基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制的AGV調(diào)速系統(tǒng)仿真

王永鼎，陳小鋒

（上海海洋大學(xué)，上海 201306）

0 引言

自動(dòng)導(dǎo)引車（Automated Guided Vehicle，AGV），一般通過可充放電的車載電池進(jìn)行能源供應(yīng)[1～4]。目前，在高性能、高可靠性、高容量的車載蓄電池技術(shù)尚未攻克的情況下，AGV電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能的優(yōu)劣對(duì)AGV整車效率的提高影響很大。在電池容量有限的情況下，盡可能的延長(zhǎng)AGV的全生命周期，對(duì)于提高AGV的運(yùn)行效率具有重要意義[5]。

一般的調(diào)速系統(tǒng)中采用內(nèi)外環(huán)的結(jié)構(gòu)，內(nèi)外環(huán)分別對(duì)電流和速度進(jìn)行控制[5～7]。目前工業(yè)上進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，PID控制器仍然是系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的主流選擇。在生產(chǎn)實(shí)踐中，為了讓控制系統(tǒng)快速響應(yīng)，調(diào)速系統(tǒng)的電流環(huán)和速度環(huán)通常都采用PI 控制來提高系統(tǒng)效率。

AGV在搬運(yùn)貨物的過程中，由于貨物重量通常不一致，所以AGV的工作負(fù)載會(huì)發(fā)生變化，這使得整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的特征也會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量加大時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)會(huì)變慢，而轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減小易出現(xiàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)或振蕩[8]。為使AGV能一直處于平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)，需要不斷調(diào)整控制器參數(shù)。但是，一般的PI控制器不能進(jìn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)整定，當(dāng)系統(tǒng)的誤差較大時(shí)，PI控制器就不能滿足控制系統(tǒng)的要求。

針對(duì)以上問題，已有學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的研究工作。王鵬[8]等將雙閉環(huán)直流調(diào)速應(yīng)用到純電動(dòng)車的調(diào)速系統(tǒng)中，并在轉(zhuǎn)速反饋外環(huán)并聯(lián)了微分負(fù)反饋調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)得到了較好的穩(wěn)定性能；顧春雷[11]等實(shí)現(xiàn)單環(huán)和多環(huán)的調(diào)速系統(tǒng)及其Simulink仿真，并將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制分別應(yīng)用到直流調(diào)速系統(tǒng)中，使調(diào)速系統(tǒng)在不同的設(shè)計(jì)要求下都達(dá)到了各自良好的調(diào)速性能。陳沖[21]等針對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)適應(yīng)性差的問題，設(shè)計(jì)的PID控制器使系統(tǒng)具有較好地調(diào)速性能。本文基于以上學(xué)者的研究成果，以某AGV小車的設(shè)計(jì)要求為基礎(chǔ)，將基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制應(yīng)用到AGV小車的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，研究AGV的調(diào)速系統(tǒng)的特性，提高AGV的運(yùn)行性能。

1 AGV功率的確定

以AGV小車的調(diào)速系統(tǒng)為研究對(duì)象，該AGV的運(yùn)動(dòng)方式包括前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)向。設(shè)計(jì)參數(shù)主要包括額定載荷800kg，空載速度10.8km/h，額定速度7.2km/h～ 10.8km/h。據(jù)此，參照純電動(dòng)車在水平路面上的功率設(shè)計(jì)公式[9,10]：

其中：η為傳動(dòng)效率，η=0.92；g為重力加速度；m為設(shè)計(jì)載荷，m=800kg；f為摩擦系數(shù)，f=0.005，vmax為最大速度，vmax=10.8km/h；Cd為阻力系數(shù)，Cd=0.49；A為迎風(fēng)面積，A取4m2。代入數(shù)據(jù)得P=0.1278kW，故取額定功率P=0.2kW。

為該AGV選擇的直流電動(dòng)機(jī)參數(shù)和電樞主回路主要參數(shù)如表1所示。

表1 直流電動(dòng)機(jī)和電樞主回路參數(shù)

2 AGV調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

根據(jù)自動(dòng)控制原理，調(diào)速系統(tǒng)的整流環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)如下[11～16]：

其中，Ks為放大系數(shù)，Ks=40，Ts為電路平均失控時(shí)間，Ts=0.0017s。

額定磁通下電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)系數(shù)：

電動(dòng)機(jī)電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)：

電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)：

其中，Cm為額定勵(lì)磁下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)，Cm=30×Ce/π=1.26。

以上參數(shù)整理如表2所示。

表2 主要參數(shù)

3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR選擇PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)如 下[11～16]：

其中，Kn為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)比例系數(shù)，τn為超前時(shí)間常數(shù)。

本文參照文獻(xiàn)[11]取濾波時(shí)間常數(shù)Ton=0.01s；為提高調(diào)速系統(tǒng)抗擾性，取h=5；等效時(shí)間常數(shù)Ti=0.0037s；合并轉(zhuǎn)速環(huán)時(shí)間常數(shù)Tn=2Ti+Ton；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)τn=h×Tn。

則轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)：

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)整理后如表3所示。

表3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)

