一種改進(jìn)的基于單神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)PID控制算法在并聯(lián)型APF控制中的應(yīng)用

【摘要】并聯(lián)型有源電力濾波器是一種補(bǔ)償電力系統(tǒng)諧波的電力電子裝置，其直流側(cè)的電壓控制的效果將直接影響到APF的補(bǔ)償結(jié)果。傳統(tǒng)的控制方法是采用PI控制器，因其結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整方便，目前已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。具有自學(xué)習(xí)適應(yīng)能力的基于單神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的PID控制算法，結(jié)構(gòu)簡單，且能夠適應(yīng)環(huán)境的變化，魯棒性強(qiáng)，近年來成為研究的熱點(diǎn)。本文針對并聯(lián)型APF的特點(diǎn)，對基于單神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的PID控制算法進(jìn)行一定的改進(jìn)并通過仿真，證實(shí)了其在并聯(lián)型APF中應(yīng)用的可行性和優(yōu)越性。

【關(guān)鍵詞】單神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)PID控制；有源電力濾波器；控制系統(tǒng)；仿真

1.引言

并聯(lián)型有源電力濾波器是一種補(bǔ)償電力系統(tǒng)諧波的電力電子裝置，其主要的結(jié)構(gòu)分為諧波檢測，PWM信號生成，直流側(cè)電壓控制及主電路4部分，其中，直流側(cè)的電壓控制的效果將直接影響到APF的補(bǔ)償結(jié)果。傳統(tǒng)的控制方法是采用PI控制器[1]，因其結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整方便，目前已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。但是隨著控制技術(shù)的不斷發(fā)展，利用新的控制技術(shù)以使APF獲得更好的效果已成為大勢所趨。具有自學(xué)習(xí)適應(yīng)能力的基于單神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的PID控制算法，結(jié)構(gòu)簡單，且能夠適應(yīng)環(huán)境的變化，魯棒性強(qiáng)，近年來成為研究的熱點(diǎn)。本文針對并聯(lián)型APF的特點(diǎn)，對基于單神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的PID控制算法進(jìn)行一定的改進(jìn)并通過仿真，證實(shí)了其在并聯(lián)型APF中應(yīng)用的可行性和優(yōu)越性。

2.并聯(lián)型APF的傳統(tǒng)控制方法

傳統(tǒng)的直流側(cè)電壓控制方法是為直流側(cè)電容提供一個獨(dú)立的直流電源，常用一個二極管整流電路來實(shí)現(xiàn)。這種方法雖然能夠保證直流側(cè)電壓的穩(wěn)定，但是需要設(shè)置一個專門的電路，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，也增加了系統(tǒng)的損耗和成本，因此目前已經(jīng)不采用這種方法?，F(xiàn)在直流側(cè)電壓的控制一般是通過對主電路進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂苼韺?shí)現(xiàn)，常用PI調(diào)節(jié)控制法，該方法將檢測到的電容電壓實(shí)際值與給定的參考電壓值相減，得到的差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器得到調(diào)節(jié)信號，它疊加到瞬時有功電流的直流分量上，經(jīng)運(yùn)算在指令信號中包含一定的基波有功電流，補(bǔ)償電流發(fā)生電路根據(jù)產(chǎn)生補(bǔ)償電流注入電網(wǎng)，使得有源電力濾波器的補(bǔ)償電流中包含有一定的基波有功電流分量，從而使APF的直流側(cè)與交流側(cè)交換能量，對APF的損耗進(jìn)行補(bǔ)償，將輸出電壓調(diào)節(jié)到給定值。

3.改進(jìn)控制策略及算法

單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制的結(jié)構(gòu)如圖1所示：

該控制器是通過對加權(quán)系數(shù)的調(diào)整來實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)與自組織功能，其中，權(quán)系數(shù)的調(diào)整是按照有監(jiān)督的Hebb學(xué)習(xí)規(guī)則[2]實(shí)現(xiàn)的。其控制算法與學(xué)習(xí)算法為：

其中：x1（k）=e（k），x2（k）=e（k）-e（k-1），x3（k）=e（k）-2e（k-1）+e（k-2）。ηI、ηP、ηD分別為比例、積分、微分的學(xué)習(xí)速率，k為神經(jīng)元的比例系數(shù)，其中k>0。對比例，積分，微分分別采用不同的學(xué)習(xí)速率，以便對不同的權(quán)系數(shù)分別進(jìn)行調(diào)整。

在該算法中，k值的選擇尤為重要。k值越大，則快速性越好，但超調(diào)量偏大，容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。若選擇過小，則使系統(tǒng)的快速性變差。

