1  引言

在工業生產中，由于直流調速系統良好的運動性和控制特性，在我國很多需要高性能可控電力拖動的工業部門，仍然廣泛使用直流調速系統。從控制角度看，直流調速系統是交流調速系統的基礎，加強對直流調速系統的研究有利于促進調速系統的進一步完善[1]。但由于各種因素（如擾動）的影響，直流調速系統運行中可能存在嚴重的不穩定等問題，此時利用傳統的控制理論（如PID控制）不能滿足高精度和高動態性能控制的要求。我國目前直流調速系統的研究主要有：綜合性最優控制、補償PID控制、PID算法優化、也有的只用模糊控制技術。所以可以看出直流調速系統的主要研究點是智能控制方法的應用。近幾年來，神經網絡控制作為智能控制的重要組成部分得到了較快地發展，而作為神經網絡的最基本單元——單神經元，在神經網絡控制中成為了最基本的控制部件。本文針對造成直流調速系統不穩定的因素分別提出了一種基于跟蹤微分器、神經網絡與PID控制相結合的直流調速的控制策略，并運用Simulink仿真軟件在S函數的基礎上，利用跟蹤微分器的濾波性，單神經元的自學習，自適應性，通過對存在隨機擾動的雙閉環直流調速系統的在線學習控制，實現系統的快速、穩定、實時控制。

2  問題描述

據統計，現代工業過程控制領域仍有近90%的回路應用傳統的PID控制策略。然而PID控制中的關鍵問題就是PID參數的整定，實際應用中，很多被控過程原理相對

復雜，并且受噪聲、負載擾動等因素的影響，過程參數甚至模型結構均會隨著時間和工作環境的變換而變換，這給PID參數的整定帶來了許多困難。例如在生產過程中，直流調速系統不僅結構、參數復雜，而且存在著

擾動，擾動的種類、數量不唯一，從而導致控制器設計復雜，擾動難以抑制，系統穩定性差等問題。這類直流調速系統的狀態空間描述如下：

擾動。針對這一類系統，控制器的設計要求是，首先保證系統穩定性——即消除系統的干擾，然后滿足系統其他性能要求。當W₁(t)、W₂(t)分別是確定的擾動，則可以采用傳統的方法設計相應的抗擾動控制器保證系統穩定運行。但是如果W₁(t)、W₂(t)都是隨機擾動，即為無明顯傳播規律的信號，則可能造成系統的模型或參數不確定，使系統控制器設計復雜化，如果仍采用傳統的方法設計控制器，則很難設計與實現。

對直流調速系統來說，系統的主要擾動包括電網擾動、負載擾動。電網擾動作用在電流環內部，可通過電流反饋及時得到抑制，所以電網擾動對轉速的影響較小，則可不加以考慮。負載擾動作用在電流環之外，轉速環之內，只能靠轉速調節器來抑制，所以設計轉速環控制器應具有較好的抗干擾性。另外工業控制現場環境復雜，常存在多種形式的干擾源，所以系統的外界干擾是很難避免的，本文在考慮系統的負載擾動和外界擾動的前提下，以S函數為基礎設計單神經元PID控制器和跟蹤微分器控制系統。

3控制器設計

3.1 單神經元PID控制器

基于我們對人腦細胞具有自適應性的假說，一個完整的單神經元PID控制器結構圖如下圖一所示：

圖一  單神經元PID控制器結構圖

本文針對雙閉環直流調速系統，從控制角度考慮，應用反饋原理，結合神經網絡的無監督的Hebb學習方法和有監督的widrow—Hoff規則，得到權重值的計算方法：

3.2 跟蹤—微分器（TD）

跟蹤—微分器是由韓京清提出的提取微分信號的方法，它具有較好的濾波性能、安排過渡過程和相位超前等功能，跟蹤微分器最初提出的目的是為了較好的解決由不連續或帶噪聲的量測信號合理提取連續信號及微分的問題，并逐漸發展成便于計算的跟蹤微分器。

本文利用TD為參數輸入安排過渡過程，得到光滑的輸入信號。在傳統的PID控制器中，其快速性和超調的矛盾來源于未對給定輸入做任何處理就直接加到控制器中。跟蹤微分器能快速無超調的跟蹤輸入信號，因此避免了輸入信號中的外界擾動造成的控制量的劇烈變化以及輸出超調。

3.3 采用跟蹤微分器與單神經元PID控制器的直流調速系統

采用跟蹤微分器與單神經元PID控制器的雙閉環直流調速系統的結構圖如下所示：

圖二   跟蹤微分器與單神經元PID控制器的雙閉環直流調速系統的結構圖

雙閉環直流調速系統需要設計轉速調節器和電流調節器，從圖中可以看出系統的內環是電流環，外環是轉速環。考慮到決定控制系統的根本因素是外環--轉速環，而內環--電流環主要起改變被控對象運行特性以利于外環控制作用，故在雙閉環直流調速系統中，外環采用單神經元PID控制，內環仍然采用傳統的PI控制，實現對控制系統的優化。

4 仿真研究

本文中直流調速系統的參數如下：220V，136A,

圖三   雙閉環直流調速系統仿真模型

圖四   系統只存在內部擾動仿真曲線傳統（1-傳統PID；2-跟蹤微分器結合單神經元PID）

圖五   系統存在內、外擾動仿真曲線（1-傳統PID；2-跟蹤微分器結合單神經元PID）

根據以上的仿真結果我們可以得到如下表所示的系統性能指標：重值的計算方法：

表1 系統的性能指標