摘 要：神經網絡具有自學習、自調整、自適應能力。本文介紹了由PLC控制實現的神經網絡PID自適應控制器。實驗表明，該技術對于提高控制精度是行之有效的。具有在調速系統中推廣應用的價值。
關鍵詞：PLC;PID控制器;神經網絡;直流調速系統
一、引言
雖然目前的交、直流傳動系統都有較成熟的控制方案，采用線性PI或PID 調節器可以取得基本滿意的控制效果。但是，常參數的PID調節器只對線形系統有效，它們的控制性能因為系統的非線性而降低。在電力傳動系統中，雖可以建立電機模型，但是電機本身和負載的一些參數（如交流電機的轉子電阻、拖動負載的轉動慣量）是無法確定的、時變的。電氣設備的機械飽和特性，開關的失控時間、控制延時都是不能精確建模的非線性因素。 然而將模糊與神經網絡技術引入電力傳動系統設計智能控制器卻可以很好地克服電力傳動對象變參數、非線性等問題，大大提高系統的魯棒性。引入模糊與神經網絡技術的主要優點是不需要過程的復雜模型，而且適應性強，容易實現。
本文是將PID控制規律融進神經網絡[3]之中，實現神經網絡與PID控制規律的本質結合，共同完成PID自適應調節，并用PLC實現神經網絡PID自適應控制，確保電力傳動系統的控制精度和可靠性。
二、PID自適應控制器
常規PID控制算法為：
（1） 
用求和代替積分，微分用有限差分代替，即上式為：
（2） 
式中T為采樣周期，KP是比例系數，KI=KP/TI是積分比例系數，KD=KPTD是微分比例系數。
根據上式，組成由兩層線性神經網絡構造的控制器，如圖1所示。它是由比例、積分、微分三個單元組成的一種動態前向網絡，各層神經元個數、連接方式、連接權值是按PID控制規律的基本原則和已有的經驗確定，能夠保證系統的穩定和快速收斂。
圖1神經網絡PID自適應控制器
其中r為系統給定值，y為系統輸出值，d為標定值， Lr為學習步長：0
本文用PLC實現神經網絡PID自適應控制，并應用于直流邏輯無環流可逆調速控制系統，使系統的控制精度達到了只有理論上才能實現的無靜差。考慮到可逆調速控制系統的控制設備、器件數量多、對系統運行安全可靠提出的更高要求，采用高可靠性的PLC作為控制核心，以晶閘管為執行機構的直流調速控制系統，其系統主要由兩部分構成，系統框圖如圖2所示。其中PLC實現神經網絡PID自適應器與邏輯無環流雙閉環的控制部分，長劃線-點-點虛線框內為（V—M）三相橋式晶閘管—電動機系統，GT為V—M系統的晶閘管觸發電路，它由硬件實現。短劃線虛線框內為換向軟開關，由PLC軟件實現。
圖2系統組成框圖
該系統為速度、電流雙閉環調速系統，也就是說PLC對這三個模擬輸入信號分別進行速度調節器和電流調節器相串聯的兩級PID運算，向晶閘管的觸發電路給出移相電壓信號。所以，系統跟隨的快速性及控制精度關鍵取決于PID調節器的設計和調節精度。本系統采用單神經元組成的PID自適應控制器，它即具有傳統PID控制器的優點，又具有神經網絡的并行結構和學習記憶功能，并且結構簡單，易于實現，所以它更適合于控制系統。
四、基于PLC的自適應控制方法
作為現代工業三大支柱（機器人、CAD/CAM、PLC）之一的PLC具有可靠性高、抗干擾能力強、操作靈活簡單、接線簡潔、性價比高等優點，特別是易于擴展、編程簡單、耐惡劣環境能力強等特點，已迅速占領了工業生產自動化領域，成為工業自動化領域的強有力工具。
在PLC中實現神經網絡PID自適應控制，即可減少分接頭數，提高PID調節的快速性和控制精度，又可以保證動作的可靠性，提高系統運行的安全性。
在直流雙閉環調速系統中，為了提高系統響應的快速性和限流的必要性，電流內環仍然采用傳統的PI調節器，而轉速環則采用神經網絡PID自適應控制器，以提高系統的魯棒性。這兩級相串聯的PID運算都由PLC實現，我們把這一運算環節作為中斷程序來處理。PLC的PID自適應控制中斷處理子程序流程圖如圖3所示。
圖3中斷處理子程序流程圖
圖4主程序流程圖
我們選用西門子公司S7-200系列的PLC進行系統配置[5]。根據邏輯無環流可逆直流調速系統實際運行的要求，PLC主要實現了兩級串聯PID自適應調節及邏輯換向原則。同時，還實現了系統保護功能和系統顯示功能。
針對該直流調速系統的控制功能，我們在實驗室進行了帶負載實際運行實驗，實驗直流電動機的額定參數為U =220V I = 12A n =1500轉/分，實驗線路示意圖如圖2所示。實測的機械特性數據如下表所示：
測試結果證實，其靜特性能夠達到只有理論上的無靜差，靜差率S = 0。
其它技術性能指標也均達到了設計要求。
五、結束語
用PLC實現的神經網絡PID自適應控制器應用于傳動調速系統，控制精度高， 而且經濟可靠、抗干擾能力強，在允許負載、電樞電阻和轉動慣量變化的范圍內，都能保持響應的快速性以及無靜差、無超調的優良性能。它特別適用于機床控制系統，它即可以實現調速部分，同時也可利用PLC順序控制的應用特點，替代其余的繼電器控制部分，這樣可使系統結構緊湊，便于維護。
參考文獻
[1] 陳宇編. 可編程序控制器基礎及編程技巧[M]. 上海：華南理工大學出版社,1999
[2] S7—200可編程序控制器系統手冊[Z]. SIMATIC, 1998.
[3] 侯遠龍. 電氣傳動系統PID自適應控制研究[J]. 工業儀表與自動化裝置,2001,2
[4] 曹承志編. 微型計算機控制新技術[M]. 北京：機械工業出版社,2001.
[5] 陳均. 基于S7—200的潛水泵站自動控制技術 [J]. 微計算機信息。2006. 9：140—142.
[6] 陶永華等. 新型PID控制及其應用[M]. 北京：機械工業出版社,1998,9.