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1、基于BP神经网络PID控制的直流电动机调速系统设计摘要：本文在阐述了神经网络的发展、现状、基本原理及其在自动控制中的应用的基础上，主要研 究BP神经网络在PID控制中的应用。将BP神经网络运用于PID控制中，能够有效克服经典PID控制器在 被控对象具有非线性、时变不确定性和难以建立精确的数学模型时出现的参数整定不良和性能欠缺等缺陷。 本文设计了一种自适应PID控制器，采用改进共轭梯度算法对PID控制器参数进行在线整定。利用此控制 器对无刷直流电机进行控制，仿S结果表明：应用神经网络对常规PID控制器进行改造后提高了系统的鲁 棒性和动态性能。关键词:无刷直流电机;BP神经网络;PID控制器第一章
2、绪论1.1控制理论的发展和面临的挑战随着社会的发展，人们从解决重人工程和技术问题的实践中逐渐总结出了有关控制的相 关理论。和R他学科一样，控制理论学科的发展水平受到人类技术手段和知识水平的限制。传统的经典控制理论和现代控制理论研究的足线性吋不变系统的控制间题，然而在）然 界和现实生活中的系统绝人多数都是非线性的，仅凭单一 的分析线性系统的理论来分析非线 性系统远不能满足人们对控制系统的研究中涉及到非线件、魯棒性以及其有柔性结构的系统 和离散事件动态系统的要求。因此，在经历了经典控制现论、现代控制理论两个发展阶段后，人工智能的发展促使1 动控制14智能控制发展。智能控制系统是在控制论、信息论、人
3、丁.智能、仿生学、神经生理 学及计算机科学发展的基础上逐步形成的一类商级信息与控制系统，强调的足系统对问题能 够求解、能够适应环境和任务的变化而T1.还要其有一定的决策能力，从ifij做岀ffl应的、准确 的、及时的控制操作。智能控制柯各种形式和各种不同的成用领域，K中神经网络控制系统是这些年来研究很 多也足发展很快的一个领域。因为祌经网络的非线性映射能力、1学习适应能力、联想记忆 能力、并行信息处理?y式及其优良的界错性能的特点，这些特点使得神经M络非常适合于复 杂系统的建模和控制。因此，神经M络在系统控制领域备受重视。特別是当系统存在不确定 性因素时，更体现了神经网络方法的优越性。因此，神
4、经M络控制在非线性控制系统中应用 非常广泛。1.2神经网络技术的发展与国内外研究现状祌经M络领域研究的工作始于19世纪末和20世纪初，源于物理学、心理学和神经生理 学的跨学科研究，最早是由心理学家Warren Me Culloch和数学家Walter Pitts所提出的M-P 模型。1949年，心理学家Donald Hebb通过对人脑祌经细胞学习和条件反射的观察研究， 提出了神经元之W突触强度调整的假设，他认为学过程是在突触上发生的，迮接权的调整 正比于两ffl连神经元激活值的乘积。这就是有名的Hebb学习规则，该规则至今仍在神经网 络模型中发挥着重要作用。1957年，Frank Rosenb
5、latt提出Z著名的Perceptron （感知机）模型，试图模拟动物和人脑 的感知和学能力，卯提出了引入“隐层”处理元件的三层感知机的概念，公开演示了它进 行模式识别的能力。1962年，Bernard Windrow和Ted Hoff提出丫 Adaline （tzj适应线性中元 模型）以及一种有效的学习方法，即Windmw-Hoff学习规则，它吋用干自适应滤波、预测和 模型识別。这些模型和算法在很大程度上丰富Y神经网络系统理论。我国的神经网络研究工作起步较晚，始于20世纪80年代末，主要戍用领域幵展了一些 基础性的工作，在1990年12月在北京召开了酋W祌经网络学术人会，丼决定以后每年召开
