畢業(yè)設(shè)計（論文）-交流伺服電機(jī)智能測控系統(tǒng)設(shè)計.doc

1 緒 論1.1 電機(jī)測試系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r交流伺服系統(tǒng)根據(jù)使用伺服電機(jī)的種類不同可分為兩種1：一種是由永磁同步伺服電機(jī)構(gòu)成的伺服系統(tǒng)，包括方波永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)和正弦波永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)；另一種是由感應(yīng)式異步電機(jī)構(gòu)成的伺服系統(tǒng)。20世紀(jì)60年代中葉，人們首次研制成功了磁能密度很高的燒結(jié)型SmCo5稀土永磁材料。由于戰(zhàn)略物資鈷（Co）的價格昂貴，釤（Sm）儲量稀少，人們又繼續(xù)嘗試開發(fā)磁性能更優(yōu)且價格低廉的稀土永磁材料。1983年，日本研制成功了具有這些優(yōu)點(diǎn)的釹鐵硼（NdFeB）永磁體，它的加工性能好，能量密度更高，應(yīng)用于電機(jī)可大幅度減小電機(jī)的體積和重量，并提高電機(jī)的效率。1984年，我國成為世界上第三個能獨(dú)立生產(chǎn)釹鐵硼材料的國家。稀土永磁材料的出現(xiàn)給電機(jī)工業(yè)帶來了歷史性的變革?？刂葡鄬唵巍⒐β拭芏容^高等優(yōu)點(diǎn)使得永磁同步電機(jī)逐漸成為交流伺服系統(tǒng)的主流，尤其是在高精度、高動態(tài)性能要求的中小功率伺服領(lǐng)域。而交流異步伺服系統(tǒng)仍主要集中在對伺服性能要求不高的大功率伺服領(lǐng)域。目前，交流伺服系統(tǒng)已經(jīng)越來越多地采用數(shù)字控制方式，利用一些專用的可編程微處理器芯片（如數(shù)字信號處理器等）來實(shí)現(xiàn)其核心控制算法。數(shù)字控制的永磁同步伺服電機(jī)系統(tǒng)具有下列優(yōu)點(diǎn)：(1)體積小、重量輕、效率高。(2)數(shù)字電路溫度漂移小，分散性參數(shù)的影響較小，穩(wěn)定性好。(3)集成電路芯片可靠性大大優(yōu)于分立元件，且屏蔽性能好。(4)信息雙向傳遞能力大大增強(qiáng)，容易和上位機(jī)系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行，可隨時改變控制參數(shù)。(5)提高了信息存儲、監(jiān)控、診斷以及分級模塊化控制的能力，有利于實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)異但算法復(fù)雜的控制策略。伺服系統(tǒng)的性能與其中的伺服電機(jī)的類型緊密關(guān)聯(lián)，目前常見的伺服電機(jī)主要包括步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（即步進(jìn)角）?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)可以直接接收數(shù)字量，步進(jìn)角一般為0.3690。步進(jìn)電機(jī)控制方法簡單，一般采用開環(huán)控制就能實(shí)現(xiàn)精度比較高的位置控制，且不存在位置誤差積累。直流伺服電機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速性能，伺服系統(tǒng)的位置控制由閉環(huán)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。永磁式直流電動機(jī)在眾多應(yīng)用領(lǐng)域占有重要地位，其控制電路簡單，無勵磁損耗，低速性能好。但直流伺服電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)工作量大，成為其發(fā)展的瓶頸。20世紀(jì)80年代開始，隨著伺服電機(jī)在材料、結(jié)構(gòu)和控制技術(shù)方面的突破性進(jìn)展，交流伺服電機(jī)得到了越來越廣泛的應(yīng)用，并呈現(xiàn)出良好的發(fā)展前景。由于微電子技術(shù)的快速發(fā)展，交流伺服系統(tǒng)的控制方式向微機(jī)控制方向發(fā)展，由硬件伺服轉(zhuǎn)向軟件伺服，模擬控制轉(zhuǎn)向數(shù)字控制。1.2 智能控制在電機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用隨著工業(yè)生產(chǎn)過程的日趨復(fù)雜化，系統(tǒng)不可避免的存在非線性。如大型交流電機(jī)系統(tǒng)、紡織過程等，盡管在很多情況下，當(dāng)我們考慮系統(tǒng)的某些現(xiàn)象時，可以用系統(tǒng)的線性模型來代替系統(tǒng)的非線性模型，然后，對線性模型實(shí)施開展。但更多情況下，不可能用系統(tǒng)的簡單線性模型作為該真是系統(tǒng)的替身。在工程技術(shù)、自然、社會、經(jīng)濟(jì)等眾多情況下，人們必須建立真實(shí)系統(tǒng)的非線性模型以代替簡單容易處理的線性模型。非線性系統(tǒng)中可能發(fā)生的現(xiàn)象是十分復(fù)雜的、十分豐富的。嚴(yán)格地說，對非線性系統(tǒng)，目前雖然已經(jīng)經(jīng)歷了百年的研究，認(rèn)識任不充分的。例如，近二十年來人們才認(rèn)識到，混扥現(xiàn)象是非線性系統(tǒng)中發(fā)生的一種現(xiàn)象。從研究方法上看，線性系統(tǒng)的解是可以求出來的。因此，在相當(dāng)長的一段歷史時期里，不求解非線性系統(tǒng)而直接依據(jù)非線性系統(tǒng)來探討系統(tǒng)的定性性質(zhì)，成為研究非線性系統(tǒng)的只要內(nèi)容之一。與此同時，只適用于低階系統(tǒng)的相平面法、描述函數(shù)法等近似方法，也得到了完善和發(fā)展。但這些方法能解決的問題是很有限的。非線性系統(tǒng)的控制問題一直是控制理論和控制工程時間中的難題，由于系統(tǒng)存在非線性，系統(tǒng)的設(shè)計比線性系統(tǒng)的設(shè)計困難的多，特別對象機(jī)器人這類存在嚴(yán)重非線性的系統(tǒng)，非線性的存在常常是系統(tǒng)震蕩。在工業(yè)控制系統(tǒng)中常規(guī)的PID控制雖然能解決實(shí)際生產(chǎn)中遇到的大多數(shù)問題，但當(dāng)被控對象是非線性時，常規(guī)的PID空盒子就很難取得滿意的控制效果，而且調(diào)制器參數(shù)的整定也是棘手的事。對于此類系統(tǒng)，采用更高級古城控制算法，來達(dá)到預(yù)期的控制效果。因此，研究非線性系統(tǒng)的建模與控制具有重要的理論意義和實(shí)際意義。由于現(xiàn)代控制理論和計算機(jī)的發(fā)展，工業(yè)過程控制算法的設(shè)計不再像傳統(tǒng)的PID算法那樣收到硬件的限制，各種新型的控制算法如：自適應(yīng)控制、最優(yōu)控制、變結(jié)構(gòu)控制等都為非線性系統(tǒng)的控制提供了方法。