【正文】 如下： (37)其中： 這里的分別為積分、比例、微分的學(xué)習(xí)速率，K為單神經(jīng)元的比例系數(shù)(K0)。對(duì)積分I，比例P和微分D分別采用了不同的學(xué)習(xí)速率，以便對(duì)不同的權(quán)系數(shù)進(jìn)行調(diào)整。 采用二次型性能指標(biāo)的學(xué)習(xí)算法在最優(yōu)控制理論中，采用二次型性能指標(biāo)來計(jì)算控制規(guī)律可以得到期望的優(yōu)化結(jié)果，在神經(jīng)元學(xué)習(xí)算法中，也可以借用最優(yōu)控制中二次型性能指標(biāo)的思想，在突觸權(quán)值的調(diào)整中引入二次型性能指標(biāo)來調(diào)整突觸權(quán)值，從而間接實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出誤差的約束控制。對(duì)于同一系統(tǒng)，若選擇的目標(biāo)函數(shù)不同，則可能得到不同的最優(yōu)控制。若定義性能指標(biāo)為： (38)突觸權(quán)值的調(diào)整量為 (39)式中為學(xué)習(xí)速率。將式(34)和式(35)代入式(39)可得各權(quán)值增量表達(dá)式： (310) 式中、分別表示積分、比例和微分學(xué)習(xí)效率。通常是未知的，可以用近似符號(hào)函數(shù)代替，即： (311)由此帶來的計(jì)算不精確可以通過調(diào)整學(xué)習(xí)速率來補(bǔ)償。對(duì)上述算法進(jìn)行規(guī)范整理后，可以得到學(xué)習(xí)算法如下： (312) 單神經(jīng)元PID控制的參數(shù)調(diào)整PID控制器參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)和微分時(shí)間常數(shù)的大小。通常用的整定方法很多，主要有兩大類：一是理論計(jì)算整定法。它是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，采用控制理論中的一些方法，經(jīng)過理論計(jì)算確定控制器的參數(shù)。這種方法計(jì)算繁瑣，依賴于系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，而且計(jì)算出來的參數(shù)未必可以直接應(yīng)用，還必須通過實(shí)際的調(diào)整和修改。二是工程整定的方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在系統(tǒng)試驗(yàn)調(diào)試時(shí)進(jìn)行參數(shù)整定，方法簡單，在實(shí)際設(shè)計(jì)中被廣泛地采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例度法，響應(yīng)曲線法和衰減曲線法等。在實(shí)際的控制系統(tǒng)中，許多被控系統(tǒng)具有高度的非線性、時(shí)變不確定性和純滯后等特點(diǎn)，這就要求在PID控制中，不僅PID的參數(shù)整定不依賴對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，而PID參數(shù)能夠在線整定，以滿足實(shí)時(shí)控制的要求。PID控制器在工程實(shí)踐中用途廣泛，但它不適用于參數(shù)時(shí)變對(duì)象或參數(shù)攝動(dòng)較大的對(duì)象。而單神經(jīng)元控制器是一類在線自適應(yīng)PID控制器，這給參數(shù)的整定問題帶來了方便。單神經(jīng)元PID控制器學(xué)習(xí)算法的運(yùn)行效果與可調(diào)參數(shù)的選取有很大關(guān)系。通過大量仿真和試驗(yàn)研究，總結(jié)出參數(shù)調(diào)整規(guī)律如下：1)初始突觸權(quán)值的選擇：控制器第一次運(yùn)行時(shí)、可以任意選取，軟起動(dòng)結(jié)束后，控制器將突出權(quán)值記錄在ROM中，下一次起動(dòng)時(shí)，讀取上次記錄的值作為初始突觸權(quán)值，從而得到優(yōu)化后的參數(shù)和更好的起動(dòng)性能。