嚴培元

遼寧錦州渤海大學工學院

神經(jīng)元PID控制器設(shè)計與應(yīng)用

嚴培元

遼寧錦州渤海大學工學院

本文研究的控制對象是交流異步電機，處理器型號選擇的是TMS32LF2407A，以單神經(jīng)元PID控制器為主線進行展開。文中闡述了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在交流調(diào)速中的應(yīng)用以及矢量控制的相關(guān)原理概念。實踐證明調(diào)整傳統(tǒng)PID控制器的參數(shù)擁有著一定程度的難度，另外假若外界環(huán)境或參數(shù)出現(xiàn)變化的時候，將給PID控制器的修正帶來很大的困擾，矢量控制系統(tǒng)中調(diào)整速度選擇的是單神經(jīng)元PID控制器，并非是是傳統(tǒng)PID控制器，文中根據(jù)單神經(jīng)元的自適應(yīng)性和自學習能力，針對矢量控制系統(tǒng)參數(shù)進行在線調(diào)整，進而提高控制系統(tǒng)的性能。

單神經(jīng)元 控制器 PID 矢量控制

交流異步電機作為高階系統(tǒng)，所具有的特點包括了多輸入、非線性以及強耦合。隨著電子科技技術(shù)以及控制技術(shù)的不斷發(fā)展，交流電機調(diào)速的研究存在很大的研究意義，并且進一步替代了直流調(diào)速。傳統(tǒng)PID控制器在很多的領(lǐng)域中都得到了廣泛的應(yīng)用，同時也逐漸形成了一套完善的電機控制理論。當電機控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及參數(shù)是已知的時候，只需要將對應(yīng)的控制參數(shù)確定就可以了，其中的控制參數(shù)主要包括了比例、微分、積分等，進而能夠很好地控制電機，得到所需要的電機速度。因為PID控制的結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單、而且易實現(xiàn)并且可靠性高，所以在很多的調(diào)速系統(tǒng)中PID控制占據(jù)重要的角色。然而運行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，當外部干擾到電機的時候，這個時候調(diào)整PID控制器的參數(shù)比較繁瑣，常常需要結(jié)合當時實際情況展開多次的調(diào)整。

1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及其在交流調(diào)速中的應(yīng)用

作為智能控制中的一個分支部分，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特點是具備自學能力，適應(yīng)能力以及組織能力等。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究對象包括了非線性、不確定性等。如果站在系統(tǒng)角度分析，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)體現(xiàn)的是輸入與輸出之間的映射關(guān)系，但是該映射關(guān)系無法用數(shù)學方法進行表達。電機系統(tǒng)中應(yīng)用到了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行控制。

人工神經(jīng)元的英文是Processing Element，指的是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的處理單元，人在功能與結(jié)構(gòu)方面，工神經(jīng)元類似于生物神經(jīng)元，能夠把人工神經(jīng)元看作是生物神經(jīng)元中一階近似，由于處理單元只是對生物神經(jīng)元160個當中3個進行模擬，這3個分別是輸入組合效果、輸出特性以及確定所有輸入信號的連接權(quán)值。交流異步電機矢量的控制中的核心是矢量控制。矢量控制相關(guān)理論見證了交流調(diào)速系統(tǒng)新時代的到來，從而增長了人們對交流調(diào)速系統(tǒng)的研究熱情與激情。通過20年不斷的實踐，交流調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)進入了一個穩(wěn)定的發(fā)展階段，通過矢量控制提高了交流調(diào)速系統(tǒng)的性能。1971年提出了矢量控制理論，該理論的思想是通過對直流電機進行模擬，根據(jù)變換數(shù)學坐標，將交流三相組中的電流iA，iB，iC向α、β組轉(zhuǎn)換，從而形成電流iα和iβ，接著再通過d，q變換，從而形成電流id，iq。三相電機坐標變換結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 三相電機坐標變換結(jié)構(gòu)圖

2 交流異步電機矢量控制的原理介紹

交流電機數(shù)學模型的設(shè)計有利于增強交流電機調(diào)速系統(tǒng)性能，而且可以進一步掌握矢量控制的相關(guān)技術(shù)。三相異步電機中的參數(shù)設(shè)置如下：

