《電子技術(shù)應(yīng)用》
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自適應(yīng)PID控制在試驗(yàn)電源組中的應(yīng)用
2014年微型機(jī)與應(yīng)用第12期
唐 寶,,王迎旭,趙毅君
湖南工程學(xué)院 風(fēng)電裝備與電能變換協(xié)同創(chuàng)新中心,,湖南 湘潭
摘要: 目前風(fēng)力發(fā)電試驗(yàn)系統(tǒng)所使用的電源控制系統(tǒng),,其調(diào)節(jié)對(duì)象具有時(shí)變性、多樣性,、不確定性和非線性等特點(diǎn),,因此針對(duì)該試驗(yàn)電源組控制系統(tǒng)難以建立精確的數(shù)學(xué)模型,而且試驗(yàn)電源組控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性及運(yùn)行參數(shù)依賴于它的運(yùn)行環(huán)境與運(yùn)行工況,。由于其控制參數(shù)是在一定條件(如環(huán)境,、工況等)下設(shè)定的,當(dāng)條件發(fā)生變化時(shí),,原整定參數(shù)不再適應(yīng)于當(dāng)前對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性,,以至于使控制品質(zhì)下降。而常規(guī)的PID控制的參數(shù)是根據(jù)調(diào)節(jié)對(duì)象的數(shù)學(xué)模型來進(jìn)行整定的,,所以對(duì)于風(fēng)力發(fā)電試驗(yàn)系統(tǒng)電源組控制采用常規(guī)的PID控制器難以取得理想控制效果[1]。為了克服常規(guī)PID 控制存在的缺點(diǎn),,將神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器引入風(fēng)力發(fā)電試驗(yàn)系統(tǒng)電源組控制中,。
Abstract:
Key words :

  摘  要: 將神經(jīng)元自適應(yīng)的控制模型與常規(guī)PID控制算法相結(jié)合,設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)PID控制器,,并將其應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)電源組的控制系統(tǒng)中。該控制器不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,、參數(shù)易于整定,,且具有較好的自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)功能,。結(jié)果表明,應(yīng)用神經(jīng)元PID控制的風(fēng)力發(fā)電機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)的電源組控制系統(tǒng)能夠適應(yīng)被控對(duì)象在較大范圍內(nèi)的變化,,具有較強(qiáng)的自適應(yīng)性和優(yōu)良的控制性能。

  關(guān)鍵詞: 試驗(yàn)系統(tǒng),;風(fēng)力發(fā)電機(jī),;神經(jīng)元自適應(yīng)控制,;PID控制

  目前風(fēng)力發(fā)電試驗(yàn)系統(tǒng)所使用的電源控制系統(tǒng),,其調(diào)節(jié)對(duì)象具有時(shí)變性、多樣性,、不確定性和非線性等特點(diǎn),因此針對(duì)該試驗(yàn)電源組控制系統(tǒng)難以建立精確的數(shù)學(xué)模型,,而且試驗(yàn)電源組控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性及運(yùn)行參數(shù)依賴于它的運(yùn)行環(huán)境與運(yùn)行工況,。由于其控制參數(shù)是在一定條件(如環(huán)境,、工況等)下設(shè)定的,,當(dāng)條件發(fā)生變化時(shí),,原整定參數(shù)不再適應(yīng)于當(dāng)前對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性,,以至于使控制品質(zhì)下降,。而常規(guī)的PID控制的參數(shù)是根據(jù)調(diào)節(jié)對(duì)象的數(shù)學(xué)模型來進(jìn)行整定的,所以對(duì)于風(fēng)力發(fā)電試驗(yàn)系統(tǒng)電源組控制采用常規(guī)的PID控制器難以取得理想控制效果[1],。為了克服常規(guī)PID 控制存在的缺點(diǎn),,將神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器引入風(fēng)力發(fā)電試驗(yàn)系統(tǒng)電源組控制中,。

  本文是基于湖南省科技計(jì)劃項(xiàng)目——風(fēng)力發(fā)電機(jī)智能綜合測(cè)控系統(tǒng)的研究,根據(jù)試驗(yàn)過程要求自動(dòng)實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)電源組各單元的控制,,將神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制用于電源組控制系統(tǒng),以實(shí)現(xiàn)理想的控制效果,。將神經(jīng)元PID控制器的工程應(yīng)用與仿真研究相結(jié)合,在實(shí)現(xiàn)神經(jīng)元PID控制的優(yōu)良性能的基礎(chǔ)之上,,探索神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器參數(shù)的工程整定方法,。

  1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)電源組控制系統(tǒng)