2)增益K值的選擇：是系統(tǒng)最敏感的參數(shù)，值增大/減小相當(dāng)于P、I、D三項(xiàng)同時(shí)增大/減小。較小時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)慢，超調(diào)量減?。惠^大時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)快，但超調(diào)量增大，調(diào)整時(shí)間加長；過大時(shí)，容易產(chǎn)生振蕩?？上却_定一個(gè)增益，在根據(jù)仿真與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。對(duì)階躍輸入，若輸出有較大的超調(diào)，應(yīng)減?。蝗羯仙龝r(shí)間長，無超調(diào)，應(yīng)增大。3)學(xué)習(xí)速率、的選擇：，選擇較小值，當(dāng)調(diào)整、使被控對(duì)象具有良好的動(dòng)、穩(wěn)態(tài)性能后，在逐漸增大，使系統(tǒng)輸出基本無紋波。，超調(diào)量大，應(yīng)減小，而、不變；反之，上升時(shí)間長，無超調(diào)，應(yīng)增加，而、不變。，可增大、。，此后又緩慢上升到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間太長，則可減少，增強(qiáng)積分項(xiàng)的作用。，學(xué)習(xí)速率不能過大，否則神經(jīng)元調(diào)節(jié)器易超調(diào)；學(xué)習(xí)速率也不能過小，否則神經(jīng)元調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)過程緩慢。從系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)可以看出，單神經(jīng)元控制器按照常規(guī)PID控制器的控制機(jī)理進(jìn)行控制，不僅具有神經(jīng)元的特性，而且還結(jié)合了傳統(tǒng)PID控制器的特點(diǎn)。在單神經(jīng)元控制算法中，的選取非常重要。但在這種控制算法中，權(quán)值的調(diào)整是依照外界環(huán)境不斷達(dá)到控制效果的，權(quán)值自校正會(huì)比較慢，因此考慮將K值用一個(gè)逐步衰減的系數(shù)帶入，即為： (313)式中為的穩(wěn)態(tài)值，為待定系數(shù)，一般為的十分之一左右。從式中可以看出當(dāng)偏差較大且大于零時(shí)，值變大，控制增量增加，提高了響應(yīng)速度；當(dāng)偏差為比較大的負(fù)數(shù)時(shí)，值變小，控制增量減小，使輸出迅速降低，保證了響應(yīng)不出現(xiàn)過大的超調(diào)；在穩(wěn)態(tài)附近，隨著偏差趨近為零，值逐漸接近穩(wěn)態(tài)值，保證了算法的特性。取偏差的三次方是為了增強(qiáng)偏差變化對(duì)的作用，比直接采用偏差效果更好。選用上述的非線性變換在線修正方法的單神經(jīng)元控制器的極大優(yōu)點(diǎn)是只需整定一個(gè)參數(shù)即神經(jīng)元放大比例系數(shù)初值，易于收斂，過渡過程短，不易振蕩及發(fā)散，易于控制實(shí)現(xiàn)。對(duì)于的整定方法如下：為防止設(shè)置過大而達(dá)不到穩(wěn)態(tài)值，或輸出產(chǎn)生振蕩，的整定應(yīng)該逐漸增大。確定最終值方法：在系統(tǒng)階躍輸入擾動(dòng)情況下，當(dāng)輸出超調(diào)過大或振蕩時(shí)，應(yīng)適當(dāng)減??；當(dāng)輸出跟蹤不上設(shè)定值時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增大；若控制量持續(xù)增長到輸出上限值，表明設(shè)置過大，應(yīng)大幅度降低；若控制量變化甚微，控制量持續(xù)緩慢增長或緩慢降低，表明設(shè)置過小，神經(jīng)元已經(jīng)喪失學(xué)習(xí)能力，應(yīng)大幅度增加。 