文獻(xiàn)[2]中介紹了一種改進(jìn)的單神經(jīng)元PID自適應(yīng)控制算法，該算法將加權(quán)系數(shù)學(xué)習(xí)修正部分進(jìn)行了修改，將其中的xi（k）改為e（k）+△e（k），改進(jìn)后的算法如下：

w1（k）=w1（k-1）+ηIz（k）u（k） （e（k）+△e（k））

w2（k）=w2（k-1）+ηPz（k）u（k） （e（k）+△e（k））

w3（k）=w3（k-1）+ηDz（k）u（k） （e（k）+△e（k））

其中，△e（k）=e（k）-e（k-1），z（k）=e（k）。

采用上述改進(jìn)算法后，權(quán)系數(shù)的在線修正不完全是根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)原理，而是根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)制定的。

由以上所列算法可以看出，兩種控制算法的輸出都是基于增量式PID控制算法的計(jì)算，僅適用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)要求是控制量的增量的控制系統(tǒng)。因此，其在并聯(lián)型APF的控制策略應(yīng)用中，效果不好。

在并聯(lián)型APF的直流側(cè)電壓控制中，其控制結(jié)果由輸入的信號計(jì)算而得出，可將輸入信號轉(zhuǎn)化成一組離散信號，利用數(shù)字式PID控制器進(jìn)行控制，這樣既減小了系統(tǒng)的計(jì)算量，同時，由于輸出結(jié)果不受前一個數(shù)據(jù)的影響，使得控制輸出能夠更快的達(dá)到預(yù)期的值。本文選擇位置式PID控制算法，將其與單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法相結(jié)合，在上一算法的基礎(chǔ)上，對u（k）的表達(dá)式進(jìn)行修改，得出新的控制算法：

在此算法中，K值的設(shè)置對系統(tǒng)的運(yùn)行影響很大，因此需要進(jìn)行多次的實(shí)踐來進(jìn)行調(diào)整。

4.仿真結(jié)果

本文的仿真模型參考文獻(xiàn)[3]中的并聯(lián)型APF仿真模型，利用MATLAB中的SIMULINK搭建好仿真平臺，分別應(yīng)用文獻(xiàn)[2]提出的改進(jìn)算法，本文提出的改進(jìn)算法，與傳統(tǒng)PI控制器的控制結(jié)果進(jìn)行比較。

首先使用PI控制器進(jìn)行控制，kp設(shè)置為0.5，kI設(shè)置為0.01，參考電容電壓為1000V，運(yùn)行程序后，其補(bǔ)償后的電流仿真波形如圖2所示。

可以看到，補(bǔ)償后的電流穩(wěn)定后諧波占有率為5.64%，效果一般。

利用MATLAB的M文件，將文獻(xiàn)[2]提出的改進(jìn)算法編寫好，將SIMULINK控制模塊代替PI控制器，其中K值設(shè)置為0.1。運(yùn)行程序，結(jié)果如圖3所示。

由此可見，文獻(xiàn)[2]提出的改進(jìn)的算法在并聯(lián)型APF中應(yīng)用后，取得了較好的補(bǔ)償效果，其補(bǔ)償后電流諧波占有率降低到1.75%，比PI控制器的控制效果有了顯著地提高。

最后應(yīng)用本文所提出的改進(jìn)算法，同樣將K值設(shè)置為0.1，運(yùn)行程序，結(jié)果如圖4所示。

由以上仿真結(jié)果可以看出，補(bǔ)償后電流諧波占有率降低到1.43%，由此可見，本文所提出的改進(jìn)算法在APF的應(yīng)用中，其應(yīng)用效果優(yōu)于其他的控制算法。

5.結(jié)論

本文將位置式PID控制算法與單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法相結(jié)合，對輸出表達(dá)式進(jìn)行修改，得出新的改進(jìn)型PID神經(jīng)元控制算法，該算法經(jīng)過仿真，在并聯(lián)型APF中應(yīng)用中，與傳統(tǒng)PI控制器及PID神經(jīng)元控制算法相比較，取得了更好的補(bǔ)償效果。近年來，隨著控制技術(shù)的不斷發(fā)展，神經(jīng)元PID控制技術(shù)[4]發(fā)展較快，其在APF研究領(lǐng)域中也將逐步得到更加廣泛的應(yīng)用，本文所提出的改進(jìn)算法，收斂速度快，精度高，具有一定的實(shí)用意義。

參考文獻(xiàn)

[1]王兆安，楊君，劉進(jìn)軍，等.諧波抑制和無功功率補(bǔ)償[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[2]劉金琨.先進(jìn)PID控制及其MATLAB仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.

[3]謝婷婷.并聯(lián)型有源電力濾波器的研究[D].東北石油大學(xué)畢業(yè)論文，2009.

[4]舒懷林.PID神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)及其控制系統(tǒng)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2006.