近些年來，為了滿足生產(chǎn)過程日益嚴(yán)格的要求，許多學(xué)者將智能方法融入電力系統(tǒng)、大型交流電機(jī)，發(fā)電機(jī)等這類非線性系統(tǒng)的控制中，把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制與一些新型控制算法相結(jié)合，形成智能化控制系統(tǒng)。1.3 本設(shè)計的主要研究工作本設(shè)計主要由五大部分組成：1緒論：闡述了智能電機(jī)測試與控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r以及研究智能測試與控制系統(tǒng)的顯示意義。2智能電機(jī)測試系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)：研究了一種智能電機(jī)測試系統(tǒng)，給出了該系統(tǒng)的軟硬件實(shí)現(xiàn)方法。3模糊PID控制器在電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用：介紹了模糊控制器的原理，以及Fuzzy-PID控制器的計算分析，對模糊PID控制器在智能電機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了仿真。4神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制在電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用：闡述了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在電機(jī)控制系統(tǒng)中的運(yùn)用，介紹了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器，并對這種控制器的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了仿真分析。5智能電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)：介紹了一種基于工控機(jī)、變頻器的電機(jī)控制系統(tǒng)，對該系統(tǒng)提出了完整的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，并介紹了變頻器和可編程控制器在該系統(tǒng)中的應(yīng)用。2 智能電機(jī)測試系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)2.1 系統(tǒng)設(shè)計框架2.1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 基于對實(shí)際智能電機(jī)測試系統(tǒng)項目的需求分析，我們設(shè)計了如圖2.1所示的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖。結(jié)構(gòu)圖大致分為三部分2：服務(wù)器部分；客戶部分；執(zhí)行部分，其中服務(wù)器部分由數(shù)據(jù)存儲、輸出部分以及繪圖、計算機(jī)部分組成。客戶部分由主程序部分組成，是面向操作者的主界面，由他控制整個試驗(yàn)過程的進(jìn)行；硬件電路驅(qū)動部分和通信部分是執(zhí)行部分，負(fù)責(zé)響應(yīng)由操作者發(fā)出的控制命令，通過通信對硬件電路執(zhí)行邏輯判斷和控制。圖2.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖2.1.2 系統(tǒng)功能的分布 服務(wù)器服務(wù)器部分的功能如圖2.1所示，它是實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的實(shí)時存取、分析和計算的部分。這是系統(tǒng)的核心部分，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的主要功能，合理的安排數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)，有利于高效率的執(zhí)行數(shù)據(jù)的存取，更方便電機(jī)性能的分析和計算。 客戶主程序部分由于是面向操作者的用戶界面，它是實(shí)現(xiàn)最終用戶控制的接口。操作者在這里用輸入設(shè)備（鼠標(biāo)和鍵盤）對系統(tǒng)實(shí)施控制。由于系統(tǒng)需要控制的節(jié)點(diǎn)比較多，而且節(jié)點(diǎn)之間具有邏輯互鎖功能，所以用戶界面應(yīng)該給用戶一定的提示信息，保證操作者不會或盡可能少的誤操作，這是客戶界面的主要功能。 執(zhí)行 系統(tǒng)的執(zhí)行部分主要是響應(yīng)操作者的命令，實(shí)現(xiàn)命令的邏輯判斷、互鎖功能的。2.1.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)評價 將服務(wù)層、客戶層與執(zhí)行層分開是一種分層式結(jié)構(gòu)。這種分層式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在圖2.1看來是區(qū)分明顯的層次，但是在系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)中系統(tǒng)的各個部分是有機(jī)的結(jié)合在一起，互相滲透，互相影響，互相補(bǔ)充的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能。如圖2.2所示：服務(wù)層執(zhí)行層客戶層圖2.2 系統(tǒng)各層聯(lián)系2.2系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)硬件圖2.3分為前向通道和后向通道兩個部分組成。前向通道即系統(tǒng)的控制通道，后向通道即系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集通道。2.2.1 前向通道的一次線路組成前向通道的一次線路由如下圖2.3所示由22個配電屏組成：1DB：低壓源進(jìn)線配電屏 1JCP：型式試驗(yàn)配電屏12DB：調(diào)壓器1原邊配電屏 2JCP：型式試驗(yàn)配電屏23DB：調(diào)壓器2原邊配電屏 3JCP：型式試驗(yàn)配電屏34DB：調(diào)壓器3原邊配電屏 4 JCP：陪試電機(jī)配電屏6DB：調(diào)壓器5原邊配電屏 5 JCP：出廠試驗(yàn)配電屏17DB：直流電機(jī)控制屏 6 JCP：出廠試驗(yàn)配電屏28DB：整流子電機(jī)控制屏 7JCP：出廠試驗(yàn)配電屏31DG：調(diào)壓器1副邊配電屏 8 JCP：出廠試驗(yàn)配電屏42DG：調(diào)壓器2副邊配電屏 9 JCP：轉(zhuǎn)子電路配電屏3DG：調(diào)壓器3副邊配電屏 10 JCP：電阻屏4DG：調(diào)壓器5副邊配電屏 GDA：硅整流圖2.3 配電屏組成圖圖2.3 配電屏組2.2.2前向通道二次線路 前向通道二次線路由XSZ1-1型試驗(yàn)桌、XSZ1-2型試驗(yàn)桌、ZSZ出廠試驗(yàn)桌組成。