單神經(jīng)元PID控制軟件流程圖310 單神經(jīng)元PID控制算法流程圖軟起動(dòng)控制算法中單神經(jīng)元 PID控制器采用有監(jiān)督的Hebb學(xué)習(xí)規(guī)則。單神經(jīng)元PID控制算法流程圖如圖310所示?？刂扑惴鞒倘缦拢?1)設(shè)定權(quán)系數(shù)初值，賦值給、。一般地，權(quán)系數(shù)初值采用上次軟起動(dòng)中存入ROM的權(quán)值；若該軟起動(dòng)控制器為第一次起動(dòng)，則使用三個(gè)任意數(shù)。(2)根據(jù)系統(tǒng)偏差，求取。(3)計(jì)算控制信號(hào)，從而得到輸出給功率變換單元的給定。(4)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集測(cè)得電機(jī)起動(dòng)電流。(5)由實(shí)際起動(dòng)電流和給定電流計(jì)算誤差，修正權(quán)系數(shù)，；若實(shí)際起動(dòng)電流與給定值相符時(shí)，穩(wěn)定不變。(6)回到步驟2直到穩(wěn)定不變。由于單神經(jīng)元PID控制算法需要一個(gè)在線自學(xué)習(xí)的過程，所以單神經(jīng)元PID算法比常規(guī)PID稍慢。一般地，可以適當(dāng)增大K(單神經(jīng)元增益系數(shù))，當(dāng)然，這有可能帶來微小的超調(diào)；還可以在試驗(yàn)中設(shè)定一定的誤差閥值，如果電機(jī)起動(dòng)電流誤差在閥值范圍內(nèi)，則單神經(jīng)元PID控制器不進(jìn)行突觸權(quán)值等參數(shù)的調(diào)整，這樣可以在一定程度上減少微處理器的計(jì)算量。4 系統(tǒng)仿真與試驗(yàn) 系統(tǒng)仿真系統(tǒng)仿真采用Matlab及其工具箱Simulink。Simulink中的電氣系統(tǒng)模塊庫(Power System Blockset)涵蓋了電路、電力電子、電氣傳動(dòng)和電力系統(tǒng)中常用的基本元件和模塊，該模塊庫是在電機(jī)仿真時(shí)經(jīng)常使用的。本節(jié)對(duì)可變電抗式軟起動(dòng)進(jìn)行了仿真研究，闡述了軟起動(dòng)主要環(huán)節(jié)模塊的處理[26]，包括：三相交流電壓源、同步脈沖發(fā)生、可變電抗器、三相交流調(diào)壓模塊、異步電機(jī)及測(cè)量、電流反饋和控制器等環(huán)節(jié)。建立了完整的仿真系統(tǒng)模型，給出了仿真結(jié)果。 主要環(huán)節(jié)的仿真圖41 三相交流電壓源仿真模型(1)三相交流電壓源的仿真模型使用三個(gè)單相交流電源按星形連接，通過設(shè)定正確的相位順序和幅值關(guān)系，加以組合構(gòu)成，并封裝成模塊，如圖41所示。(2)異步電機(jī)的仿真模型圖42 異步電機(jī)仿真模型MATLAB/Simulink中的電力系統(tǒng)模塊庫功能非常強(qiáng)大，可以用于電路、電力電子系統(tǒng)、電機(jī)系統(tǒng)和電力傳輸?shù)冗^程的仿真，它提供了一些常用的電機(jī)仿真模塊，異步電機(jī)仿真模型如圖42所示。輸入A、B、C和輸出a、b、c分別對(duì)應(yīng)定子和轉(zhuǎn)子的三相線路連接，模塊內(nèi)部定子和轉(zhuǎn)子的三相繞組都設(shè)定為星形接法，中性點(diǎn)不能為外部所用，轉(zhuǎn)子的輸出通常直接短接或者也可和外部電路相連，Tm為電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩輸入，m為含有21個(gè)電機(jī)量的矢量輸出?！癕achines Measurement Demux”為電機(jī)測(cè)試信號(hào)分路器，其作用是將各路信號(hào)分離出來，如定、轉(zhuǎn)子三相電流，電機(jī)轉(zhuǎn)速，電磁轉(zhuǎn)矩等，以便直接接示波器或Simulink輸出端子進(jìn)行顯示。