6、次中国神经网络学术会议。我国的“863”高技术研究计划和“攀登”计划于1990年批准 Y人工神经网络的三项课题，h然科学基金和国防科技预研基地也都把神经M络的研究列入选题指南。许多全国性学术年会和一些学术期刊把祌经M络现论及应川方面的论文列为重 点。这些毫无疑问为神经网络在我国的发展创造了良好的条件。1.3神经网络控制研究的目的和意义随着我国工业和航天事业的不断发展，对调速系统的性能和精度耍求越来越高。无刷直 流电机控制系统足一种新型的凋速系统，该系统其有良好的运行、控制及经济性能，显示出 巨大的发展潜力。在实际的工程操作中，PID控制是应用最为广泛的控制方式，它的控制规律就足用P（比 例）、
7、1（积分）、D （微分）汁算出控制量进行控制的。HD控制器同时具杏结构简单、稳定 性好、工作可靠、调整方便等等优势，故在工业控制中具柯较广泛的应用。然而常规的PID 控制仅对能建立精确数学模型的控制系统具有较好的控制效果，对那些有高度非线性、时 变不确定性和大吋滞对象、难以建立糈确数学模型的控制系统，传统的PID控制器难以有 很好的控制效果。时无刷直流电机山:是一个非线性、多变量、强耦合的控制对象，也难以建 立精确的数学模型。近几I年来迅速发展起来的神经网络在控制系统中的研究取得了较人的发艘，由于它具 有非线性和不确定性，自学习能力较强，可以通过自身学习的过程了解系统的结构和参数, 不耑耍对被
8、控对象建立精确的数学模彻。因此由神经网络构成的控制器具有很好的鲁棒性和 凋节作用。基于PID控制和神经网络控制各I的优势和局限性来看，把传统线性PID控制和神经 网络控制结合起来，使系统的控制性能得到提是一种很实用的控制方法。而且，这种控 制方法在实际的工业生产中已得到了较为成功的应用，具柯很好的应用前景。从传统与现代 控制技水应用的发展历史来肴，虽然未來的控制技木应用领域会越來越宽广，被控对象可以 越来越S杂，扣应的控制技术也会变得越来越精巧。但是，以PID为原理的各种控制器将 是控制中不可或缺的基木控制单元。如何将PID控制器同祌经网络控制更好的结合在一起, 更好地放用于实际控制系统，是控
9、制领域中人们不断研究和探索的重要课题。如果能发现性 能优于PID的控制器，且具科类似HD从于使用的特点，无论在理论还是实践上都将具有 重耍意义。本文共分为四章，主要针对无刷直流电动机凋速系统的基于BP祌经网络PID控制进行 相矢研究。第一章主耍介绍了选题竹景与研究现状；笫二章A介绍了无刷直流电机的基本组 成和工作原理后根据其基本组成构造出无刷且流电机的数学模型（包括电压方程和电磁转矩 方程），丼闹述了无剧S流电机的测速原理；第三章介绍了神经网络，重点说明了利用BP 神经网络进行控制的结构和基木原理；比较了传统PID控制器和基于BP神经网络的HD控 制器原理上的差异，分析了基于BP神经网络PID
10、控制器的结构并给岀控制算法；第四章对 无刷直流电机BP祌经网络PID凋速仿真研究，使用MATLAB/SIMULINK进行了仿真实验, 仿真实验结果表明基于BP神经网络的新型PID控制器扣对于常规PID控制器提高了系统的 魯楠性和动态性能。第二章无刷直流电机原理及数学模型 2.1无刷直流电机的基本组成无刷直流电机主要由电动机木体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。电动机木体 在结构上与永磁M步电动机ffl似，其定子绕组一般制成多相，转子由永久磁钢按一定的极对数（2P = 2,4,图2-1中的电动机木体为三相两极。三相定了绕组分別与电了开关线路中相应的功率开 关器件联接，即A相、B相、C相绕组分
11、別与功率开关管VI、V2、V3相接，位置传感器 的跟踪转了部分与电机转轴相连接。当定子绕组的某一相通电吋，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作川，产 中转矩，驭动转子旋转，再由位S传感器将转子磁钢位S变换成电信号，來控制电子幵关线 路，从而使定子各相绕组按一定顺序导通，定子相屯流随转子位置的变化时按一定的次序换 相。电了开关线路的导通次序与转了转角同步，它起到丫与机械换向器相同的换向作川。无刷直流电机，就其基本结构而言，讨认为是一台由电子开关线路、永磁式同步电动机 以及位H传感器三者组成的“电动机系统”，其原理桐图如图2-2所示。图2-2无刷直流电机系统构成框图就结构而言，直流电机从电