前向通道的試驗(yàn)桌與工控機(jī)并聯(lián)構(gòu)成了手動測試于計算機(jī)自動控制方式，兩種方式之間采用隔離互鎖裝置，相互不產(chǎn)生影響。工控機(jī)可以實(shí)時測量手動裝置的狀態(tài)，進(jìn)行保護(hù)。 工業(yè)控制計算機(jī)對繼電器開關(guān)動作的控制見圖2.4（詳圖于附錄A），是通過模擬量輸出板卡控制的。系統(tǒng)采用的板卡有如下幾種:研華PCL711B、研華PCLD-885。PCL711B是ISA總線多功能卡它具有8通道模擬量和數(shù)字量I/O,12為A/D分辨率，每秒25K采樣速率，8路單端模擬量信號輸入，可編程設(shè)定輸入范圍，可選定時觸發(fā)或軟件觸發(fā)，1路12位模擬量輸出（D/A),16路數(shù)字量輸入/輸出3。 PCL711BD/D通道PCL885D/A通道發(fā)出控制命令控制繼電器動作圖2.5 工控機(jī)前向控制通道一個PCL885板卡又16個D/A繼電器輸出通，系統(tǒng)總共用了3個885板卡，38個通道來控制輸出。其中每個通道的定義見附錄圖A。2.2.3后向通道系統(tǒng)后向通道如圖2.6所示，為PCL711BA/D輸入通道和PCL880輸入端子板組成。它的主要功能是將系統(tǒng)的模擬量和信號量通過端子板輸入到PCL711B的模/數(shù)輸入端，由工控機(jī)實(shí)時采集。PCL711B A/DS輸入通道PCL880端子工控機(jī)采集現(xiàn)場實(shí)時數(shù)據(jù)圖2.6 后向通道數(shù)據(jù)采集示意圖 系統(tǒng)中的模擬量和信號包括：電機(jī)定子電壓、各種開關(guān)狀態(tài)信號等。通過互感線圈或直接連接到PCL880端子板口，通過PCL711BA/D模-數(shù)轉(zhuǎn)換通道，由計算機(jī)實(shí)時采集進(jìn)入。系統(tǒng)的模擬量輸入信號詳細(xì)資料如下圖2.7所示： 塊板：通道端口號功能備注1A1,A2頻率2A3,A4定子電壓快速采集3A5,A6轉(zhuǎn)子三相電壓4A7,A8轉(zhuǎn)子三相電壓5A9,A10轉(zhuǎn)子三相電壓6A11,A12溫度回路7A13,A14溫度回路8A15,A16溫度回路表2.7 系統(tǒng)模擬量輸入現(xiàn)場信號表2.2.4 系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的扭矩儀、功率儀、三相電阻儀和變頻器是分立器件，它需要和工控機(jī)進(jìn)行實(shí)時通信，以便接受控制命令和上傳測量的數(shù)據(jù)。而且這些器件需要同時工作來完成數(shù)據(jù)的采集任務(wù)。由于前三個儀器是采用的RS-232C通信協(xié)議，變頻器采用的是485通信協(xié)議，所以必須為系統(tǒng)增加通信接口。其系統(tǒng)通信布局如下圖2.8所示：圖2.8 系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)圖PLC746是一種四端口串行通信接口板卡。每個端口可以通過跳線單獨(dú)設(shè)置為RS232、RS422或RS485。PLC746支持兩種操作模式：標(biāo)準(zhǔn)模式和增強(qiáng)模式。標(biāo)準(zhǔn)模式中每一個端口可以分別設(shè)置不同的地址和中斷。增強(qiáng)模式中四個端口可以共享同一個中斷，通過板載中斷寄存器來判斷端口號。2.3 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)2.3.1 客戶端編程語言的選擇根據(jù)用戶的需求，本系統(tǒng)采用的客戶端軟件的實(shí)現(xiàn)是采用Windows用戶界面友好且編程方便的Visual Basic實(shí)現(xiàn)的4。用Visual Basic實(shí)現(xiàn)客戶程序的另一個優(yōu)點(diǎn)是：它與數(shù)據(jù)庫的健全聯(lián)結(jié)。它的自然數(shù)據(jù)庫環(huán)境是Microsoft Jet數(shù)據(jù)庫引擎，眾所周知，Jet數(shù)據(jù)庫是Access數(shù)據(jù)庫，而Microsoft Access也使用Jet數(shù)據(jù)庫引擎。系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)總體框架圖（見附錄A 圖 2.10）PF9830型串行通信接收用戶發(fā)來的通信請求信號請求是否為1EH發(fā)出應(yīng)答信號0EH發(fā)一字節(jié)線制：1為12w,2為33w，3為34w，8為3V3A發(fā)出U，U3，U2，U1電壓真有效值浮點(diǎn)數(shù)發(fā)出I，I3，I2，I1電流真有效值浮點(diǎn)數(shù)發(fā)出P，P3，P2，P1有功功率測量值浮點(diǎn)數(shù)發(fā)出PF，PF3，PF2，PF1功率因素測量值浮點(diǎn)數(shù)發(fā)出VA，VA3，VA2，VA1視在功率測量值浮點(diǎn)數(shù)發(fā)出var,var3,var2,var1無功功率測量值浮點(diǎn)數(shù)發(fā)出deg,deg3,deg2,deg1相位角測量值浮點(diǎn)數(shù)發(fā)出頻率HZ測量值浮點(diǎn)數(shù)返回YESNO圖2.9 通信流程圖2.3.2 系統(tǒng)硬件驅(qū)動部分程序分析關(guān)于系統(tǒng)硬件驅(qū)動程序部分，由于VB對于系統(tǒng)硬件部分的直接控制比較困難，所以我們采用了將驅(qū)動代碼用C+語言編譯成動態(tài)鏈接庫的形式。在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)管理的電機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)中，我們既要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動控制，又要采用友好的用戶界面來管理采集的數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)性能的測試計算。為了滿足這兩點(diǎn)要求，我們采用了用VB的強(qiáng)大數(shù)據(jù)庫功能，為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的管理提供了良好的保障；而對于采集板卡的驅(qū)動控制，我們采用對硬件控制比較強(qiáng)的Visual C+來實(shí)現(xiàn)。這樣整個系統(tǒng)就是用VB,C+混合編程實(shí)現(xiàn)的。