點[4-5]。

神經(jīng)元控制器結(jié)構(gòu)簡單，具有較強的自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)能力，且對控制對象模型精度要求不高，可通過在線調(diào)整自身權(quán)值進行自學(xué)習(xí)來適應(yīng)控制對象的變化。本文將神經(jīng)元控制器與比例控制相結(jié)合設(shè)計了一種神經(jīng)元PID控制器，然后用其設(shè)計了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，在Matlab/Simulink仿真平臺建立了基于神經(jīng)元PID的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真模型，并與采用常規(guī)單神經(jīng)元PID控制器設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的控制效果進行了仿真對比。結(jié)果表明，基于神經(jīng)元PID轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速性能優(yōu)于基于常規(guī)單神經(jīng)元PID轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。

2直流電機調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

直流電機轉(zhuǎn)速給定值ωref與檢測的實際轉(zhuǎn)速ω相比較后的轉(zhuǎn)速偏差由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后，輸出電流調(diào)節(jié)器的參考電流Iref，參考電流和檢測的實際電流Ia的誤差信號再由電流調(diào)節(jié)器進行調(diào)節(jié)，產(chǎn)生直流斬波器的觸發(fā)脈沖信號，直流斬波器輸出直流電壓以驅(qū)動直流電機運行。直流電機調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器采用由比例控制和神經(jīng)元控制器構(gòu)成的神經(jīng)元PID控制進行設(shè)計，電流調(diào)節(jié)器為滯環(huán)電流控制，直流斬波器模塊由開關(guān)器件IGBT、續(xù)流二極管和電感元件構(gòu)成。

3神經(jīng)元PID轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計

雙閉環(huán)直流電機調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)如圖1虛線框內(nèi)部分所示。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器為由比例控制和神經(jīng)元控制器構(gòu)成的神經(jīng)元PID控制器，為與常規(guī)單神經(jīng)元PID控制器相區(qū)別，文中將其稱為神經(jīng)元PID控制器。

直流電機轉(zhuǎn)速誤差e（k）經(jīng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換后可形成神經(jīng)元控制器[6]在k時刻的輸入狀態(tài)x

由圖5可知，兩種轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)下的直流電機起動轉(zhuǎn)矩大小基本一致，但在穩(wěn)態(tài)和負載轉(zhuǎn)矩突增時，單神經(jīng)元PID控制下的電磁轉(zhuǎn)矩波動較大，穩(wěn)定性較差。

仿真情形2：設(shè)定直流電機負載轉(zhuǎn)矩為5 N·m不變，參考轉(zhuǎn)速ωref在0.5 s時由最初的80 rad/s上升到120 rad/s，兩種轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)下的直流電機轉(zhuǎn)速響應(yīng)波形對比如圖6所示。由圖6可知，直流電機在負載轉(zhuǎn)矩5 N·m下起動時，兩種控制器調(diào)節(jié)下的轉(zhuǎn)速響應(yīng)速度都較快，在0.5 s參考轉(zhuǎn)速由80 rad/s上升到120 rad/s時，神經(jīng)元PID控制下的轉(zhuǎn)速響應(yīng)波形超調(diào)量較小，控制器的動態(tài)和靜態(tài)穩(wěn)定性表現(xiàn)更好。

6結(jié)論

本文采用神經(jīng)元PID控制和單神經(jīng)元PID控制分別設(shè)計了雙閉環(huán)直流電機調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，并進行了負載轉(zhuǎn)矩突變和參考轉(zhuǎn)速變化的對比仿真。仿真結(jié)果表明，基于神經(jīng)元PID轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)直流電機調(diào)速系統(tǒng)響應(yīng)速度快，動態(tài)和靜態(tài)調(diào)節(jié)效果優(yōu)越，控制器具有較強的抗干擾能力和自適應(yīng)能力，控制器結(jié)構(gòu)和算法簡單易實現(xiàn)，在工程實際中具有較好的應(yīng)用前景。

參考文獻

[1]繆仲翠，黨建武，張鑫，等. PSO優(yōu)化分數(shù)階PIλ控制的雙閉環(huán)直流調(diào)速控制[J].計算機工程與應(yīng)用，2015，51（7）：252-257.

[2]沈鳳龍.基于MATLAB/SIMULIK的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真[J].遼東學(xué)院學(xué)報，2010，17（1）：41-44.

[3]劉洋，范立南.基于MATLAB的直流調(diào)速系統(tǒng)仿真研究[J].沈陽大學(xué)學(xué)報，2010，22（5）：11-14.

[4]趙正黎，于惠鈞，張發(fā)明，等.基于模糊PID控制的直流電機調(diào)速系統(tǒng)[J].湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2015，29（2）：38-43.

[5]文小玲，陳兵.直流調(diào)速系統(tǒng)單神經(jīng)元自適應(yīng)速度控制方法[J].武漢化工學(xué)院學(xué)報，2004，26（3）：57-60.

[6]嚴家玉，王寧.適用于非線性對象的神經(jīng)元變結(jié)構(gòu)PID控制[J].江南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2008，7（2）：132-136.

[7]劉金琨.先進PID控制MATLAB仿真（第3版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[8]周曉華，劉勝永，王荔芳，等.基于單神經(jīng)元PID的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)研究[J].工礦自動化， 2013，39（11）：85-88.

[9]MAHER M F，ALGREER YHYA RM K.Design Fuzzy Self Tuning of PID Controller for ChopperFed DC Motor Drive[J].AlRafidain Engineering，2008，16（2）：54-66.

[10]洪乃剛.電力電子、電機控制系統(tǒng)的建模和仿真[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

第36卷第1期2017年3月計算技術(shù)與自動化Computing Technology and AutomationVol36，No1Mar. 2 0 1 7第36卷第1期2017年3月計算技術(shù)與自動化Computing Technology and AutomationVol36，No1Mar. 2 0 1 7