周曉華 藍(lán)會(huì)立?┱乓? 李振強(qiáng)

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)PI雙閉環(huán)直流電機(jī)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(jī)調(diào)速系統(tǒng)的神經(jīng)元PID轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)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(jìn)行設(shè)計(jì)，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(jì)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器控制效果進(jìn)行了對(duì)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(jī)調(diào)速系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)速度、良好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)穩(wěn)定性、較強(qiáng)的自適應(yīng)能力和抗干擾能力。

關(guān)鍵詞：直流電機(jī)；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(hào)：TM331文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(dòng)轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍廣、調(diào)速精度高、動(dòng)態(tài)性能好和易于控制，因而在冶金、建材、印刷、軋鋼機(jī)、電動(dòng)汽車、電力機(jī)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(jì)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(diǎn)，但也存在超調(diào)量大、負(fù)載自適應(yīng)能力差、抗干擾能力不強(qiáng)及魯棒性差等缺點(diǎn)[4-5]。

神經(jīng)元控制器結(jié)構(gòu)簡單，具有較強(qiáng)的自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)能力，且對(duì)控制對(duì)象模型精度要求不高，可通過在線調(diào)整自身權(quán)值進(jìn)行自學(xué)習(xí)來適應(yīng)控制對(duì)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(jì)了一種神經(jīng)元PID控制器，然后用其設(shè)計(jì)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(tái)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(jì)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(jìn)行了仿真對(duì)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(jī)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

直流電機(jī)轉(zhuǎn)速給定值ωref與檢測的實(shí)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(shí)際電流Ia的誤差信號(hào)再由電流調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，產(chǎn)生直流斬波器的觸發(fā)脈沖信號(hào)，直流斬波器輸出直流電壓以驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)運(yùn)行。直流電機(jī)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(jìn)行設(shè)計(jì)，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(jì)

雙閉環(huán)直流電機(jī)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(jī)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(shí)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(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大小基本一致，但在穩(wěn)態(tài)和負(fù)載轉(zhuǎn)矩突增時(shí)，單神經(jīng)元PID控制下的電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大，穩(wěn)定性較差。

仿真情形2：設(shè)定直流電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為5 N·m不變，參考轉(zhuǎn)速ωref在0.5 s時(shí)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(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)波形對(duì)比如圖6所示。由圖6可知，直流電機(jī)在負(fù)載轉(zhuǎn)矩5 N·m下起動(dòng)時(shí)，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(shí)，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(dòng)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(jì)了雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，并進(jìn)行了負(fù)載轉(zhuǎn)矩突變和參考轉(zhuǎn)速變化的對(duì)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(jī)調(diào)速系統(tǒng)響應(yīng)速度快，動(dòng)態(tài)和靜態(tài)調(diào)節(jié)效果優(yōu)越，控制器具有較強(qiáng)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(shí)現(xiàn)，在工程實(shí)際中具有較好的應(yīng)用前景。

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