在運(yùn)用VB和VC+混合編程時，應(yīng)注意的幾點(diǎn)：用VC+編寫的DLL程序應(yīng)該注意它的輸出函數(shù)的定義，下面是一種數(shù)據(jù)采集卡的硬件初始化程序：/mywin32dll.h/#ifdef_cpluspusexternc#endif_declspec(dllexport)void do_write(int argc, char*argv);_declspec(dllexport)void di_read(void);#ifdef_cplusplus#endif由于以上兩個數(shù)據(jù)讀和寫的函數(shù)必須用來在VB中調(diào)用，所以我們必須用externc來修飾，這樣可以不讓C+編譯器改變它的名字，而且在頭文件中用_declspec（dllexport）定義為輸出函數(shù)，這樣，當(dāng)編譯器看到這個函數(shù)時就知道此函數(shù)是從DLL模塊輸出的。/mywin32dll,cpp_declspec(dllexport)void_stdcall do_write() int base=0x300; int indx; char do_value16; for(indx=0;indx16;indx+)do_valueindx=0; unsigncd int do_byte5; int bitcnt; int byteno; int bitno; for(indx=0;indx16;indx+) bitcnt=1; byteno=indx/8; bitno=indx%8; bitcnt=bitno; if(do_valueindx=0) bitcnt=bitcnt; do_bytebyteno&=bitcnt; else do_bytebyteno|=bitcnt; _outp(base+13,do_byte0); _outp(base+14,do_byte1); _declspec(dllexport)bool_stdcall do_read(char*lpData) char di_value16; int base=0x300; int indx; unsigned int di_byte5; int bitcnt; int byteno; di_byte0=inp(base+6); di_byte1=inp(base+7); for(indx=0;indx16;indx+) byteno=indx/8; bitno=indx%8; bitct=1; bitcnt=bitno; if(di_bytebyteno&bitcnt=0)di_valueindx=0; else di_valueindx=1; lpData=di_value; /將di_value的首地址傳給lpData指針 / 在源文件中我們看到這些函數(shù)只是對I/O地址的讀寫，并沒有用到任何MFC類，所以我們寫這樣的DLL程序的時候建立的是Win32 Dynamic-Link Library 項目。 本章小節(jié) 本章主要介紹了一種智能電機(jī)測試系統(tǒng)的系統(tǒng)組成，并分別從硬件結(jié)構(gòu)到軟件機(jī)構(gòu)進(jìn)行了描述，提出了一種切實(shí)可行的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案。但是系統(tǒng)中仍有許多不足之處，有待進(jìn)一步的研究與實(shí)踐。3 模糊PID控制器在電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用3.1 模糊PID控制的概述 目前工業(yè)自動化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個重要標(biāo)志。同時，控制理論的發(fā)展也經(jīng)歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論5和智能控制理論三個階段。自動控制系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。一個控制系統(tǒng)包括控制器、傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、輸入輸出接口?？刂破鞯妮敵鼋?jīng)過輸出接口、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，加到被控系統(tǒng)上；控制系統(tǒng)的被控量，經(jīng)過傳感器，變送器，通過輸入接口送到控制器。 (1)開環(huán)控制系統(tǒng) ：開環(huán)控制系統(tǒng)(open-loop control system)是指被控對象的輸出(被控制量)對控制器(controller)的輸出沒有影響。在這種控制系統(tǒng)中，不依賴將被控量反送回來以形成任何閉環(huán)回路。 (2)閉環(huán)控制系統(tǒng) ：閉環(huán)控制系統(tǒng)(closed-loop control system)的特點(diǎn)是系統(tǒng)被控對象的輸出(被控制量)會反送回來影響控制器的輸出，形成一個或多個閉環(huán)。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負(fù)反饋，若反饋信號與系統(tǒng)給定值信號相反，則稱為負(fù)反饋( Negative Feedback)，若極性相同，則稱為正反饋，一般閉環(huán)控制系統(tǒng)均采用負(fù)反饋，又稱負(fù)反饋控制系統(tǒng)。 (3)階躍響應(yīng) ：階躍響應(yīng)是指將一個階躍輸入（step function）加到系統(tǒng)上時，系統(tǒng)的輸出。穩(wěn)態(tài)誤差是指系統(tǒng)的響應(yīng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，系統(tǒng)的期望輸出與實(shí)際輸出之差。 (4)PID控制的原理和特點(diǎn)： 在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。PID控制，實(shí)際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進(jìn)行控制的。 1）比例（P）控制： 比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error）。 2）積分（I）控制：在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（System with Steady-state Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。 3）微分（D）控制：在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。 (5)PID控制器的參數(shù)整定： PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進(jìn)行 PID控制器參數(shù)的整定步驟如下： a)首先預(yù)選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作； b)僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；c)在一定的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參數(shù)。