基于跟踪微分器和单神经元PID的双闭环直流调速系统研究

　　研究一类具有多个不确定扰动的双闭环直流调速系统的控制问题，采用单神经元PID控制以及跟踪-微分器（TD）相结合的控制策略，单神经元PID控制器用于控制双闭环系统以及消除系统内部扰动，跟踪微分器用于抑制系统的外扰作用，实现了系统的无静差控制，且适应性、抗干扰性强。仿真结果表明了该控制策略是有效可行的。

　　1  引言

　　在工业生产中，由于直流调速系统良好的运动性和控制特性，在我国很多需要高性能可控电力拖动的工业部门，仍然广泛使用直流调速系统。从控制角度看，直流调速系统是交流调速系统的基础，加强对直流调速系统的研究有利于促进调速系统的进一步完善[1].但由于各种因素（如扰动）的影响，直流调速系统运行中可能存在严重的不稳定等问题，此时利用传统的控制理论（如PID控制）不能满足高和高动态性能控制的要求。我国目前直流调速系统的研究主要有：综合性控制、补偿PID控制、PID算法优化、也有的只用模糊控制技术。所以可以看出直流调速系统的主要研究点是智能控制方法的应用。近几年来，神经网络控制作为智能控制的重要组成部分得到了较快地发展，而作为神经网络的基本单元--单神经元，在神经网络控制中成为了基本的控制部件。本文针对造成直流调速系统不稳定的因素分别提出了一种基于跟踪微分器、神经网络与PID控制相结合的直流调速的控制策略，并运用Simulink仿真软件在S函数的基础上，利用跟踪微分器的滤波性，单神经元的自学习，自适应性，通过对存在随机扰动的双闭环直流调速系统的在线学习控制，实现系统的快速、稳定、实时控制。

　　2  问题描述

　　据统计，现代工业过程控制领域仍有近90%的回路应用传统的PID控制策略。然而PID控制中的关键问题就是PID参数的整定，实际应用中，很多被控过程原理相对复杂，并且受噪声、负载扰动等因素的影响，过程参数甚至模型结构均会随着时间和工作环境的变换而变换，这给PID参数的整定带来了许多困难。例如在生产过程中，直流调速系统不仅结构、参数复杂，而且存在着扰动，扰动的种类、数量不，从而导致控制器设计复杂，扰动难以抑制，系统稳定性差等问题。这类直流调速系统的状态空间描述如下：

　　扰动。针对这一类系统，控制器的设计要求是，首先保证系统稳定性--即消除系统的干扰，然后满足系统其他性能要求。当W1（t）、W2（t）分别是确定的扰动，则可以采用传统的方法设计相应的抗扰动控制器保证系统稳定运行。但是如果W1（t）、W2（t）都是随机扰动，即为无明显传播规律的信号，则可能造成系统的模型或参数不确定，使系统控制器设计复杂化，如果仍采用传统的方法设计控制器，则很难设计与实现。

　　对直流调速系统来说，系统的主要扰动包括电网扰动、负载扰动。电网扰动作用在电流环内部，可通过电流反馈及时得到抑制，所以电网扰动对转速的影响较小，则可不加以考虑。负载扰动作用在电流环之外，转速环之内，只能靠转速调节器来抑制，所以设计转速环控制器应具有较好的抗干扰性。另外工业控制现场环境复杂，常存在多种形式的干扰源，所以系统的外界干扰是很难避免的，本文在考虑系统的负载扰动和外界扰动的前提下，以S函数为基础设计单神经元PID控制器和跟踪微分器控制系统。

　　3控制器设计

　　3.1 单神经元PID控制器

　　基于我们对人脑细胞具有自适应性的假说，一个完整的单神经元PID控制器结构图如下图一所示：

　　3.2 跟踪-微分器（TD）

　　跟踪-微分器是由韩京清提出的提取微分信号的方法，它具有较好的滤波性能、安排过渡过程和相位超前等功能，跟踪微分器初提出的目的是为了较好的解决由不连续或带噪声的量测信号合理提取连续信号及微分的问题，并逐渐发展成便于计算的跟踪微分器。

　　本文利用TD为参数输入安排过渡过程，得到光滑的输入信号。在传统的PID控制器中，其快速性和超调的矛盾来源于未对给定输入做任何处理就直接加到控制器中。跟踪微分器能快速无超调的跟踪输入信号，因此避免了输入信号中的外界扰动造成的控制量的剧烈变化以及输出超调。

　　3.3 采用跟踪微分器与单神经元PID控制器的直流调速系统

　　采用跟踪微分器与单神经元PID控制器的双闭环直流调速系统的结构图如下所示：

　　图二   跟踪微分器与单神经元PID控制器的双闭环直流调速系统的结构图

　　双闭环直流调速系统需要设计转速调节器和电流调节器，从图中可以看出系统的内环是电流环，外环是转速环。考虑到决定控制系统的根本因素是外环--转速环，而内环--电流环主要起改变被控对象运行特性以利于外环控制作用，故在双闭环直流调速系统中，外环采用单神经元PID控制，内环仍然采用传统的PI控制，实现对控制系统的优化。

　　4 仿真研究

　　本文中直流调速系统的参数如下：220V,136A,

　　图三   双闭环直流调速系统仿真模型

　　图四   系统只存在内部扰动仿真曲线传统（1-传统PID;2-跟踪微分器结合单神经元PID）

　　图五   系统存在内、外扰动仿真曲线（1-传统PID;2-跟踪微分器结合单神经元PID）

　　根据以上的仿真结果我们可以得到如下表所示的系统性能指标：重值的计算方法：

　　表1 系统的性能指标

　　分析以上数据可知，在单神经元PID控制器和跟踪微分器的控制下，直流调速系统的不仅满足了转速要求，而且系统稳定运行，超调和静差率都为0.而采用传统的PID控制，系统出现振荡以及产生20%的超调，系统的响应速度较慢。由此可见，单神经元PID控制器和跟踪微分器的设计不仅过程简单方便，无需依赖于被控对象的模型，而且这种跟踪微分器结合单神经元PID控制的控制策略对存在多个随机扰动的双闭环直流调速系统来说是可行的。

　　5 结论

　　基于单神经元PID与跟踪微分器控制双闭环直流调速系统的控制策略，是一种线性化调节过程，设计过程中无需对受控对象进行建模，其结构简单，计算量小，易于实施控制，并且使系统能够在受到随机扰动的情况下依然保持良好的，快速的，稳定的响应。与传统的PID控制器相比，单神经元PID控制器实质上为一种变系数的比例、积分、微分复合控制器，且具有较强的自学习性、自适应性和鲁棒性。跟踪微分器是一种能够够较好解决随机扰动问题的控制器，对于系统的抗干扰性具有很好的作用。