雙擊該模塊，即可以對(duì)需要觀測(cè)的輸出信號(hào)進(jìn)行選擇。圖中，我們?cè)O(shè)置的觀測(cè)量為：定子電流，這些輸出可用仿真示波器直接予以觀測(cè)。雙擊圖中的異步電機(jī)模型，在彈出的對(duì)話框中可以對(duì)電機(jī)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括：繞組類型( Rotor type)，參考坐標(biāo)系(Reference Frame)，額定功率Pn，線電壓Vn，頻率fn，定子電阻Rs和漏感L′1s，轉(zhuǎn)子電阻Rr和漏感L1r，互感Lm，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(inertia)J，摩擦系數(shù)F和極對(duì)數(shù)P等。這里我們?cè)O(shè)定的電機(jī)參數(shù)如下：，額定電壓380V，額定轉(zhuǎn)速1430m/min，r1=，r2=，np=2，L1=，L2 =，Lm=，J=﹒m2，T1=﹒m。(3)同步環(huán)節(jié)模塊圖43 同步環(huán)節(jié)仿真模型三相交流調(diào)壓電路的控制角α=0的點(diǎn)定在各相電壓過零點(diǎn)，因而同步信號(hào)應(yīng)取電源相電壓信號(hào)，其內(nèi)部模型如圖43所示，含有三個(gè)輸入端口A、B、C，三個(gè)輸出端口ABC1。由于電氣系統(tǒng)模塊本質(zhì)上同常規(guī)Simulink模塊是有區(qū)別的，涉及到兩類模塊之間的信號(hào)流動(dòng)，必須使用中間接口模塊，因而這里使用了電壓測(cè)量模塊作為輸入電氣信號(hào)和輸出Simulink信號(hào)的中間接口。(4)脈沖發(fā)生模塊交流調(diào)壓的觸發(fā)電路由同步、鋸齒波形成和移相控制等環(huán)節(jié)組成，如圖44所示。電路的輸入端In1是同步電壓輸入端，同步電壓經(jīng)延遲Relay環(huán)節(jié)產(chǎn)生與同步電壓正半周等寬的方波，該方波經(jīng)斜率設(shè)定(Rate Limiter)產(chǎn)生鋸齒波，鋸齒波與移相控制電壓(輸入端In2)疊加調(diào)節(jié)鋸齒波的過零點(diǎn)，再經(jīng)延遲Relay1產(chǎn)生前沿可調(diào)，后沿固定的晶閘管觸發(fā)脈沖[27]。圖44 脈沖發(fā)生環(huán)節(jié)仿真模型(5)三相交流調(diào)壓環(huán)節(jié)圖45 反并聯(lián)晶閘管分支電路模型三相交流調(diào)壓環(huán)節(jié)由三組反并聯(lián)晶閘管組成，反并聯(lián)晶閘管分支電路如圖45所示。 分支電路的In1端和Out1端分別是晶閘管雙向開關(guān)的輸入和輸出端，In2和In3分別是兩個(gè)晶閘管的觸發(fā)端，Out2用于觀察晶閘管兩端的電壓和電流。(6)可變電抗器圖46 電抗器仿真模型可變電抗器內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理與變壓器相似，主要是在電路中的連接方式與控制方式?jīng)Q定了它的作用在于高壓側(cè)電抗的可控改變。SimPowerSystems模塊庫的Elements 中提供了3Phase Transformer 12terminals，可以滿足要求，其仿真模型如圖46所示。(7)軟起動(dòng)控制器軟起動(dòng)有多種方式，我們主要針對(duì)恒流起動(dòng)進(jìn)行仿真。電機(jī)起動(dòng)過程中電流首先以較快速度達(dá)到最大值，之后此電流開始衰減，起動(dòng)電壓逐步上升，最終，電流降到額定值，電機(jī)電壓達(dá)到額定值。據(jù)此建立的封裝模塊內(nèi)部模型如圖47所示。該仿真模型包括兩個(gè)部分：狀態(tài)變量轉(zhuǎn)換和S函數(shù)[28]。