3.2 模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)3.2.1在線實(shí)時模糊自整定PID控制 PID控制器6因其結(jié)構(gòu)簡單并易于實(shí)現(xiàn)而成為工業(yè)過程中最常用的控制器。但是常規(guī)PID控制器不具有在線調(diào)整參數(shù)KP、KI、KD的功能,參數(shù)的選取有一定的難度，不能滿足系統(tǒng)在不同偏差E及偏差變化率EC時對PID參數(shù)自調(diào)整的要求。模糊PID控制結(jié)合了模糊控制和PID控制二者的優(yōu)點(diǎn)，但模糊控制器本身消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的性能比較差。 模糊自整定PID參數(shù)控制就是在一般的PI控制基礎(chǔ)上，采用模糊推理思想，加上一個模糊推理環(huán)節(jié)。模糊自整定PID參數(shù)控制器設(shè)計：PID控制的應(yīng)用范圍非常廣泛，對于不同控制對象，控制器性能要求往往差異很大。模糊自整定PID參數(shù)控制器的結(jié)構(gòu)框圖如圖3-1所示。模糊推理PID控制對象參數(shù)修正R Y圖3-1模糊自整定PID參數(shù)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 根據(jù)參數(shù)KP、KI、KD對系統(tǒng)輸出特性的影響程度，主要考慮在不同的|E|和|EC|時，被控過程對參數(shù)KP、KI、KD的自整定要求來選取參數(shù)量：(1) 在|E|較大時，即系統(tǒng)相應(yīng)處于圖3-2中的曲線的第階段，為了加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度把KP選得大些，KD選得小些，為防止超調(diào)取KI= 0。(2) 當(dāng)|E|和|EC|為中等大小時，即位于圖3-2中的第階段,取較小的KI值，同時KD和KP不能取得太大，以保持系統(tǒng)的響應(yīng)速度。(3) 當(dāng)|E|較小時，即處在第階段時，適當(dāng)增大KP和KI值，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，然后根據(jù)|EC|大小適當(dāng)選取KD。（）（）（）yt0圖3-2輸出響應(yīng)曲線根據(jù)以上參數(shù)整定規(guī)則，采用模糊邏輯推理的方法設(shè)計15模糊自整定PID參數(shù)控制器。首先，確定控制器的輸入、輸出語言變量，其輸入語言變量為|E|和|EC|，輸出語言變量為KP、KI、KD。其次，確定各語言變量的論域，在其論域上定義模糊量，即大(B)、中(M)、小(S)、零(Z)。偏差隸屬函數(shù)曲線見圖3-3，PID參數(shù)KP、KI、KD的隸屬函數(shù)曲線見圖3-4。然后，確定KP、KI、KD的調(diào)節(jié)規(guī)則，最后進(jìn)行模糊推理和模糊運(yùn)算。10123ZSMB圖3-3偏差|E|、|E|的隸屬函數(shù)10123ZSMB圖3-4PID參數(shù)KP、KI、KD的隸屬函數(shù)3.2.2 Fuzzy PID控制的系統(tǒng)仿真PID控制是經(jīng)典控制中用于過程控制最有效的策略之一， PID控制中的中積分作用可以減少穩(wěn)態(tài)誤差,微分作用可以提高響應(yīng)速度。但另一方面積分作用容易導(dǎo)致積分飽和,使系統(tǒng)超調(diào)量增大,微分作用對高頻干擾特別敏感,甚至導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。PID控制本質(zhì)上屬于線性控制，因此對于具有很強(qiáng)非線性的對象來說，控制效果具有先天的不足。對于這種情況，就應(yīng)該采用具有非線性特性的控制方法，以適應(yīng)整個系統(tǒng)的特點(diǎn)。 (1)模糊PID控制器的設(shè)計模糊控制器的原理框圖如圖3.5所示：de/dt模糊推理PID調(diào)節(jié)器ine+ecKpKIKDoutstop受控對象圖3.5 模糊PID控制器結(jié)構(gòu)從圖3.5可以看出，模糊推理過程為雙輸入三輸出系統(tǒng)。兩個輸入分別為系統(tǒng)誤差E以及誤差的變化率EC，而輸出則為PID調(diào)節(jié)器的三個控制參數(shù)Kp、KI和KD。為了正確的控制輸出量，在本文中為Kp、KI和KD，根據(jù)這三個參數(shù)對系統(tǒng)的影響情況，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)及對系統(tǒng)響應(yīng)過程的掌握，采用理論分析加實(shí)驗(yàn)“試湊”得到模糊PID控制規(guī)則：在偏差較大時，為盡快消除偏差，提高響應(yīng)速度，KP取大值，KI取零；在偏差較小時，為繼續(xù)消除偏差，并防止超調(diào)過大，產(chǎn)生振蕩，KP值要減小，KI取小值；在偏差很小時，為消除靜差，克服大超調(diào)，使系統(tǒng)盡快穩(wěn)定，K P值繼續(xù)減小，KI值不變或稍取大一點(diǎn)。最后經(jīng)精確化計算得到精確的控制值去控制被控制對象。描述輸入變量E和EC以及輸出變量Kp、KI和KD的語言集的模糊子集及其論域定義如下：E、E C和K P的模糊子集為：N B（負(fù)大），N M（負(fù)中），N S（負(fù)小），Z O（零），P S（正?。?，P M（正中），P B（正大）；KI和KD只取正值，其模糊子集為：Z O，P S，P M，P B；(2)仿真試驗(yàn)采用階越輸入作為激勵和最終輸出的目標(biāo)值，通過PID控制器和模糊-PID控制器對相同輸入的響應(yīng)特性曲線來進(jìn)行二者之間的比較。通過運(yùn)行在Matlab中建立的模型，可以得到如圖3.6的響應(yīng)特性曲線。圖3.6 PID響應(yīng)曲線圖3.7 模糊PID響應(yīng)曲線圖3.6為PID控制對階越輸入的響應(yīng)特性曲線，圖3.7為模糊-PID控制對節(jié)約輸入的響應(yīng)特性曲線。從圖中可以看出，相對于PID控制來說，模糊-PID控制有著更快的反應(yīng)速度，并且沒有超調(diào)。這表明對于電液比例控制系統(tǒng)，采用模糊-PID控制7可以取得更好的性能，基本實(shí)現(xiàn)對電液比例控制系統(tǒng)的快速、準(zhǔn)確控制。1）PID控制對階越輸入的響應(yīng)特性曲線；2）模糊-PID控制對節(jié)約輸入的響應(yīng)特性曲線。模糊-PID控制相對于數(shù)字PID控制有以下的優(yōu)點(diǎn)：a）KP、KI和KD三個參數(shù)根據(jù)系統(tǒng)偏差E和偏差的變化率EC動態(tài)變化，更符合控制當(dāng)中的規(guī)律和特性；b）控制精度高，反應(yīng)時間短，說明模糊-PID的控制指標(biāo)優(yōu)于數(shù)字PID。