摘 要：在船舶電力推進(jìn)電機(jī)控制中，提出了一種基于神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制的方法，控制算法采用有監(jiān)督的Hebb學(xué)習(xí)規(guī)則。從仿真結(jié)果可知，采用神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制具有較好的適應(yīng)能力和抗干擾能力，滿足船舶電力推進(jìn)電機(jī)控制的要求。

關(guān)鍵詞：神經(jīng)元；自適應(yīng)PID；船舶電力推進(jìn)

中圖分類號(hào)：664.14 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引言

船舶電力推進(jìn)因?yàn)榭梢造`活地選擇運(yùn)行發(fā)電機(jī)組的臺(tái)數(shù)，讓其始終運(yùn)行在高效率區(qū)，從而可達(dá)到節(jié)能的目的，目前已成為一種先進(jìn)的推進(jìn)方式。而推進(jìn)電機(jī)及其控制技術(shù)是船舶電力推進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)之一，由于推進(jìn)電機(jī)受外部負(fù)載擾動(dòng)、對(duì)象建模不充分和非線性動(dòng)態(tài)等不確定因素的影響，要獲得高性能的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，必須有先進(jìn)的控制策略以解決這些不確定性的影響，使系統(tǒng)具有較好的響應(yīng)速度。在傳統(tǒng)的控制中，PID控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，其算法簡(jiǎn)單，魯棒性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。但在船舶電力推進(jìn)的電機(jī)控制中，由于系統(tǒng)具有非線性、大慣性、系統(tǒng)模型不易精確建立等特點(diǎn)，應(yīng)用常規(guī)PID控制不能達(dá)到理想的控制效果?；谝陨戏治?，本文設(shè)計(jì)了基于神經(jīng)元自適應(yīng)PID船舶電力推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

2 神經(jīng)元自適應(yīng)PID船舶電力推進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 電力推進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制是當(dāng)前在高性能變頻調(diào)速裝置中得到廣泛應(yīng)用的兩種控制方案。這兩種控制方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，目前在船舶電力推進(jìn)中都得到了較廣泛的應(yīng)用，考慮到矢量控制的綜合性能指標(biāo)，并且在低速情況下具有較好的特性，本文將矢量控制作為推進(jìn)電機(jī)的控制策略。設(shè)計(jì)的基于矢量控制的船舶電力推進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：由速度調(diào)節(jié)器、變頻器、推進(jìn)電機(jī)，速度檢測(cè)裝置以及螺旋槳負(fù)載等組成。

推進(jìn)電機(jī)選用異步電動(dòng)機(jī)，與螺旋槳通過聯(lián)軸節(jié)對(duì)軸相連，速度檢測(cè)反饋單元用于實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出值的檢測(cè)；變頻器根據(jù)控制指令將幅值和頻率可調(diào)的交流電供給推進(jìn)電動(dòng)機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變頻調(diào)速。

圖1 電力推進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 速度調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)

硬件選型好以后，整個(gè)控制系統(tǒng)的核心就是速度調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)，一個(gè)良好的自動(dòng)控制系統(tǒng)它必須綜合考慮穩(wěn)、準(zhǔn)、快、省這四個(gè)基本要求。在船舶電力推進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)中，存在非線性、強(qiáng)耦合、參數(shù)時(shí)變等特性。同時(shí)由于系統(tǒng)受螺旋槳負(fù)載變化、外部干擾因素、系統(tǒng)非線性等因素的影響，被控對(duì)象很難確定準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，僅僅采用常規(guī)的PID控制及單一的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制都很難同時(shí)滿足系統(tǒng)精度和實(shí)時(shí)性的要求。因此，綜合考慮系統(tǒng)的精度和效率，將具有自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力的單神經(jīng)元與 PID 控制結(jié)合起來，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來實(shí)時(shí)調(diào)整PID參數(shù)，以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由簡(jiǎn)單信息處理單元（神經(jīng)元）互聯(lián)組成的網(wǎng)絡(luò)，能接受并處理信息。是一個(gè)多輸入單輸出的非線性信息處理單元，網(wǎng)絡(luò)的信息處理由神經(jīng)元之間的相互作用來實(shí)現(xiàn)。而單神經(jīng)元作為構(gòu)成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本單位，具有自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且易于計(jì)算。結(jié)合船舶電力推進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的精度和效率，本控制系統(tǒng)采用三個(gè)輸入?yún)?shù)利用學(xué)習(xí)算法來對(duì)三個(gè)輸入的加權(quán)系數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)控制器 P、I、D 參數(shù)的自適應(yīng)、自組織功能。神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

