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(yùn)動(dòng)性和控制特性，在我國很多需要高性能可控電力拖動(dòng)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(qiáng)對直流調(diào)速系統(tǒng)的研究有利于促進(jìn)調(diào)速系統(tǒng)的進(jìn)一步完善[1]。但由于各種因素（如擾動(dòng)）的影響，直流調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行中可能存在嚴(yán)重的不穩(wěn)定等問題，此時(shí)利用傳統(tǒng)的控制理論（如PID控制）不能滿足高精度和高動(dòng)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(bǔ)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(diǎn)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(yùn)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(jī)擾動(dòng)的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的在線學(xué)習(xí)控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速、穩(wěn)定、實(shí)時(shí)控制。

2  問題描述

據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(shí)際應(yīng)用中，很多被控過程原理相對

復(fù)雜，并且受噪聲、負(fù)載擾動(dòng)等因素的影響，過程參數(shù)甚至模型結(jié)構(gòu)均會(huì)隨著時(shí)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(dòng)，擾動(dòng)的種類、數(shù)量不唯一，從而導(dǎo)致控制器設(shè)計(jì)復(fù)雜，擾動(dòng)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(dòng)。針對這一類系統(tǒng)，控制器的設(shè)計(jì)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(dòng)，則可以采用傳統(tǒng)的方法設(shè)計(jì)相應(yīng)的抗擾動(dòng)控制器保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。但是如果W₁(t)、W₂(t)都是隨機(jī)擾動(dòng)，即為無明顯傳播規(guī)律的信號(hào)，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(jì)復(fù)雜化，如果仍采用傳統(tǒng)的方法設(shè)計(jì)控制器，則很難設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

對直流調(diào)速系統(tǒng)來說，系統(tǒng)的主要擾動(dòng)包括電網(wǎng)擾動(dòng)、負(fù)載擾動(dòng)。電網(wǎng)擾動(dòng)作用在電流環(huán)內(nèi)部，可通過電流反饋及時(shí)得到抑制，所以電網(wǎng)擾動(dòng)對轉(zhuǎn)速的影響較小，則可不加以考慮。負(fù)載擾動(dòng)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(jì)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(fù)載擾動(dòng)和外界擾動(dòng)的前提下，以S函數(shù)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)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(jì)

3.1 單神經(jīng)元PID控制器

基于我們對人腦細(xì)胞具有自適應(yīng)性的假說，一個(gè)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(jì)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(hào)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(hào)合理提取連續(xù)信號(hào)及微分的問題，并逐漸發(fā)展成便于計(jì)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(hào)。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(hào)，因此避免了輸入信號(hào)中的外界擾動(dòng)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(jì)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)?？紤]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(yùn)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(shí)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(dòng)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(dòng)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(jì)算方法：

表1 系統(tǒng)的性能指標(biāo)