神經(jīng)元PID控制器設(shè)計(jì)與應(yīng)用

嚴(yán)培元

遼寧錦州渤海大學(xué)工學(xué)院

神經(jīng)元PID控制器設(shè)計(jì)與應(yīng)用

嚴(yán)培元

遼寧錦州渤海大學(xué)工學(xué)院

本文研究的控制對(duì)象是交流異步電機(jī)，處理器型號(hào)選擇的是TMS32LF2407A，以單神經(jīng)元PID控制器為主線進(jìn)行展開(kāi)。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(shí)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(shí)候，將給PID控制器的修正帶來(lái)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(xué)習(xí)能力，針對(duì)矢量控制系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，進(jìn)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(jī)作為高階系統(tǒng)，所具有的特點(diǎn)包括了多輸入、非線性以及強(qiáng)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(jī)調(diào)速的研究存在很大的研究意義，并且進(jìn)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(shí)也逐漸形成了一套完善的電機(jī)控制理論。當(dāng)電機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及參數(shù)是已知的時(shí)候，只需要將對(duì)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(jìn)而能夠很好地控制電機(jī)，得到所需要的電機(jī)速度。因?yàn)镻ID控制的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、而且易實(shí)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(yùn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，當(dāng)外部干擾到電機(jī)的時(shí)候，這個(gè)時(shí)候調(diào)整PID控制器的參數(shù)比較繁瑣，常常需要結(jié)合當(dāng)時(shí)實(shí)際情況展開(kāi)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(gè)分支部分，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是具備自學(xué)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(duì)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(wú)法用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行表達(dá)。電機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用到了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(duì)生物神經(jīng)元160個(gè)當(dāng)中3個(gè)進(jìn)行模擬，這3個(gè)分別是輸入組合效果、輸出特性以及確定所有輸入信號(hào)的連接權(quán)值。交流異步電機(jī)矢量的控制中的核心是矢量控制。矢量控制相關(guān)理論見(jiàn)證了交流調(diào)速系統(tǒng)新時(shí)代的到來(lái)，從而增長(zhǎng)了人們對(duì)交流調(diào)速系統(tǒng)的研究熱情與激情。通過(guò)20年不斷的實(shí)踐，交流調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)穩(wěn)定的發(fā)展階段，通過(guò)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(guò)對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行模擬，根據(jù)變換數(shù)學(xué)坐標(biāo)，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(guò)d，q變換，從而形成電流id，iq。三相電機(jī)坐標(biāo)變換結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 三相電機(jī)坐標(biāo)變換結(jié)構(gòu)圖

2 交流異步電機(jī)矢量控制的原理介紹

交流電機(jī)數(shù)學(xué)模型的設(shè)計(jì)有利于增強(qiáng)交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)性能，而且可以進(jìn)一步掌握矢量控制的相關(guān)技術(shù)。三相異步電機(jī)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(jī)定子是全對(duì)稱；

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

③忽略鐵心損耗、渦流以及磁飽和。

異步電機(jī)坐標(biāo)系的關(guān)系如圖2所示。

圖2 異步電機(jī)的坐標(biāo)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?yàn)閭鹘y(tǒng)PID控制器的算法設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，同時(shí)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(yùn)用。然而調(diào)整傳統(tǒng)的PID控制器的參數(shù)過(guò)程中，要根據(jù)具體的效果以及相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)，尤其針對(duì)繁瑣的系統(tǒng)時(shí)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(duì)人的邏輯活動(dòng)以及思考能力展開(kāi)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(shì)。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(kāi)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(guò)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所具備的自學(xué)習(xí)能力從而開(kāi)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(jìn)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(jì)一個(gè)適應(yīng)能力強(qiáng)的系統(tǒng)，可以通過(guò)環(huán)境的變化從而進(jìn)行控制動(dòng)作的自動(dòng)調(diào)整，最終達(dá)到使得系統(tǒng)可以實(shí)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(shí)現(xiàn)DSP

傳統(tǒng)的PID控制器的參數(shù)主要包括了KD、KI、KP，實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的控制具有很大的重要意義。然而當(dāng)確定了這幾個(gè)參數(shù)以后，還不具備對(duì)環(huán)境變化反應(yīng)的能力以及主動(dòng)適應(yīng)系統(tǒng)的能力，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行了一會(huì)兒后，系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)就會(huì)出現(xiàn)改變，所以要適宜地對(duì)KP、KI、KD這3個(gè)參數(shù)進(jìn)行合理地設(shè)計(jì)與調(diào)整。單神經(jīng)元的特長(zhǎng)是非線性等，所以本課題的自適應(yīng)PID控制器運(yùn)用了單神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)。預(yù)測(cè)形成的反饋偏差的最優(yōu)值是e(k)。當(dāng)前行為的控制是通過(guò)控制中得到的最優(yōu)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)的。最終達(dá)到控制系統(tǒng)性能的提高以及提高決策智能性，進(jìn)而降低時(shí)變以及非線性對(duì)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(dāng)確定了傳統(tǒng)PID控制器參數(shù)以后，就無(wú)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(xué)習(xí)的能力，所以能夠按照控制系統(tǒng)性能指標(biāo)。為了控制器能夠很好地適應(yīng)受控對(duì)象適應(yīng)環(huán)境的能力，可以根據(jù)特定的學(xué)習(xí)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(huì)選擇MATLAB。但是不管是控制領(lǐng)域還是智能領(lǐng)域，都會(huì)在很大程度上運(yùn)用到矩陣的運(yùn)算，以及最小二乘法等。雖然目前的計(jì)算理論取得了很大的發(fā)展，但是在運(yùn)算的求解以及仿真計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整個(gè)過(guò)程中仍然存在很大的困難，由于控制對(duì)象千差萬(wàn)別，所以通過(guò)MATLAB進(jìn)行程序的求解受到了很大的歡迎。

5.1 仿真結(jié)果

電機(jī)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(jī)實(shí)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(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速曲線如圖4所示。

圖4 電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速曲線圖

結(jié)語(yǔ)：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(shí)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(dá)到理想的狀態(tài)，同時(shí)外界環(huán)境或者是電機(jī)參數(shù)發(fā)生改變的時(shí)候，該參數(shù)就要再一次調(diào)整，所以會(huì)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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