轉(zhuǎn)換器的輸入為給定值r（k）和輸出值y（k），輸出為神經(jīng)元模型所需的輸入量 x1（k）、x2（k）、x3（k），其中：

由上式可知，系統(tǒng)輸出值權(quán)值wi（i = 1，2，3）可以通過神經(jīng)元的學(xué)習(xí)功能來進(jìn)行參數(shù)自整定，從而提高系統(tǒng)的抗干擾能力。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)算法是控制器實(shí)現(xiàn)的核心，本控制系統(tǒng)按有監(jiān)督 Hebb 學(xué)習(xí)規(guī)則來實(shí)現(xiàn)控制。

3 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制與傳統(tǒng)PID控制在抗干擾方面的優(yōu)勢(shì)，以下針對(duì)船舶電力推進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)在這兩種控制方式下進(jìn)行仿真。首先在MATLAB/Simulink 環(huán)境中利用S函數(shù)對(duì)電力推進(jìn)系統(tǒng)中的各部分進(jìn)行建模，包括船槳一體化的數(shù)學(xué)模型、變頻器模型和推進(jìn)電機(jī)模型。電機(jī)理想空載運(yùn)行時(shí)給定轉(zhuǎn)速為 n*=1（n*= 160 r/min）。初始條件為理想空載時(shí)，推進(jìn)電動(dòng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行以后，在 t=3s 時(shí)刻給螺旋槳突加額定負(fù)載時(shí)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖3所示。

仿真結(jié)果顯示，基于神經(jīng)元自適應(yīng)PID 控制在理想空載情況下t=0.8s時(shí)轉(zhuǎn)速就可達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，且超調(diào)量小。在突加負(fù)載以后，經(jīng)過0.2s即可達(dá)到給定速度值，控制效果較好，系統(tǒng)響應(yīng)速度、抗干擾能力顯著比傳統(tǒng)PID控制效果要好。

4 結(jié)論

本文在分析船舶電力推進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，研究了基于神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制的船舶電力推進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)。仿真結(jié)果表明，采用神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制具有較好的自適應(yīng)能力，在突加負(fù)載時(shí)能夠在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定，超調(diào)量較小，抗干擾性能較好。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] M.Vasudevan， R.Arumugan. Different Viable Torque Control Schemes of

Induction Motor for Electric Propulsion Systems. IEEE transactions on Power

Electronics， vol. 16，No.1 Jan. 2004.

[2] Walter A. Hill， Greg Creelman， and Lothar Mischke. Control Strategy for

an lcebreaker Propulsion System， International Electric Machines and Drives

Conference 2003 IEEE.

[3] 何新英， 潘夕琪. FDM工藝中送絲電機(jī)可調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用. 2011（8）： 30-32.

[4] 白明.船舶永磁同步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制研究[J]. 廣州航海高等專科學(xué)

校學(xué)報(bào).2011（6）：8～14.

[5] 張建峽， 楊勇， 許德志， 謝宗安. 單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制交流調(diào)速系

統(tǒng)[J]. 電機(jī)與控 制學(xué)報(bào). 2007（3）： 130-137.

[6] 宋道金. 單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器的性能優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)工程

與應(yīng)用. 2007（43）： 199-201.