摘 要：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自學(xué)習(xí)、自調(diào)整、自適應(yīng)能力。本文介紹了由PLC控制實(shí)現(xiàn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID自適應(yīng)控制器。實(shí)驗(yàn)表明，該技術(shù)對于提高控制精度是行之有效的。具有在調(diào)速系統(tǒng)中推廣應(yīng)用的價(jià)值。
關(guān)鍵詞：PLC;PID控制器;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);直流調(diào)速系統(tǒng)
一、引言
雖然目前的交、直流傳動系統(tǒng)都有較成熟的控制方案，采用線性PI或PID 調(diào)節(jié)器可以取得基本滿意的控制效果。但是，常參數(shù)的PID調(diào)節(jié)器只對線形系統(tǒng)有效，它們的控制性能因?yàn)橄到y(tǒng)的非線性而降低。在電力傳動系統(tǒng)中，雖可以建立電機(jī)模型，但是電機(jī)本身和負(fù)載的一些參數(shù)（如交流電機(jī)的轉(zhuǎn)子電阻、拖動負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量）是無法確定的、時(shí)變的。電氣設(shè)備的機(jī)械飽和特性，開關(guān)的失控時(shí)間、控制延時(shí)都是不能精確建模的非線性因素。 然而將模糊與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入電力傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)智能控制器卻可以很好地克服電力傳動對象變參數(shù)、非線性等問題，大大提高系統(tǒng)的魯棒性。引入模糊與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是不需要過程的復(fù)雜模型，而且適應(yīng)性強(qiáng)，容易實(shí)現(xiàn)。
本文是將PID控制規(guī)律融進(jìn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[3]之中，實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與PID控制規(guī)律的本質(zhì)結(jié)合，共同完成PID自適應(yīng)調(diào)節(jié)，并用PLC實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID自適應(yīng)控制，確保電力傳動系統(tǒng)的控制精度和可靠性。
二、PID自適應(yīng)控制器
常規(guī)PID控制算法為：
（1） 
用求和代替積分，微分用有限差分代替，即上式為：
（2） 
式中T為采樣周期，KP是比例系數(shù)，KI=KP/TI是積分比例系數(shù)，KD=KPTD是微分比例系數(shù)。
根據(jù)上式，組成由兩層線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造的控制器，如圖1所示。它是由比例、積分、微分三個(gè)單元組成的一種動態(tài)前向網(wǎng)絡(luò)，各層神經(jīng)元個(gè)數(shù)、連接方式、連接權(quán)值是按PID控制規(guī)律的基本原則和已有的經(jīng)驗(yàn)確定，能夠保證系統(tǒng)的穩(wěn)定和快速收斂。
圖1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID自適應(yīng)控制器
其中r為系統(tǒng)給定值，y為系統(tǒng)輸出值，d為標(biāo)定值， Lr為學(xué)習(xí)步長：0
本文用PLC實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID自適應(yīng)控制，并應(yīng)用于直流邏輯無環(huán)流可逆調(diào)速控制系統(tǒng)，使系統(tǒng)的控制精度達(dá)到了只有理論上才能實(shí)現(xiàn)的無靜差。考慮到可逆調(diào)速控制系統(tǒng)的控制設(shè)備、器件數(shù)量多、對系統(tǒng)運(yùn)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(zhí)行機(jī)構(gòu)的直流調(diào)速控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)主要由兩部分構(gòu)成，系統(tǒng)框圖如圖2所示。其中PLC實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID自適應(yīng)器與邏輯無環(huán)流雙閉環(huán)的控制部分，長劃線-點(diǎn)-點(diǎn)虛線框內(nèi)為（V—M）三相橋式晶閘管—電動機(jī)系統(tǒng)，GT為V—M系統(tǒng)的晶閘管觸發(fā)電路，它由硬件實(shí)現(xiàn)。短劃線虛線框內(nèi)為換向軟開關(guān)，由PLC軟件實(shí)現(xiàn)。
圖2系統(tǒng)組成框圖
該系統(tǒng)為速度、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，也就是說PLC對這三個(gè)模擬輸入信號分別進(jìn)行速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器相串聯(lián)的兩級PID運(yùn)算，向晶閘管的觸發(fā)電路給出移相電壓信號。所以，系統(tǒng)跟隨的快速性及控制精度關(guān)鍵取決于PID調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)和調(diào)節(jié)精度。本系統(tǒng)采用單神經(jīng)元組成的PID自適應(yīng)控制器，它即具有傳統(tǒng)PID控制器的優(yōu)點(diǎn)，又具有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的并行結(jié)構(gòu)和學(xué)習(xí)記憶功能，并且結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)，所以它更適合于控制系統(tǒng)。
四、基于PLC的自適應(yīng)控制方法
作為現(xiàn)代工業(yè)三大支柱（機(jī)器人、CAD/CAM、PLC）之一的PLC具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、操作靈活簡單、接線簡潔、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，特別是易于擴(kuò)展、編程簡單、耐惡劣環(huán)境能力強(qiáng)等特點(diǎn)，已迅速占領(lǐng)了工業(yè)生產(chǎn)自動化領(lǐng)域，成為工業(yè)自動化領(lǐng)域的強(qiáng)有力工具。
在PLC中實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID自適應(yīng)控制，即可減少分接頭數(shù)，提高PID調(diào)節(jié)的快速性和控制精度，又可以保證動作的可靠性，提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。
在直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，為了提高系統(tǒng)響應(yīng)的快速性和限流的必要性，電流內(nèi)環(huán)仍然采用傳統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)器，而轉(zhuǎn)速環(huán)則采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID自適應(yīng)控制器，以提高系統(tǒng)的魯棒性。這兩級相串聯(lián)的PID運(yùn)算都由PLC實(shí)現(xiàn)，我們把這一運(yùn)算環(huán)節(jié)作為中斷程序來處理。PLC的PID自適應(yīng)控制中斷處理子程序流程圖如圖3所示。
圖3中斷處理子程序流程圖
圖4主程序流程圖
我們選用西門子公司S7-200系列的PLC進(jìn)行系統(tǒng)配置[5]。根據(jù)邏輯無環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的要求，PLC主要實(shí)現(xiàn)了兩級串聯(lián)PID自適應(yīng)調(diào)節(jié)及邏輯換向原則。同時(shí)，還實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)保護(hù)功能和系統(tǒng)顯示功能。
針對該直流調(diào)速系統(tǒng)的控制功能，我們在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了帶負(fù)載實(shí)際運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)直流電動機(jī)的額定參數(shù)為U =220V I = 12A n =1500轉(zhuǎn)/分，實(shí)驗(yàn)線路示意圖如圖2所示。實(shí)測的機(jī)械特性數(shù)據(jù)如下表所示：
測試結(jié)果證實(shí)，其靜特性能夠達(dá)到只有理論上的無靜差，靜差率S = 0。
其它技術(shù)性能指標(biāo)也均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
五、結(jié)束語
用PLC實(shí)現(xiàn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID自適應(yīng)控制器應(yīng)用于傳動調(diào)速系統(tǒng)，控制精度高， 而且經(jīng)濟(jì)可靠、抗干擾能力強(qiáng)，在允許負(fù)載、電樞電阻和轉(zhuǎn)動慣量變化的范圍內(nèi)，都能保持響應(yīng)的快速性以及無靜差、無超調(diào)的優(yōu)良性能。它特別適用于機(jī)床控制系統(tǒng)，它即可以實(shí)現(xiàn)調(diào)速部分，同時(shí)也可利用PLC順序控制的應(yīng)用特點(diǎn)，替代其余的繼電器控制部分，這樣可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，便于維護(hù)。
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