圖1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)模型

4 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)

電流調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)[11～16]：

其中，Ki為電流調(diào)節(jié)比例系數(shù)，τi為超前時(shí)間常數(shù)。

根據(jù)自動(dòng)控制理論，選取調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)τi=T1=0.03s；為了濾平波頭參照文獻(xiàn)[12]，取Toi=0.002s；電路平均失控時(shí)間Ts=0.0017s，合并電流環(huán)時(shí)間常數(shù)Ti=Ts+Toi=0.0037s；參照文獻(xiàn)[16]，開環(huán)增益KI=135.135s-1。

電流調(diào)節(jié)器比例系數(shù)：

則電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)：

電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)整理后如表4所示。

表4 電流調(diào)節(jié)器參數(shù)

5 仿真模型的建立和參數(shù)的確定

根據(jù)以上計(jì)算得到的調(diào)節(jié)器參數(shù)：外環(huán)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR：Kn=9.22，1/τn=11.49；內(nèi)環(huán)電流調(diào)節(jié)器ACR：Ki=0.9214，1/τi=33.33。在Simulink的仿真模型中，ASR的參數(shù)為Kp=9.22，Ki=Kn/τn=105.9378；ACR的參數(shù)為Kp=0.9214，Ki=Ki/τi=30.71，上下限幅值區(qū)間[10～10]。利用Simulink中建立雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)如圖所示。

圖2中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層有3個(gè)節(jié)點(diǎn)，分別表示k時(shí)刻的系統(tǒng)輸入r（k），輸出y（k）和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入e（k）[17～20]。

圖2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的S函數(shù)包括主函數(shù)、初始化函數(shù)、系統(tǒng)輸出計(jì)算函數(shù)和激活函數(shù)的近似。圖3和圖4分別是BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制算法的流程圖和模塊化的結(jié)構(gòu)圖。

圖3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制算法

圖4 BP-PID控制模塊

圖3中步驟1是確定輸入層和隱含層的節(jié)點(diǎn)數(shù)，k表示時(shí)刻，初值k=1，結(jié)束時(shí)刻為kn，步驟2中誤差e（k）=r（k）-y（k），步驟6中是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)，實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)整加權(quán)系數(shù)，實(shí)現(xiàn)調(diào)速系統(tǒng)PID的自適應(yīng)調(diào)整[17～20]。

為了對(duì)圖4控制模塊的輸入量和輸出量分別進(jìn)行歸一化和反歸一化[21]，Gain，Gain2均為0.1，Gain1為10。由于所選電動(dòng)機(jī)和供電電源承受過載的能力有限，故需對(duì)電樞電路的電流進(jìn)行限制，因此BP-PID控制模塊的輸出量u幅值范圍限定為[-10，10]。

圖5 PI控制模塊

給定階躍輸入信號(hào)，BP-PID模塊的參數(shù)為：學(xué)習(xí)速率0.3，慣性系數(shù)0.3，采樣時(shí)間0.01s，仿真算法選擇ode23tb。

6 仿真結(jié)果分析

圖6 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制調(diào)速系統(tǒng)模型

對(duì)于雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，設(shè)定仿真開始時(shí)間為0s，結(jié)束時(shí)間為10s，給定階躍信號(hào)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速和電流的響應(yīng)曲線如圖7所示。

圖7 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真結(jié)果

由圖7可知，系統(tǒng)在t=4s左右達(dá)到穩(wěn)態(tài)，系統(tǒng)達(dá)到的峰值時(shí)間和系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需的調(diào)整時(shí)間均為4s左右，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速為1460r/min，達(dá)到設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速的要求。

對(duì)于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，給定階躍信號(hào)后，其余參數(shù)的設(shè)置與雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)相同。AGV調(diào)速系統(tǒng)的仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真

由圖8可知，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速和電流在1.2s左右達(dá)到穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速為n=1460r/min，達(dá)到設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速的要求。調(diào)速系統(tǒng)最大超調(diào)量2.3%，峰值時(shí)間和調(diào)整時(shí)間均約1.2s，系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和靜態(tài)特性。

7 結(jié)語(yǔ)

依據(jù)功率設(shè)計(jì)方法，確定本文所研究的AGV調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功率為0.2kW，從而選擇合適的直流電動(dòng)機(jī)。將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)用到AGV的調(diào)速系統(tǒng)中，利用MATLAB中的Simulink模塊建立雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，當(dāng)分別輸入給定信號(hào)后，對(duì)比仿真結(jié)果顯示，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)在t=4s左右調(diào)速系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，穩(wěn)定轉(zhuǎn)速為1460r/min，基于BP的PID控制調(diào)速系統(tǒng)在1.2s左右達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速為1460r/min。基于BP的PID調(diào)速系統(tǒng)與一般的調(diào)速系統(tǒng)相比，系統(tǒng)響應(yīng)速度提高了70%，轉(zhuǎn)速上升時(shí)間快，過渡平穩(wěn)無振蕩，調(diào)速時(shí)間短，超調(diào)量小，調(diào)速系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，達(dá)到一種良好的調(diào)速效果。以上可為今后AGV小車調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的參考。