王立紅

（遼寧工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧錦州 121001）

0 引言

直流調(diào)速系統(tǒng)具有過(guò)載能力強(qiáng)、起制動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、易于平滑調(diào)速、動(dòng)靜態(tài)特性好等優(yōu)點(diǎn)[1]，在工業(yè)生產(chǎn)、日常生活、交通運(yùn)輸以及國(guó)防領(lǐng)域都有著廣泛應(yīng)用[2]。傳統(tǒng)的直流調(diào)速系統(tǒng)采用PID控制，這種方法成熟簡(jiǎn)單，但是控制精度取決于被控對(duì)象的模型精度[3]。王松林等[4]對(duì)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器采用模糊控制方式，電流調(diào)節(jié)器仍然是傳統(tǒng)的PID控制，有效減小了系統(tǒng)初始的沖擊電流，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。于建國(guó)等[5]提出了一種增益自調(diào)整的神經(jīng)元PID控制方法，有效改善了系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)特性，使系統(tǒng)具有更好的自適應(yīng)性和更強(qiáng)的魯棒性。本文將傳統(tǒng)PID控制、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的優(yōu)點(diǎn)融合在一起，提出一種神經(jīng)模糊自適應(yīng)控制器作為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，電流調(diào)節(jié)器仍采用PID控制。仿真結(jié)果表明，該方法可以有效抑制系統(tǒng)超調(diào)量，減小擾動(dòng)的影響，提高系統(tǒng)的魯棒性。

1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

為了滿足系統(tǒng)在達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)速誤差為0，又能夠?qū)崿F(xiàn)快速起制動(dòng)、突加負(fù)載時(shí)動(dòng)態(tài)速降小，必須按照要求控制動(dòng)態(tài)過(guò)程的電流或轉(zhuǎn)矩，所以在系統(tǒng)中設(shè)置了2個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級(jí)連接，如圖1所示[6]。

圖1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR是主調(diào)節(jié)器，其輸出作為電流調(diào)節(jié)器ACR的輸入，電流調(diào)節(jié)器是副調(diào)節(jié)器，其輸出用來(lái)控制晶閘管觸發(fā)整流裝置。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)是內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)是外環(huán)，這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。

2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR采用神經(jīng)模糊自適應(yīng)控制器，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。PID控制器和神經(jīng)控制器的輸出之和共同作用在被控對(duì)象上，在神經(jīng)控制器沒有訓(xùn)練之前，由PID控制器控制被控對(duì)象。隨著神經(jīng)控制器的學(xué)習(xí)訓(xùn)練，在系統(tǒng)的控制中取得主導(dǎo)地位，PID控制器的控制作用逐漸減弱。當(dāng)系統(tǒng)再次受到擾動(dòng)時(shí)，PID控制器重新發(fā)揮作用。

圖2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的結(jié)構(gòu)

3 分目標(biāo)誤差學(xué)習(xí)規(guī)則

一個(gè)三層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有任意的逼近能力[7]，所以本文的神經(jīng)控制器采用三層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，包括輸入層、隱含層和輸出層。神經(jīng)控制器的輸入為系統(tǒng)輸入r和誤差e，輸出為u2，學(xué)習(xí)誤差為模糊推理機(jī)的輸出δ。PID控制器的輸出為u1，被控對(duì)象的輸入u＝u1＋u2，輸出為y。由于在神經(jīng)控制器的學(xué)習(xí)訓(xùn)練初期，系統(tǒng)中存在較大的誤差，并且在實(shí)際系統(tǒng)中有各種干擾的存在，如果直接采用PID控制器的輸出作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練誤差，網(wǎng)絡(luò)的輸出將會(huì)產(chǎn)生振蕩，使系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間增加，響應(yīng)速度變慢。因此，本文改變傳統(tǒng)的誤差學(xué)習(xí)規(guī)則，在每個(gè)采樣周期中實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)分目標(biāo)的跟蹤，即分目標(biāo)誤差學(xué)習(xí)規(guī)則，使系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程平穩(wěn)，最終進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。規(guī)定模糊推理機(jī)的輸入變量u1和u?1的基本論域?yàn)?－u1m，u1m)和(－u?1m，u?1m)，模糊論域?yàn)?－nu1,－nu1＋1,…,0,…,nu1－1,nu1)和(－nu?1,－nu?1＋1,…,0,…,nu?1－1,nu?1)，則其量化因子αu1和αu?1分別為：

