BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制在稀土永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用

劉 偉 ,周俊敏 ,李景紅

(1.周口師范學(xué)院物理與電子工程系,河南周口466001;2.河南濟(jì)源供電公司,河南濟(jì)源454650)

稀土永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是一種比較典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品,具有體積小、質(zhì)量輕、效率高、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小和響應(yīng)快等特點(diǎn),同時(shí)還保留有直流電動(dòng)機(jī)優(yōu)良的控制特性。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上粘有已充磁的永磁體,目前采用的永磁材料主要是鐵淦氧、鋁鎳鈷、釹鐵硼等合金,應(yīng)用最為廣泛的為釹鐵硼(Nd-Fe-B)。它的磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度線性關(guān)系范圍最大,被稱為第三代稀土永磁合金。為檢測(cè)電動(dòng)轉(zhuǎn)子的極性,在電動(dòng)機(jī)內(nèi)裝有位置傳感器。驅(qū)動(dòng)器由功率電子器件和集成電路等構(gòu)成。無(wú)刷直流電機(jī)具有低電壓特性好、轉(zhuǎn)矩過(guò)載能力強(qiáng)、堵轉(zhuǎn)特性好、啟動(dòng)電流小等優(yōu)點(diǎn)。由于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是以自控式運(yùn)行的,所以不會(huì)像變頻調(diào)速下重載啟動(dòng)的同步電機(jī)那樣在轉(zhuǎn)子上另加啟動(dòng)繞組,也不會(huì)在負(fù)載突變時(shí)產(chǎn)生振蕩和失步。本文介紹一種基于BP算法的PID控制算法,針對(duì)某直線伺服作動(dòng)系統(tǒng),采用稀土永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī),并對(duì)此系統(tǒng)在MATLAB平臺(tái)上進(jìn)行了仿真[1]。

1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及數(shù)學(xué)模型

永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是由無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器和驅(qū)動(dòng)控制器組成的機(jī)電一體化系統(tǒng)。圖1中的位置檢測(cè)是BLDCM特有的轉(zhuǎn)子位置信號(hào),用于電機(jī)功率電子換向。該電機(jī)具有普通直流電機(jī)優(yōu)良的機(jī)械特性,其單通道轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

一般,無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)方程為:

式中u,ia,e,Tem分別為電機(jī)動(dòng)態(tài)過(guò)程中的電壓(V)、電流(A)、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)(V)、電磁轉(zhuǎn)矩(N.m)的瞬時(shí)值;La為電樞電感(H);Ra為電樞電阻(Ω);Tem為負(fù)載轉(zhuǎn)矩,包括電動(dòng)機(jī)軸上輸出轉(zhuǎn)矩和恒定阻力轉(zhuǎn)矩(N.m);TL為輸出轉(zhuǎn)矩(N.m);Kθ為轉(zhuǎn)矩系數(shù);RΩ為阻力系數(shù);Ω為轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度(rad/s);J為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg.m2);n為轉(zhuǎn)子瞬時(shí)轉(zhuǎn)速(r/min)。對(duì)式(1)～(4)進(jìn)行拉普拉斯變換,并且轉(zhuǎn)化為另一種數(shù)學(xué)模型——方框圖,如圖2所示。

2 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID整定原理

2.1 算法原理

基于BP(Back Propagation)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制器由兩部分組成:

1 )傳統(tǒng)的PID控制器。直接對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行閉環(huán)控制,并且在線調(diào)整三個(gè)參數(shù)kp、ki、kd。

2 )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控制器的三個(gè)參數(shù),使其達(dá)到某種性能指標(biāo)的最優(yōu)化。即使輸出層神經(jīng)元的輸出狀態(tài)對(duì)應(yīng)于PID控制器的三個(gè)可調(diào)參數(shù)kp、ki、kd,通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)本身的自學(xué)習(xí)、加權(quán)系數(shù)自調(diào)整,從而使其穩(wěn)定狀態(tài)對(duì)應(yīng)于某種最優(yōu)控制規(guī)律下的PID的控制器參數(shù)。基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自整定PID控制系統(tǒng)方框圖如圖3所示[2,3]。

圖3 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自整定PID控制系統(tǒng)原理圖

2.2 基于BP網(wǎng)絡(luò)的PID控制器控制的算法流程

基于BP網(wǎng)絡(luò)的PID控制器控制算法可歸納如下[4,5]:

1 )確定BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)包括輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)M及隱含層數(shù)目Q,并給出各層權(quán)系數(shù)的初值w(0)和w(0)、選定學(xué)習(xí)率η、慣性系數(shù)α;

2 )采樣得到r(k)、y(k),計(jì)算該時(shí)刻誤差e(k)=r(k)-y(k);

3 )計(jì)算神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)各層神經(jīng)元的輸入、輸出,其輸出層的輸出即為PID控制器的三個(gè)可調(diào)參數(shù)kp、ki、kd;

4 )計(jì)算PID控制器的輸出u(k);

6 )置k=k+1,返回到第一步。

2.3 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制MATLAB仿真

控制器中的加權(quán)系數(shù)采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法進(jìn)行自整定,加權(quán)系數(shù)初始矩陣區(qū)間為[-0.5,0.5]。按照上面的算法用MATLAB編程,仿真直流伺服電機(jī)位置控制如圖4、圖5、圖6所示。

圖4 BP神經(jīng)PID控制下的個(gè)參數(shù)變化曲線

3 結(jié)語(yǔ)

從以上仿真結(jié)果分析,基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自整定PID控制能依據(jù)被控對(duì)象的情況自適應(yīng)地調(diào)整PID的三個(gè)參數(shù),依據(jù)一定的最優(yōu)準(zhǔn)則以求滿足不同負(fù)荷下的控制要求。實(shí)現(xiàn)了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制算法,并用于直流伺服電機(jī)調(diào)速的實(shí)際中。結(jié)果表明:采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制系統(tǒng)具有超調(diào)量小、調(diào)節(jié)速度快、準(zhǔn)確率高等特點(diǎn),得到了較理想的控制效果。

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