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  圖1所示為風(fēng)力發(fā)電機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)電源組的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖,,系統(tǒng)是由神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器,、調(diào)節(jié)器、觸發(fā)器,、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、濾波,、辨識(shí)環(huán)節(jié),、檢測(cè)電路、負(fù)載構(gòu)成的一個(gè)閉環(huán)控制回路,。

  將給定信號(hào)(電壓、電流)的輸入值與負(fù)載電壓,、電流檢測(cè)反饋值進(jìn)行比較,為了消除給定輸入值與反饋值的誤差,將誤差送入神經(jīng)元自適應(yīng)控制器,,由調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的控制信號(hào)根據(jù)一定的算法來進(jìn)行調(diào)整,發(fā)出電壓,、電流信號(hào)給執(zhí)行機(jī)構(gòu),,以實(shí)現(xiàn)電壓(轉(zhuǎn)速)及電流閉環(huán)控制,無差調(diào)節(jié),。在電源組內(nèi)部設(shè)置一個(gè)辨識(shí)環(huán)節(jié),,能有效辨識(shí)給定與輸出信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)輸出電流和輸出電壓(轉(zhuǎn)速)的穩(wěn)定[2],。因此,由外部電網(wǎng)和負(fù)載波動(dòng)等引起的電流變化,,均可通過快速調(diào)節(jié)輸出電壓而保持輸出電流的穩(wěn)定以及良好的調(diào)節(jié)性能,。充分利用神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制的自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力來克服負(fù)載的波動(dòng),,從而實(shí)現(xiàn)電源組穩(wěn)定、可靠地長(zhǎng)期運(yùn)行。

  2 神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器設(shè)計(jì)

  2.1 神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器的基本原理

  在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制中,,單神經(jīng)元是最基本的控制單元,。神經(jīng)元PID 控制器具有現(xiàn)場(chǎng)整定參數(shù)簡(jiǎn)單,、便于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的重要特點(diǎn), 能夠大大改善典型非線性時(shí)變對(duì)象的動(dòng)態(tài)性能, 能夠適應(yīng)過程的時(shí)變特性, 以保證控制系統(tǒng)在最佳狀態(tài)下運(yùn)行[3]。

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  神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制的結(jié)構(gòu)如圖2所示,。圖中轉(zhuǎn)換器的輸入反映被控過程及控制設(shè)定的狀態(tài),。設(shè)r(k)為設(shè)定值,,y(k)為輸出值,誤差e(k)經(jīng)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后成為神經(jīng)元的輸入量x1(k),、x2(k),、x3(k)。利用神經(jīng)元的在線調(diào)整功能,,把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于PID控制系統(tǒng)中,以改善常規(guī)PID的控制性能[4-5]。

  其增量式表示為:

 

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  由式(1),、(2),、(3)可知神經(jīng)元控制器輸出的x1(k),、x2(k)、x3(k)即為PID調(diào)節(jié)器的比例,、積分,、微分輸入,,而w1、w2,、w3即為對(duì)應(yīng)的加權(quán)系數(shù)[6-7],。神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器通過某種學(xué)習(xí)算法不斷更新修改加權(quán)系數(shù),,從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)適應(yīng)被控對(duì)象的狀態(tài)環(huán)境變化的自學(xué)習(xí),、自適應(yīng)功能,所以神經(jīng)元PID控制器也可稱為在線自適應(yīng)PID控制器,。

  2.2 自適應(yīng)控制規(guī)律

  (1)一般神經(jīng)元PID控制規(guī)律

  本文采用的一般神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制的控制規(guī)律為:

  

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  式(6)中,,K為神經(jīng)元比例系數(shù),?濁P,、?濁I,、?濁D為比例,、積分、微分的學(xué)習(xí)效率,。對(duì)比例(P),、積分(I)、微分(D)分別采用不同的學(xué)習(xí)效率?濁P,、?濁I、?濁D,,以便對(duì)它們各自的權(quán)系數(shù)能根據(jù)需要分別進(jìn)行調(diào)整,。學(xué)習(xí)效率的取值可先由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)或仿真來確定。

  (2)改進(jìn)的神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制規(guī)律

  神經(jīng)元PID參數(shù)的在線學(xué)習(xí)修正主要與 e(k),、?駐e(k)及神經(jīng)元比例系數(shù)K有關(guān),,因此可將神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法中的加權(quán)系數(shù)學(xué)習(xí)修正部分及比例系數(shù)K進(jìn)行修改,,即將其中式(4)中的xi(k)改為e(k)+?駐e(k),由式(4)可知神經(jīng)元的比例系數(shù)K為一常數(shù),,為了抑制較大擾動(dòng)量的影響(負(fù)載的突加與突卸時(shí)),,將K設(shè)定為一個(gè)隨e(k)和?駐e(k)變化的變量,,當(dāng)誤差較大時(shí)K值也較大,,當(dāng)誤差較小且接近穩(wěn)定時(shí)K值較小,,這時(shí)K值對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響較小。對(duì)上述控制規(guī)律稍加修改后的算法如下:

