直流電機神經元PID調速系統設計與仿真

周曉華 藍會立?┱乓? 李振強

摘要：針對傳統PI雙閉環直流電機調速系統存在響應速度慢、超調量大、抗干擾能力及自適應能力差等問題，提出了一種雙閉環直流電機調速系統的神經元PID轉速調節器設計方法。該轉速調節器采用神經元控制器和比例控制相結合進行設計，從而構成了一種具有自學習、自適應能力的神經元PID控制器，然后與傳統單神經元PID設計的轉速調節器控制效果進行了對比。結果表明，基于神經元PID轉速調節器的雙閉環直流電機調速系統具有較快的響應速度、良好的動態和靜態穩定性、較強的自適應能力和抗干擾能力。

關鍵詞：直流電機；轉速調節器；神經元控制；比例控制；神經元PID

中圖分類號：TM331文獻標識碼：ADOI：10.3969/j.issn.10036199.2017.01.005

1引言

雙閉環直流調速系統由于起動轉矩大、調速范圍廣、調速精度高、動態性能好和易于控制，因而在冶金、建材、印刷、軋鋼機、電動汽車、電力機車及礦山等工業控制領域得到了廣泛的應用[1-3]。傳統雙閉環直流調速系統廣泛采用PI控制器設計其轉速調節器，雖然PI轉速調節器具有結構簡單、穩定性好以及可靠性高等優點，但也存在超調量大、負載自適應能力差、抗干擾能力不強及魯棒性差等缺點[4-5]。

神經元控制器結構簡單，具有較強的自適應、自學習能力，且對控制對象模型精度要求不高，可通過在線調整自身權值進行自學習來適應控制對象的變化。本文將神經元控制器與比例控制相結合設計了一種神經元PID控制器，然后用其設計了雙閉環直流調速系統的轉速調節器，在Matlab/Simulink仿真平臺建立了基于神經元PID的雙閉環直流調速系統仿真模型，并與采用常規單神經元PID控制器設計轉速調節器的雙閉環直流調速系統的控制效果進行了仿真對比。結果表明，基于神經元PID轉速調節器的雙閉環直流調速系統的調速性能優于基于常規單神經元PID轉速調節器的雙閉環直流調速系統。

2直流電機調速系統結構

直流電機轉速給定值ωref與檢測的實際轉速ω相比較后的轉速偏差由轉速調節器調節后，輸出電流調節器的參考電流Iref，參考電流和檢測的實際電流Ia的誤差信號再由電流調節器進行調節，產生直流斬波器的觸發脈沖信號，直流斬波器輸出直流電壓以驅動直流電機運行。直流電機調速系統轉速調節器采用由比例控制和神經元控制器構成的神經元PID控制進行設計，電流調節器為滯環電流控制，直流斬波器模塊由開關器件IGBT、續流二極管和電感元件構成。

3神經元PID轉速調節器設計

雙閉環直流電機調速系統轉速調節器結構如圖1虛線框內部分所示。轉速調節器為由比例控制和神經元控制器構成的神經元PID控制器，為與常規單神經元PID控制器相區別，文中將其稱為神經元PID控制器。

直流電機轉速誤差e（k）經狀態轉換后可形成神經元控制器[6]在k時刻的輸入狀態x

由圖5可知，兩種轉速調節器調節下的直流電機起動轉矩大小基本一致，但在穩態和負載轉矩突增時，單神經元PID控制下的電磁轉矩波動較大，穩定性較差。

仿真情形2：設定直流電機負載轉矩為5 N·m不變，參考轉速ωref在0.5 s時由最初的80 rad/s上升到120 rad/s，兩種轉速調節器調節下的直流電機轉速響應波形對比如圖6所示。由圖6可知，直流電機在負載轉矩5 N·m下起動時，兩種控制器調節下的轉速響應速度都較快，在0.5 s參考轉速由80 rad/s上升到120 rad/s時，神經元PID控制下的轉速響應波形超調量較小，控制器的動態和靜態穩定性表現更好。

6結論

本文采用神經元PID控制和單神經元PID控制分別設計了雙閉環直流電機調速系統的轉速調節器，并進行了負載轉矩突變和參考轉速變化的對比仿真。仿真結果表明，基于神經元PID轉速調節器的雙閉環直流電機調速系統響應速度快，動態和靜態調節效果優越，控制器具有較強的抗干擾能力和自適應能力，控制器結構和算法簡單易實現，在工程實際中具有較好的應用前景。

參考文獻

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