12、驯向外看巫然是直流的，但从电刷向内看，电椒绕组中的感 应电势和流过的电流完全是交变的。从电枢绕组和定子磁场之间的相互作川看实际上是一台 电励磁的同步电机，这台同步电机和且流电源之间足通过换向器和电刷联系起来的。在电动 机运行方式下，换向器起逆变器作川，把电源直流逆变为交流送入电枢绕组，在发电机运行 方式K,换向器起整流器作川，将电枢中发出的交流电整流成直流供给外部负载。电刷则不 仅引导/电流，更重要的足它的位置决记r电椒绕组中电流换向的地点，从而决定了电枢磁 势的空间位置，即起到/电椒电流换向位置和电椒磁场空间位置检测的作用。由于换向器和 电刷的有效配合，使得励磁磁通和电枢磁势能在空间始终保持
13、乖且关系，以利最人限度地产 生有效转矩。无刷且流电机电子开关线路足用来控制电动机定子上各相绕组通电的顺序和吋间，主要 由功率逻辑开关单元和位置传感器信号处现单元两个部分组成。功率逻辑开关单元足控制电 路的核心，艽功能是将电源的功率以一定逻辑关系分配给无刷直流电机定了上各相绕组，以 便与转子永磁磁场相亙作川产生持续不断的恒定转矩。而各相绕组导通的顺序和时间主要取 决于来自位置传感器的倍号。似位置传感器产生的倍号一般不能直接用來控制功率逻辑开关 单元，彳t柱要经过一定逻辑处现后才能去控制逻辑开关单元。综上分析，组成无刷直流电机 各主要部件的框图如图2-3所示。图2-3无刷直流电动机的组成框图2.2
14、无刷直流电机的工作原理一般的永磁有刷直流电动机的定子山永久磁钢组成,其主要作用是在电动机气隙中产生 磁场。K电枢绕组通电P产生反俺磁场。由于电刷换hd作用，使得这两个磁场的方hd在直流 电动机运行的过程中始终保持相互乖直，从而产生最人转矩而驱动电动机不停地运转，无刷 直流电机为了实现无电刷换hd,首先要求把S流电动机的电枢绕组放在定子上，把永磁磁钢 放在转子上，这与传统且流永磁电动机的结构刚好相反。无刷直流电机除了曲定子和转子组 成电动机的本体外，还耍由位置传感器、控制电路以及功率逻辑幵欠;ItM构成的换叫装置, 使得无刷且流电机在运行过程中定子绕组所产生的磁场和运动中的转子磁钢产中的永磁磁
15、场，在空间始终保持在P/2)rad左右的电角度。I冬I 2-4三相全桥电路三相企桥式y接电机，理想状况下任意时刻冇两相导通，形成电路通路。霍尔传感器在电机转动一周的过程中输出6种状态。以图2-4的逆变桥为例，位置传感器输出状态1下 V6和VI导通，状态2下VI和V2导通，状态3下V2和V3导通，4犬态4下V3和V4导 通，状态5卜 V4和V5导通，状态6卜 V5和V6导通，如表2-1所示。表2-1导通功率管与定子合成磁动势对应表定子合成磁势2Fa,导通的功率管TJs每个状态持绒:（/3）rad电角度，这样就在空间上分成6个区间如阁2-5所示，与之ffl对应转子在相应的区间转动，图2-6是在表2-1的功率管开关逻辑作用下三相绕组的导通 示意图。2图2-5定了磁势相呈图图2-6无刷直流电机相电流波形图一个周期内，每个功率管导通2;z73电角度，逆变桥为横hd换相方式。定子绕组每个周 期:ll:、反导通各电角度，正、反电流之间间隔2;r/3电角度。任一时刻定子有两相绕组通电并产牛定子磁动势，随着转子位a信号的变化，定子合成磁动势2;z73为步长，转子磁场在定子磁动势的作川k与之同步旋转。2.3无刷直流电机的数学模型以两极三相无刷直流电机为例来说明数学模型的建立过程。电机定子绕组为接集中整距绕纟II,转子采用隐极内转子结构，3个植尔元件在空间相隔120