  

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  采用上述改進(jìn)的控制規(guī)律,,權(quán)系數(shù)的在線修正就不完全是根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)原理,,而是參考現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來制定的。比例系數(shù)K不再是一個(gè)恒定值,,而是一個(gè)隨誤差變化的變量,有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

  3 仿真分析

  對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)電源組的控制系統(tǒng),,其負(fù)載的種類很多,,有的結(jié)構(gòu)和工作過程相當(dāng)復(fù)雜,其內(nèi)部不止一個(gè)狀態(tài)變量,,要準(zhǔn)確描述其數(shù)學(xué)模型比較困難,,且階次很高,。但是在實(shí)際分析問題時(shí),沒有必要用到特別復(fù)雜的高階次的數(shù)學(xué)模型,,而且通過仿真說明采用低階次的近似簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)模型不僅實(shí)用,,且能得到比較滿意的仿真結(jié)果。因此本文選取的負(fù)載被控對(duì)象為二階系統(tǒng)

  在對(duì)常規(guī)PID仿真中,,取常規(guī)PID參數(shù)為:Kp=0.10,Ki=0.01,,Kd=0.10,采樣時(shí)間Ts=1 ms,。在對(duì)一般神經(jīng)元自適應(yīng)PID仿真中,,取學(xué)習(xí)效率?濁p=0.40,,?濁i=0.35,,?濁d=0.40,K=0.052,,采樣時(shí)間Ts同為1 ms,。采用一般神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制與常規(guī)PID控制算法仿真對(duì)比結(jié)果如圖3所示,誤差跟蹤曲線對(duì)比如圖4所示,。

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  由圖3,、圖4可知,神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器的控制性能要優(yōu)于常規(guī)PID控制器,,能夠?qū)?shù)在線自適應(yīng)調(diào)整以實(shí)現(xiàn)良好的控制效果,,較常規(guī)PID控制器的快速性、穩(wěn)定性好,,且沒有超調(diào),,可以達(dá)到理想的控制效果,。而采用改進(jìn)控制規(guī)律的神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制根據(jù)實(shí)際情況,取a=0.12,、?琢=0.2、?茁=0.3,,其余參數(shù)保持不變,,其與常規(guī)PID控制算法仿真對(duì)比結(jié)果如圖5所示,圖6所示為其誤差曲線比較,。

  由圖5,、圖6可以看出,改進(jìn)控制規(guī)律的神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制要優(yōu)于一般的神經(jīng)元PID控制,,其快速性更好,,可以使系統(tǒng)更快地趨于穩(wěn)定,減少了系統(tǒng)的誤差,,具有良好的控制性能,。在不同情況下,試驗(yàn)系統(tǒng)的電源組需要帶不同的負(fù)載,,其傳遞機(jī)構(gòu)的傳遞函數(shù)或者負(fù)載主電路發(fā)生變化時(shí),,只要改變?cè)鲆鍷的初始值以及對(duì)應(yīng)于誤差的權(quán)值?琢、?茁就可以獲得理想的效果,,較一般的神經(jīng)元PID控制器與常規(guī)PID控制器調(diào)節(jié)起來更加方便實(shí)用,。

  仿真結(jié)果表明:常規(guī)PID控制效果雖然具有調(diào)節(jié)方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),,但是其控制難以達(dá)到理想的效果,,尤其是當(dāng)對(duì)象為非線性時(shí),通常會(huì)出現(xiàn)調(diào)節(jié)時(shí)間過長(zhǎng)的弱點(diǎn),;而神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制具有優(yōu)于常規(guī)PID控制的控制效果,。

  本文提出的神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制算法簡(jiǎn)單易懂,、實(shí)現(xiàn)方便等特點(diǎn),,既保持了常規(guī)PID控制的優(yōu)點(diǎn),又有很強(qiáng)的自學(xué)習(xí)智能特性,,將其應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)電源組的控制系統(tǒng)中,,以其良好的自適應(yīng)性,可以自學(xué)習(xí)地對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整,。試驗(yàn)過程實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)各單元的自動(dòng)控制,,達(dá)到了節(jié)能最佳的目的,電源的波形及各項(xiàng)指標(biāo)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),,達(dá)到了理想的控制效果,。

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