①假設(shè)轉(zhuǎn)子三相繞組完與電機定子是全對稱；

②轉(zhuǎn)子以及定子的表面是光滑的，而且沒有齒槽效應(yīng)，另外轉(zhuǎn)子、定子隙磁勢是正弦分布的；

③忽略鐵心損耗、渦流以及磁飽和。

異步電機坐標系的關(guān)系如圖2所示。

圖2 異步電機的坐標系

3 單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器的研究

傳統(tǒng)的PID控制的控制策略是發(fā)展最早的，因為傳統(tǒng)PID控制器的算法設(shè)計比較簡單，同時易調(diào)整，而且加之具有很高的可靠性以及魯棒性，所以在工業(yè)控制中起到了很大的運用。然而調(diào)整傳統(tǒng)的PID控制器的參數(shù)過程中，要根據(jù)具體的效果以及相關(guān)的經(jīng)驗，尤其針對繁瑣的系統(tǒng)時候，整定參數(shù)存在很大的難度。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具備對人的邏輯活動以及思考能力展開模擬，而且在自適應(yīng)以及非線性處理能力方面具備很大的優(yōu)勢。在集合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及傳統(tǒng)PID控制這兩者上，可以看出能夠取得有效的控制效果。目前在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器方面開展的研究有兩種，首先是將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)附加在傳統(tǒng)PID控制器上，通過采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所具備的自學習能力從而開展PID參數(shù)的在線整定。其次是采用單神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)，連接神經(jīng)元結(jié)構(gòu)的參數(shù)和權(quán)值，保證參數(shù)的一致性，將誤差進行處理后作為輸入值。所以，為了滿足神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的需求，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和PID調(diào)節(jié)器，從而形成單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器。

3.1 自適應(yīng)控制

本文設(shè)計一個適應(yīng)能力強的系統(tǒng)，可以通過環(huán)境的變化從而進行控制動作的自動調(diào)整，最終達到使得系統(tǒng)可以實現(xiàn)最優(yōu)控制效果。自適應(yīng)控制系統(tǒng)的原理圖如圖3所示。

圖3 自適應(yīng)控制系統(tǒng)原理圖

4 在矢量控制系統(tǒng)中單神經(jīng)元PID控制實現(xiàn)DSP

傳統(tǒng)的PID控制器的參數(shù)主要包括了KD、KI、KP，實現(xiàn)優(yōu)良的控制具有很大的重要意義。然而當確定了這幾個參數(shù)以后，還不具備對環(huán)境變化反應(yīng)的能力以及主動適應(yīng)系統(tǒng)的能力，當系統(tǒng)運行了一會兒后，系統(tǒng)的運行狀態(tài)就會出現(xiàn)改變，所以要適宜地對KP、KI、KD這3個參數(shù)進行合理地設(shè)計與調(diào)整。單神經(jīng)元的特長是非線性等，所以本課題的自適應(yīng)PID控制器運用了單神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)。預(yù)測形成的反饋偏差的最優(yōu)值是e(k)。當前行為的控制是通過控制中得到的最優(yōu)狀態(tài)實現(xiàn)的。最終達到控制系統(tǒng)性能的提高以及提高決策智能性，進而降低時變以及非線性對系統(tǒng)的穩(wěn)定性所造成的影響，單神經(jīng)元控制結(jié)構(gòu)繼承了傳統(tǒng)PID控制器。然而當確定了傳統(tǒng)PID控制器參數(shù)以后，就無法自適應(yīng)調(diào)整，但是考慮到單神經(jīng)元自身具備了自學習的能力，所以能夠按照控制系統(tǒng)性能指標。為了控制器能夠很好地適應(yīng)受控對象適應(yīng)環(huán)境的能力，可以根據(jù)特定的學習算法從而調(diào)整控制器參數(shù)。

5 仿真

通?？刂菩袠I(yè)中，仿真軟件通常會選擇MATLAB。但是不管是控制領(lǐng)域還是智能領(lǐng)域，都會在很大程度上運用到矩陣的運算，以及最小二乘法等。雖然目前的計算理論取得了很大的發(fā)展，但是在運算的求解以及仿真計算機系統(tǒng)的整個過程中仍然存在很大的困難，由于控制對象千差萬別，所以通過MATLAB進行程序的求解受到了很大的歡迎。

5.1 仿真結(jié)果

電機的參數(shù)設(shè)置為：Pn=37.4kW，Rs=0.09Ω，Un=450V，Rr=0.227Ω，p=4，Ls=7Mh，fn=50Hz，Lm=34.4Mh，Lr=6Mh。電機實際轉(zhuǎn)速曲線圖如圖4所示。圖中的參考轉(zhuǎn)速取值是100rpm。電機實際轉(zhuǎn)速曲線如圖4所示。

圖4 電機實際轉(zhuǎn)速曲線圖

結(jié)語：交流調(diào)速系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器通常包括了電流調(diào)節(jié)器與速度調(diào)節(jié)器，實現(xiàn)的方法采用的是傳統(tǒng)的PID控制器。然而PID控制器的參數(shù)在多次調(diào)整之后才能達到理想的狀態(tài)，同時外界環(huán)境或者是電機參數(shù)發(fā)生改變的時候，該參數(shù)就要再一次調(diào)整，所以會造成很大的困擾。本課題介紹的單神經(jīng)元PID控制器用到了交流調(diào)速系統(tǒng)而舍棄了傳統(tǒng)的PID控制器。

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