3.2.3基于參數(shù)自適應(yīng)模糊PID控制器根據(jù)載荷或截割電機(jī)電流的變化情況，常靠司機(jī)通過搬動換向閥實(shí)現(xiàn)手動節(jié)流調(diào)速。這必然存在盲目、隨意性，而截割電機(jī)的超載和欠載會在較大范圍內(nèi)波動，不利于提高工作效率和可靠性。 (1)掘進(jìn)機(jī)恒功率控制通常是指當(dāng)掘進(jìn)機(jī)正常運(yùn)行時，如果掘進(jìn)機(jī)上的電動機(jī)功率超過其額定功率時，應(yīng)采取相應(yīng)的速度控制，使電機(jī)負(fù)載減小，將電動機(jī)的功率維持在額定功率以保護(hù)電動機(jī)。掘進(jìn)機(jī)電機(jī)的控制系統(tǒng)如圖3.8所示?？刂破鲾?shù)字液壓缸變頻裝置牽引速度截割電機(jī)截割頭負(fù)載傳感器電流反饋u0u1截割阻力力截割功率基準(zhǔn)圖3.8 掘進(jìn)機(jī)電機(jī)恒功率控制系統(tǒng)(2)參數(shù)自適應(yīng)模糊PID控制器的設(shè)計：1）控制器的結(jié)構(gòu)組成：模糊自適應(yīng)PID控制器以誤差e(k)和誤差變化率ec(k)作為輸入，采用模糊推理方法對PID參數(shù)kp、ki、kd進(jìn)行在線整定，滿足不同時刻的e(k)和ec(k)對PID參數(shù)自整定的要求。其結(jié)構(gòu)如圖3.9所示。PID調(diào)節(jié)器數(shù)字液壓缸截割電機(jī)電流檢測de/dt模糊化模糊推理ECeceR圖3.9 模糊PID控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2）PID控制參數(shù)自整定原則：通常，PID控制器的控制算式為：針對不同的e和ec人們總結(jié)了一套kp、ki、kd的整定原則:a)當(dāng)|e|較大時，為使系統(tǒng)具有良好的跟蹤性能，應(yīng)取較大的kp與較小的kd，同時，為避免系統(tǒng)相應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào)，應(yīng)對積分作用加以限制，通常取ki=0；b)當(dāng)|e|和|ec|中等大小時，為使系統(tǒng)具有較小的超調(diào)，kp應(yīng)取得小些。在這種情況下，kd的取值對系統(tǒng)的影響較大，應(yīng)取得小一些，ki的取值要適當(dāng)；c)當(dāng)|e|較小時，為使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性能，kp與ki均應(yīng)取得大些，同時為避免系統(tǒng)在設(shè)定值出現(xiàn)振蕩，并考慮系統(tǒng)抗干擾性能，當(dāng)|ec|較大時，kd應(yīng)取得小些，反之亦然。 (3) 系統(tǒng)構(gòu)成及主要硬件設(shè)計: 恒功率調(diào)速系統(tǒng)（見圖3.13）從結(jié)構(gòu)上主要分為控制部分和執(zhí)行部分?？刂撇糠钟蓡纹瑱C(jī)、時鐘電路、通信接口、鍵盤與顯示電路、光電耦合、電流檢測和報警電路組成，執(zhí)行部分為數(shù)字液壓缸。通信接口時鐘電路8255參數(shù)顯示鍵盤設(shè)定單片機(jī)液壓缸驅(qū)動器數(shù)字液壓缸光電媒介逆變器截割電機(jī)采樣保持保護(hù)報警信號電源原液器電流檢測圖3.13 調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖3.3 模糊PID控制器在直流調(diào)速系統(tǒng)中的設(shè)計與應(yīng)用在直流調(diào)速系統(tǒng)11的控制器設(shè)計方法中，目前大多采用PID或PI控制技術(shù)。PID或PI控制器的設(shè)計需要已知被控對象的精確模型，而且直流電機(jī)的非線性和結(jié)構(gòu)參數(shù)易變化等特點(diǎn)使PID或PI參數(shù)整定比較麻煩。3.3.1直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模糊控制以模糊集合論作為其數(shù)學(xué)基礎(chǔ),通過模糊邏輯和近似推理方法讓計算機(jī)把操作人員在實(shí)踐中積累的豐富經(jīng)驗(yàn)形式化、模糊化,并根據(jù)所得的語言控制規(guī)則進(jìn)行模糊推理,給出模糊決策,將模糊量轉(zhuǎn)化為精確量,作為送到被控對象(或過程)的控制量。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3.14所示。模糊控制器PID控制器電流調(diào)節(jié)器整流裝置直流電機(jī)nue圖3.14 直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3.3.2直流調(diào)速系統(tǒng)控制器設(shè)計（1）直流調(diào)速系統(tǒng)電流環(huán)設(shè)計：電流環(huán)設(shè)計中仍采用工程整定方法,電流環(huán)的主要性能是跟隨型,故電流環(huán)應(yīng)設(shè)計成I型系統(tǒng),即把電流調(diào)節(jié)器設(shè)計成PI控制器。其傳遞函數(shù)為: （式 3.1）式中:Ki為電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù),i為電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。（2）直流調(diào)速系統(tǒng)8轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計：1) 模糊控制器設(shè)計: 模糊控制是以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的智能控制,模糊控制器是模糊控制系統(tǒng)的核心,一個模糊控制系統(tǒng)的性能優(yōu)劣,主要取決于模糊控制器的結(jié)構(gòu)、所采用的模糊規(guī)則、合成推理算法、以及模糊決策的方法等因素。模糊控制器的結(jié)構(gòu)框圖如圖3.15所示。輸入數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫推理機(jī)模糊化接口解模糊接口知識庫輸出圖3.15 模糊控制器的結(jié)構(gòu)在模糊控制偏差E和控制量U均取為負(fù)大(NB),負(fù)中(NM),負(fù)小(NS),零(ZE),正小(PS),正中(PM),正大(PB)。為了使響應(yīng)快速,偏差變化EC取負(fù)(N),零(2E),正(P)。偏差E和控制量U的模糊論域均為-10,10,偏差變量域EC為-1,1。E和U的隸屬度函數(shù)為梯形和三角形函數(shù),如圖3.14所示。E圖3.16 E和U的隸屬度函數(shù)據(jù)直流電機(jī)起動和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的特點(diǎn)來確定模糊規(guī)則。nABCDEt圖3.17 控制規(guī)律設(shè)轉(zhuǎn)速的變化如圖3.17所示,在A區(qū),轉(zhuǎn)速上升階段,偏差E及偏差變量EC為e=n-Nn0。