基于PLC的PID自适应控制器在调速系统中的应用

HEATS

1 引言
  系统是针对制氧机厂W160型落地镗床X、Y、Z3个进给最高转速为3 000r/min，最低转速≤30r／min的直流电动机，实现静态无静差S=0、调速范围D≥1 000；动态电流超调量σι／％≤5％、速度超调量σn％≤10％无级调速系统。直流可逆双闭环调速系统中，需要两级PID控制器进行调节，但要实现如此高精度的调速，单纯采用常规的PID控制器，很难达到系统的要求。随着神经网络理论的发展，将应用最广泛的PID控制器与具有自学习功能的神经网络相结合，已成为智能控制的一个新方向，并在这一方面取得了一些研究成果 [2，3]。其中由单神经元构成的PID自适应控制器，是将PID控制规律融进神经网络之中，实现神经网络与PID控制规律的本质结合，共同完成PID白适应调节。其网络结构如图1—1所示，它是由比例、积分、微分2个单元组成的一种动态前向网络，各层神经元个数、连接方式、连接权值是按PID控制规律的基本原则和已有的经验确定的，能够保证系统的稳定和快速收敛。文中用PLC实现神经网络PID自适应控制，并应用于直流逻辑无环流可逆调速控制系统，使系统的控制精度达到了只有理论上才能实现的无静差。

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2 PLC控制系统的组成
  根据W160型落地镗床直流调速系统动、静态性能指标的要求，考虑到该设备的控制设备、器件数量多、对系统运行安全可靠提出的更高要求，采用高可靠性的PLC作为控制核心，以晶闸管为执行机构的直流调速控制系统，取代原设备的交流电动机一发电机一直流电动机庞大的调速系统。PLC实现的调速系统如图2—1所示。系统主要由两部分构成，系统框图如图2—2所示。其中PLC实现神经网络PID自适应控制器与逻辑无环流双闭环的控制部分，长划线一点一点虚线框内为(V--M)三相桥式晶闸管一电动机系统，GT为V--M系统的晶闸管触发电路，它由硬件实现。短划线虚线框内为换向软开关，由PLC软件实现。

　该系统为速度、电流双闭环调速系统，也就是说PLC对这3个模拟输入信号分别进行速度调节器和电流调节器相串联的两级PID运算，向晶闸管的触发电路给出移相电压信号。所以，系统跟随的快速性及控制精度关键取决于PID调节器的设计和调节精度。采用单神经元组成的PID自适应控制器，既有传统PID控制器的优点，又有神经网络的并行结构和学习记忆功能，并且结构简单，易于实现，所以它更适合于控制系统。
3　PID自适应控制器　　
    常规PID控制算法为：

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式（3-2）中T为采样周期，K_p是比例系数，K₁=K_p=T_I是积分比例系数，K_D＝K_PT_D是微分比例系数。
　　根据上式，组成由两层线性神经网络构造的控制器，如图1—1所示。

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　以梯度法可得神经网络PID控制系数修正式：

其中r为系统给定值，Y为系统输出值，L_r为学习步长：0＜L_r＜1
　　对于W_i的初值及学习步长，它不仅关系到是否达到全局最小点，而且也影响学习时间的长短^［4］。对于该文所针对的高精度、快响应系统尤为重要。
4　基于PLC的自适应控制方法　　
　　在直流双闭环调速系统中，为了提高系统响应的快速性和限流的必要性，电流内环仍然采用传统的PI调节器，而转速环则采用神经网络PID自适应控制器，以提高系统的鲁棒性。这两级相串联的PID运算都由PLC实现，把这一运算环节作为中断程序来处理。PLC的PID自适应控制中断处理子程序流程如图4—1所示。

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　根据系统所要实现的功能以及PLC顺序执行程序的特点，编写PLC的程序。
　　选用西门子公司S7—200系列的PLC进行系统配置。根据逻辑无环流可逆直流调速系统实际运行的要求，PLC主要实现了两级串联PID自适应调节及逻辑换向。同时，还实现了系统保护功能和系统显示功能。
5　结束语　　
　　用PLC实现的神经网络PID自适应控制器应用于调速系统，控制精度高，而且经济可靠、抗干扰能力强，在允许负载、电枢电阻和转动惯量变化的范围内，都能保持响应的快速性以及无静差、无超调的优良性能。它特别适用于机床控制系统，既可以实现调速部分，同时也可利用PLC顺序控制的应用特点，替代其余的继电器控制部分，这样可使系统结构紧凑，便于维护。

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