式中：αu1和αu?1為量化因子；u1m和u?1m為模糊推理機(jī)的輸入變量u1和u?1的基本論域的最大值；nu1和nu?1為模糊論域的最大值。

u1和u?1經(jīng)過(guò)模糊化后的模糊變量U1和U?1分別為：

式中：U1和U?1分別為模糊推理機(jī)的輸入變量u1和u?1經(jīng)過(guò)模糊化后的模糊變量。u1、u?1和輸出變量δ的模糊子集采用負(fù)大(NB)，負(fù)中(NM)，負(fù)小(NS)，零(ZO)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)7個(gè)模糊狀態(tài)來(lái)描述，相應(yīng)的論域?yàn)閧－6，－5，－4，－3，－2，－1，0，＋1，＋2，＋3，＋4，＋5，＋6}。輸入變量和輸出變量的隸屬函數(shù)μ均選擇為三角形函數(shù)。

分目標(biāo)誤差δ的學(xué)習(xí)規(guī)則通過(guò)模糊推理機(jī)推理得出，如表1所示。根據(jù)表1中所列的規(guī)則，采用重心法進(jìn)行模糊判決后，得到分目標(biāo)學(xué)習(xí)誤差。

表1 分目標(biāo)誤差δ的模糊控制規(guī)則

ΔE為：

式中：ΔE為分目標(biāo)學(xué)習(xí)誤差的模糊變量；μ(δ)為輸出變量δ的隸屬度。

將分目標(biāo)學(xué)習(xí)誤差ΔE乘以一個(gè)比例因子αδ進(jìn)行反模糊化，得到分目標(biāo)學(xué)習(xí)誤差的清晰化變量為：

這里規(guī)定神經(jīng)控制器的最終學(xué)習(xí)誤差為：

4 仿真研究

Matlab是MathWorks公司開發(fā)的一種功能強(qiáng)大的仿真軟件，本文利用Simulink中的工具箱分別對(duì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器改進(jìn)前和改進(jìn)后的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究。系統(tǒng)主回路和電動(dòng)機(jī)參數(shù)如下：直流電動(dòng)機(jī)Pnom＝10 kW，Unom＝220 V，Inom＝53.5 A，nnom＝1 500 r/min，電樞電阻Ra＝0.31Ω。V－M系統(tǒng)主回路總電阻R＝0.4Ω，三相橋平均失控時(shí)間Ts＝0.001 67 s；觸發(fā)整流裝置的放大系數(shù)Ks＝30。電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)TL＝0.012 8 s，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部分飛輪矩相應(yīng)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm＝0.042 s，系統(tǒng)測(cè)速反饋系數(shù)α＝0.006 7 V·min/r，電流反饋系數(shù)β＝0.072 V/A，電流環(huán)濾波時(shí)間常數(shù)Toi＝0.002 s，轉(zhuǎn)速環(huán)濾波時(shí)間常數(shù)Ton＝0.01 s。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為4－10－1，學(xué)習(xí)速率為0.7，學(xué)習(xí)樣本為50個(gè)，學(xué)習(xí)次數(shù)為8 000次。在1 s時(shí)加入負(fù)載擾動(dòng)，在1.5 s時(shí)加入電網(wǎng)電壓擾動(dòng)，ASR采用不同的控制方式時(shí)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速波形如圖3所示。

由圖可以看出，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器采用PID控制時(shí)，轉(zhuǎn)速產(chǎn)生很大的超調(diào)，加入負(fù)載擾動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速明顯降落，電網(wǎng)電壓波動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)速影響也較大。ASR采用PID＋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制后，轉(zhuǎn)速超調(diào)量有所下降，同時(shí)，負(fù)載擾動(dòng)和電網(wǎng)電壓波動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)速的影響均有所下降。ASR采用神經(jīng)模糊自適應(yīng)控制器之后，系統(tǒng)的超調(diào)量明顯減小，由負(fù)載擾動(dòng)引起的轉(zhuǎn)速降落明顯下降，電網(wǎng)電壓的擾動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)速基本沒有影響，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間變短，響應(yīng)速度變快。仿真結(jié)果表明，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器改進(jìn)后的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有更好的動(dòng)態(tài)性能和抗擾性能。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的直流調(diào)速系統(tǒng)自適應(yīng)控制器，將神經(jīng)模糊自適應(yīng)控制器作為雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，能有效克服傳統(tǒng)PID控制器的不足，減小系統(tǒng)的超調(diào)量，使系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程平穩(wěn)，加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，同時(shí)提高系統(tǒng)的抗擾性。