PID自適應控制器在調速系統中的應用

一、引言
系統是針對制氧機廠W160型落地鏜床X、Y、Z3個進給最高轉速為3 000r/min，最低轉速≤30r／min的直流電動機，實現靜態無靜差S=0、調速范圍D≥1 000；動態電流超調量σι／％≤5％、速度超調量σn％≤10％無級調速系統。直流可逆雙閉環調速系統中，需要兩級PID控制器進行調節，但要實現如此高精度的調速，單純采用常規的PID控制器，很難達到系統的要求。隨著神經網絡理論的發展，將應用最廣泛的PID控制器與具有自學習功能的神經網絡相結合，已成為智能控制的一個新方向，并在這一方面取得了一些研究成果。其中由單神經元構成的PID自適應控制器，是將PID控制規律融進神經網絡之中，實現神經網絡與PID控制規律的本質結合，共同完成PID白適應調節。

其網絡結構如圖1—1所示，它是由比例、積分、微分2個單元組成的一種動態前向網絡，各層神經元個數、連接方式、連接權值是按PID控制規律的基本原則和已有的經驗確定的，能夠保證系統的穩定和快速收斂。文中用PLC實現神經網絡PID自適應控制，并應用于直流邏輯無環流可逆調速控制系統，使系統的控制精度達到了只有理論上才能實現的無靜差。
二、PLC控制系統的組成
根據W160型落地鏜床直流調速系統動、靜態性能指標的要求，考慮到該設備的控制設備、器件數量多、對系統運行安全可靠提出的更高要求，采用高可靠性的PLC作為控制核心，以晶閘管為執行機構的直流調速控制系統，取代原設備的交流電動機一發電機一直流電動機龐大的調速系統。

PLC實現的調速系統如圖2—1所示。系統主要由兩部分構成，其中PLC實現神經網絡PID自適應控制器與邏輯無環流雙閉環的控制部分，長劃線一點一點虛線框內為(V--M)三相橋式晶閘管一電動機系統，GT為V--M系統的晶閘管觸發電路，它由硬件實現。短劃線虛線框內為換向軟開關，由PLC軟件實現。
該系統為速度、電流雙閉環調速系統，也就是說PLC對這3個模擬輸入信號分別進行速度調節器和電流調節器相串聯的兩級PID運算，向晶閘管的觸發電路給出移相電壓信號。所以，系統跟隨的快速性及控制精度關鍵取決于PID調節器的設計和調節精度。采用單神經元組成的PID自適應控制器，既有傳統PID控制器的優點，又有神經網絡的并行結構和學習記憶功能，并且結構簡單，易于實現，所以它更適合于控制系統。
三、PID自適應控制器
常規PID控制算法為：

式（3-2）中T為采樣周期，Kp是比例系數，K1=Kp=TI是積分比例系數，KD＝KPTD是微分比例系數。
根據上式，組成由兩層線性神經網絡構造的控制器，如圖1—1所示。

以梯度法可得神經網絡PID控制系數修正式：

其中r為系統給定值，Y為系統輸出值，Lr為學習步長：0＜Lr＜1
對于Wi的初值及學習步長，它不僅關系到是否達到全局最小點，而且也影響學習時間的長短。對于該文所針對的高精度、快響應系統尤為重要。
四、基于PLC的自適應控制方法
在直流雙閉環調速系統中，為了提高系統響應的快速性和限流的必要性，電流內環仍然采用傳統的PI調節器，而轉速環則采用神經網絡PID自適應控制器，以提高系統的魯棒性。這兩級相串聯的PID運算都由PLC實現，把這一運算環節作為中斷程序來處理。PLC的PID自適應控制中斷處理子程

序流程如圖4—1所示。