1  引言

在工業(yè)生產(chǎn)中，由于直流調(diào)速系統(tǒng)良好的運動性和控制特性，在我國很多需要高性能可控電力拖動的工業(yè)部門，仍然廣泛使用直流調(diào)速系統(tǒng)。從控制角度看，直流調(diào)速系統(tǒng)是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)，加強對直流調(diào)速系統(tǒng)的研究有利于促進調(diào)速系統(tǒng)的進一步完善[1]。但由于各種因素（如擾動）的影響，直流調(diào)速系統(tǒng)運行中可能存在嚴重的不穩(wěn)定等問題，此時利用傳統(tǒng)的控制理論（如PID控制）不能滿足高精度和高動態(tài)性能控制的要求。我國目前直流調(diào)速系統(tǒng)的研究主要有：綜合性最優(yōu)控制、補償PID控制、PID算法優(yōu)化、也有的只用模糊控制技術(shù)。所以可以看出直流調(diào)速系統(tǒng)的主要研究點是智能控制方法的應(yīng)用。近幾年來，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制作為智能控制的重要組成部分得到了較快地發(fā)展，而作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的最基本單元——單神經(jīng)元，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制中成為了最基本的控制部件。本文針對造成直流調(diào)速系統(tǒng)不穩(wěn)定的因素分別提出了一種基于跟蹤微分器、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與PID控制相結(jié)合的直流調(diào)速的控制策略，并運用Simulink仿真軟件在S函數(shù)的基礎(chǔ)上，利用跟蹤微分器的濾波性，單神經(jīng)元的自學(xué)習(xí)，自適應(yīng)性，通過對存在隨機擾動的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的在線學(xué)習(xí)控制，實現(xiàn)系統(tǒng)的快速、穩(wěn)定、實時控制。

2  問題描述

據(jù)統(tǒng)計，現(xiàn)代工業(yè)過程控制領(lǐng)域仍有近90%的回路應(yīng)用傳統(tǒng)的PID控制策略。然而PID控制中的關(guān)鍵問題就是PID參數(shù)的整定，實際應(yīng)用中，很多被控過程原理相對

復(fù)雜，并且受噪聲、負載擾動等因素的影響，過程參數(shù)甚至模型結(jié)構(gòu)均會隨著時間和工作環(huán)境的變換而變換，這給PID參數(shù)的整定帶來了許多困難。例如在生產(chǎn)過程中，直流調(diào)速系統(tǒng)不僅結(jié)構(gòu)、參數(shù)復(fù)雜，而且存在著

擾動，擾動的種類、數(shù)量不唯一，從而導(dǎo)致控制器設(shè)計復(fù)雜，擾動難以抑制，系統(tǒng)穩(wěn)定性差等問題。這類直流調(diào)速系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述如下：

擾動。針對這一類系統(tǒng)，控制器的設(shè)計要求是，首先保證系統(tǒng)穩(wěn)定性——即消除系統(tǒng)的干擾，然后滿足系統(tǒng)其他性能要求。當(dāng)W₁(t)、W₂(t)分別是確定的擾動，則可以采用傳統(tǒng)的方法設(shè)計相應(yīng)的抗擾動控制器保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。但是如果W₁(t)、W₂(t)都是隨機擾動，即為無明顯傳播規(guī)律的信號，則可能造成系統(tǒng)的模型或參數(shù)不確定，使系統(tǒng)控制器設(shè)計復(fù)雜化，如果仍采用傳統(tǒng)的方法設(shè)計控制器，則很難設(shè)計與實現(xiàn)。

對直流調(diào)速系統(tǒng)來說，系統(tǒng)的主要擾動包括電網(wǎng)擾動、負載擾動。電網(wǎng)擾動作用在電流環(huán)內(nèi)部，可通過電流反饋及時得到抑制，所以電網(wǎng)擾動對轉(zhuǎn)速的影響較小，則可不加以考慮。負載擾動作用在電流環(huán)之外，轉(zhuǎn)速環(huán)之內(nèi)，只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器來抑制，所以設(shè)計轉(zhuǎn)速環(huán)控制器應(yīng)具有較好的抗干擾性。另外工業(yè)控制現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，常存在多種形式的干擾源，所以系統(tǒng)的外界干擾是很難避免的，本文在考慮系統(tǒng)的負載擾動和外界擾動的前提下，以S函數(shù)為基礎(chǔ)設(shè)計單神經(jīng)元PID控制器和跟蹤微分器控制系統(tǒng)。

3控制器設(shè)計

3.1 單神經(jīng)元PID控制器

基于我們對人腦細胞具有自適應(yīng)性的假說，一個完整的單神經(jīng)元PID控制器結(jié)構(gòu)圖如下圖一所示：

圖一  單神經(jīng)元PID控制器結(jié)構(gòu)圖

本文針對雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，從控制角度考慮，應(yīng)用反饋原理，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的無監(jiān)督的Hebb學(xué)習(xí)方法和有監(jiān)督的widrow—Hoff規(guī)則，得到權(quán)重值的計算方法：

3.2 跟蹤—微分器（TD）

跟蹤—微分器是由韓京清提出的提取微分信號的方法，它具有較好的濾波性能、安排過渡過程和相位超前等功能，跟蹤微分器最初提出的目的是為了較好的解決由不連續(xù)或帶噪聲的量測信號合理提取連續(xù)信號及微分的問題，并逐漸發(fā)展成便于計算的跟蹤微分器。

本文利用TD為參數(shù)輸入安排過渡過程，得到光滑的輸入信號。在傳統(tǒng)的PID控制器中，其快速性和超調(diào)的矛盾來源于未對給定輸入做任何處理就直接加到控制器中。跟蹤微分器能快速無超調(diào)的跟蹤輸入信號，因此避免了輸入信號中的外界擾動造成的控制量的劇烈變化以及輸出超調(diào)。

3.3 采用跟蹤微分器與單神經(jīng)元PID控制器的直流調(diào)速系統(tǒng)

采用跟蹤微分器與單神經(jīng)元PID控制器的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如下所示：

圖二   跟蹤微分器與單神經(jīng)元PID控制器的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)需要設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器，從圖中可以看出系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)是電流環(huán)，外環(huán)是轉(zhuǎn)速環(huán)。考慮到?jīng)Q定控制系統(tǒng)的根本因素是外環(huán)--轉(zhuǎn)速環(huán)，而內(nèi)環(huán)--電流環(huán)主要起改變被控對象運行特性以利于外環(huán)控制作用，故在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，外環(huán)采用單神經(jīng)元PID控制，內(nèi)環(huán)仍然采用傳統(tǒng)的PI控制，實現(xiàn)對控制系統(tǒng)的優(yōu)化。

4 仿真研究

本文中直流調(diào)速系統(tǒng)的參數(shù)如下：220V，136A,

圖三   雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真模型

圖四   系統(tǒng)只存在內(nèi)部擾動仿真曲線傳統(tǒng)（1-傳統(tǒng)PID；2-跟蹤微分器結(jié)合單神經(jīng)元PID）

圖五   系統(tǒng)存在內(nèi)、外擾動仿真曲線（1-傳統(tǒng)PID；2-跟蹤微分器結(jié)合單神經(jīng)元PID）

根據(jù)以上的仿真結(jié)果我們可以得到如下表所示的系統(tǒng)性能指標(biāo)：重值的計算方法：

表1 系統(tǒng)的性能指標(biāo)