被控量正向小于給定量,誤差由大變小?？刂屏縿t根據(jù)誤差變化量的范圍采用正大至正小;在B區(qū),轉(zhuǎn)速超調(diào)階段,偏差E及偏差變量EC的大小為e=n-Nn0,ec=e2-e10,ec=e2-e10。此時控制量U應(yīng)該根據(jù)偏差變量EC取負(fù)大到負(fù)小,當(dāng)轉(zhuǎn)速趨近給定值時,控制量U取正小值;同理可分析D區(qū)和E區(qū),可得控制規(guī)則,如表3.18所示。表3.18 控制規(guī)則表模糊推理采用Mamdanis規(guī)則,采用重心法進(jìn)行解模糊。3.4 模糊PID控制器的性能分析穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)的一項重要指標(biāo)，也是系統(tǒng)能夠正常工作的首要條件。因此，分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性并給出保證系統(tǒng)穩(wěn)定的措施，是設(shè)計一個良好控制系統(tǒng)的首要前提。與經(jīng)典控制理論相比，模糊控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性理論還不夠完善，而且模糊控制系統(tǒng)的表現(xiàn)形式也各不相同，同樣為理論分析增加了研究的難度。本文將針對機(jī)載光電跟蹤系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題做初步探討。 (1)模糊控制穩(wěn)定性分析方法比較模糊控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析方法可以分為兩大類，一類是早期的沿用經(jīng)典控制理論的穩(wěn)定性分析方法，如李亞普諾夫方法、相平面法、描述函數(shù)法等；另一類是利用模糊集理論來分析模糊系統(tǒng)的穩(wěn)定性，如關(guān)系矩陣法、胞映射法。而根據(jù)定義，凡采用模糊控制器的系統(tǒng)稱為模糊控制系統(tǒng)。在模糊控制系統(tǒng)中，控制對象也用模糊模型表示，則稱系統(tǒng)為純粹的模糊系統(tǒng)。對于混合模糊控制系統(tǒng),提供了兩種方法。其一，將混合模糊控制系統(tǒng)的控制對象變?yōu)槟：Ｐ捅硎?，從而問題轉(zhuǎn)化為對純粹模糊系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行分析，可采用介紹的方法。其二，將控制器的模型變?yōu)榇_定性的模型，從而混合模糊控制系統(tǒng)變?yōu)槌Ｒ?guī)的控制系統(tǒng),進(jìn)而采用常規(guī)的方法來對系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性分析。 (2)利用描述函數(shù)法分析模糊PID控制器的穩(wěn)定模糊控制器經(jīng)離線計算得到一張可在線查詢的控制表后，它可等效為一個多級繼電特性的非線性控制系統(tǒng)。若能求出該非線性控制系統(tǒng)的描述函數(shù)，而且控制對象又是線性的，那么通過繪制系統(tǒng)的奈魁斯特曲線就可以判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本章小結(jié) 本章將模糊控制理論引入傳統(tǒng)PID控制器中，利用模糊控制不依賴對象精確模型，能夠克服系統(tǒng)非線性、時變性的特性、加強(qiáng)了傳統(tǒng)PID控制器的功能。同時本章也給出了模糊控制器中本身的一些缺點(diǎn)，有待進(jìn)一步研究探討。4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制在電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用4.1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制 (1)PID控制在一個典型控制系統(tǒng)中，對于任何一個時間控制系統(tǒng)而言，其控制對象和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是固定的。為了滿足閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)、準(zhǔn)、快的性能要求，只有通設(shè)計控制器D(z)來實(shí)現(xiàn)(如圖4-1)。 (2)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)圖如圖4-3。其中：X1、X2Xn為網(wǎng)絡(luò)的輸入；Y1、Y2Ym為網(wǎng)絡(luò)輸出；Wji為輸入層到隱含層；Wij為隱含層到輸出層的連接權(quán)值。構(gòu)造神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器結(jié)構(gòu)，如圖4.1。圖4-1 控制對象和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖4-2 仿真結(jié)果圖4-3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)圖R(t)PIDGh(s)G(s)Y(t)NH圖4-4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器結(jié)構(gòu)控制器由常規(guī)的PID控制器和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)兩部分組成。常規(guī)的PID控制器對被控對象進(jìn)行閉環(huán)控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，調(diào)節(jié)PID控制器的參數(shù)，以達(dá)到性能的優(yōu)化。通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)，加權(quán)系數(shù)的調(diào)整，使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出對應(yīng)于某種最優(yōu)控制規(guī)律下的PID控制參數(shù)。(3)從hebb理論可知，神經(jīng)元的連接在給予不斷的正刺激后會得到不斷加強(qiáng)。而BP網(wǎng)絡(luò)的反復(fù)學(xué)習(xí)過程也正是不斷加強(qiáng)某種信息的聯(lián)接強(qiáng)度的過程。一旦網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)束，而并沒有訓(xùn)練成功，在某種意義上說，其聯(lián)接強(qiáng)度還不夠，還需再投入樣本對其作用。樣本被分為兩組，一組已被聯(lián)接權(quán)記憶住了，另一組還不能被其表述。因此可以放棄或部分放棄第一組的樣本數(shù)據(jù)，而僅以第二組為訓(xùn)練樣本投入訓(xùn)練，這樣訓(xùn)練時間將比原來的方法大為減少。4.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)PID控制由于其具有直觀性好、實(shí)現(xiàn)簡單、可靠性高以及強(qiáng)魯棒性等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)控制中得到廣泛的應(yīng)用，尤其適用于建立了精確數(shù)學(xué)模型的確定性系統(tǒng)。然而常規(guī)PID控制效果的優(yōu)劣直接取決于控制參數(shù)選取的好壞，而傳統(tǒng)方法是在獲取控制對象數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)某一整定原則來確定PID參數(shù)。為使控制器具有較好地自適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)的自動調(diào)節(jié)，可以采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的方法。(1)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)如圖4-5所示:圖4-5 三層BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖其中:為BP網(wǎng)絡(luò)的輸入；為BP網(wǎng)絡(luò)的輸出；為輸入層到隱含層的連接權(quán)值；為隱含層到輸出層的連接權(quán)值。(2)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制9BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有逼近非線性函數(shù)的能力，而且結(jié)構(gòu)和學(xué)習(xí)算法簡單明確。通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自身的學(xué)習(xí)，可以找到某一最優(yōu)控制規(guī)律下的P、I、D參數(shù)?；贐P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制器結(jié)構(gòu)圖如圖4-6所示:NNPIDplantKpKiKdR(s)Y(s)圖4-6 其于BP網(wǎng)絡(luò)的PID控制器結(jié)構(gòu)經(jīng)典增量式數(shù)字PID的控制算式為 （式4.1）式中 、比例、積分、微分系數(shù)。將、視為依賴于系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的可調(diào)系數(shù)時，可將式描述為 （式4.2） 式中、等有關(guān)的非線性函數(shù)，可以用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)NN如圖4-5所示，通過訓(xùn)練和學(xué)習(xí)來找到這樣一個最佳控制規(guī)律。設(shè)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)NN18是一個三層BP網(wǎng)絡(luò)，其結(jié)構(gòu)如圖4-5所示，有個輸入節(jié)點(diǎn)、個隱層節(jié)點(diǎn)、三個輸出節(jié)點(diǎn)。由于不能為負(fù)值，所以輸出層神經(jīng)元的活化函數(shù)取非負(fù)的Sigmoid函數(shù)，而隱含層神經(jīng)元的活化函數(shù)可取正負(fù)對稱的Sigmoid函數(shù)。由圖4-5可見，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)NN的輸入為 （式4.3）式中，輸入量的個數(shù)M取決于被控系統(tǒng)的復(fù)雜程度。網(wǎng)絡(luò)隱含層輸入輸出為 （式4.4）式中隱含層加權(quán)系數(shù)；閾值，=；活化函數(shù)，=上腳標(biāo)（1）、（2）、（3）輸入層、隱含層、輸出層。最后，網(wǎng)絡(luò)的輸出層的輸入輸出為 （式4.5）式中輸出層加權(quán)系數(shù)；閾值，；活化函數(shù)，取性能指標(biāo)函數(shù)為： （式4.6）依最速下降法修正網(wǎng)絡(luò)的加權(quán)系數(shù)，即按對加權(quán)系數(shù)的負(fù)梯度方向搜索調(diào)整，并附加一使搜索快速收斂全局極小的慣性項，則有 （式4.7）式中學(xué)習(xí)速率；慣性系數(shù)。 （式4.8）由于/未知，所以近似用符號函數(shù)取代，由此帶來的計算不精確的影響可以通過調(diào)整學(xué)習(xí)速率來補(bǔ)償。由此可以求得 （式4.9）因此可得到BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)NN輸出層的加權(quán)系數(shù)計算公式為 （式4.10）依據(jù)上述推算方法，可得隱含層加權(quán)系數(shù)得計算公式為 （式4.11） 式中；控制器由常規(guī)的PID控制器和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)兩部分組成，常規(guī)PID控制器直接對被控對象進(jìn)行閉環(huán)控制，并且其控制參數(shù)為Kp、Ki、Kd在線調(diào)整方式10；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，調(diào)節(jié)PID控制器的參數(shù)，以期達(dá)到某種性能指標(biāo)的最優(yōu)化，使輸出層神經(jīng)元的輸出對應(yīng)于PID控制器的三個可調(diào)參數(shù)Kp、Ki、Kd。通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)、加權(quán)系數(shù)的調(diào)整,使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出對應(yīng)于某種最優(yōu)控制規(guī)律下的PID控制器參數(shù)。4.3神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制系統(tǒng)的仿真分析以下是利用Matlab對一個利用HEBB規(guī)則神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器進(jìn)行的仿真。可以明顯的看出控制器的輸出11。如圖4-7。1）設(shè)置Kp、Ki、KdxiteP=0.40;xiteI=0.35;xiteD=0.40;2）設(shè)置輸入r(t)，輸出Y(t)ts=0.001;for k=1:1:1000time(k)=k*ts;rin(k)=0.500*sign(sin(2*2*pi*k*ts);yout(k)=0.368*y_1+0.260*y_2+0.100*u_1+0.632*u_2;3）