狀態(tài)變量轉(zhuǎn)換部分，按照式(33)，由In1輸入的偏差得到偏差的一階差分和二階差分，作為神經(jīng)元學(xué)習(xí)算法所需要的輸入量，該部分主要由兩個(gè)Delay延遲環(huán)節(jié)組成。由于PID控制器不能直接用傳遞函數(shù)加以描述，所以引入S函數(shù)，S函數(shù)按照式(37)所述算法編寫。圖47 單神經(jīng)元PID控制器仿真模型(8)電流檢測(cè)模塊控制器中，電流的實(shí)際值由電流檢測(cè)模塊得到。實(shí)際軟起動(dòng)系統(tǒng)中，我們采用兩級(jí)電流互感器取得反饋信號(hào)，經(jīng)整流、濾波等信號(hào)處理環(huán)節(jié)，獲得實(shí)際起動(dòng)電流。而在仿真建模中，附加模塊庫中的測(cè)量子庫(Measurements)提供了測(cè)量模塊(RMS)可直接加以利用，十分方便。 軟起動(dòng)系統(tǒng)的仿真圖48 可變電抗式電機(jī)軟起動(dòng)系統(tǒng)仿真模型綜合以上各模塊，即可得到異步電機(jī)軟起動(dòng)系統(tǒng)的仿真模型如圖48所示。結(jié)構(gòu)劃分與異步電機(jī)軟起動(dòng)系統(tǒng)原理圖基本一致。 仿真結(jié)果利用上述仿真模型。(1)空載全電壓直接起動(dòng)定子電流的波形如圖49所示，轉(zhuǎn)速曲線如圖410所示。電機(jī)開始起動(dòng)瞬間，電流有很大沖擊，，迅速下降到運(yùn)行電流。由轉(zhuǎn)速曲線可以看到。由此可見，全壓直接起動(dòng)帶來了劇烈的電流沖擊和轉(zhuǎn)矩沖擊。圖49 空載全壓起動(dòng)電流仿真波形圖410 空載全壓起動(dòng)轉(zhuǎn)速曲線(2)空載恒流軟起動(dòng)在恒流方式下，起動(dòng)過程的電流波形如圖411所示，轉(zhuǎn)速曲線如圖412所示，數(shù)值仿真算法：ode15s，相對(duì)誤差：1e3，絕對(duì)誤差：1e3。由圖可見，采用恒流軟起動(dòng)后，起動(dòng)電流明顯減小，一直維持在約3倍額定電流以下。起動(dòng)時(shí)間明顯延長至約7s，起動(dòng)過程中電機(jī)轉(zhuǎn)速逐步緩慢上升，達(dá)到了電機(jī)軟起動(dòng)的目的，有效減小了起動(dòng)中的電流沖擊和轉(zhuǎn)矩沖擊。圖412 恒流軟起動(dòng)轉(zhuǎn)速曲線圖411 恒流軟起動(dòng)電流仿真波形從Matlab/Simulink仿真結(jié)果看來，本文所設(shè)計(jì)的可變電抗式軟起動(dòng)控制器的方案是可行的，起動(dòng)過程的電流沖擊明顯改善。為后續(xù)實(shí)際系統(tǒng)的建立與調(diào)試奠定了基礎(chǔ)，并提供了參考依據(jù)。 系統(tǒng)試驗(yàn)系統(tǒng)試驗(yàn)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，試驗(yàn)成功與否意味著系統(tǒng)設(shè)計(jì)成功與否，試驗(yàn)效果體現(xiàn)著系統(tǒng)性能。為了驗(yàn)證我們所設(shè)計(jì)的軟起動(dòng)控制系統(tǒng)能否正常工作，以及工作性能如何，進(jìn)行了系統(tǒng)試驗(yàn)與分析。 系統(tǒng)調(diào)試按照原理圖把整個(gè)軟起動(dòng)系統(tǒng)建立后，在檢查、確認(rèn)接線無誤的情況下，就可以進(jìn)行調(diào)試了。為確保安全，調(diào)試分以下幾步：第一步：微處理器系統(tǒng)調(diào)試。使用系統(tǒng)自檢功能，通過鍵盤輸入和設(shè)置參數(shù)，并使用LED查看相關(guān)信息，保證軟起動(dòng)控制系統(tǒng)核心部分正常工作。第二步：電流、電壓信號(hào)采集電路調(diào)試。電流、電壓信號(hào)采集電路的輸入信號(hào)用調(diào)壓器給定，調(diào)節(jié)輸出信號(hào)范圍在允許范圍內(nèi)。測(cè)量各測(cè)試信號(hào)值和各輸出信號(hào)值，計(jì)算其比例關(guān)系，與控制器軟件內(nèi)參數(shù)相對(duì)應(yīng)。將信號(hào)采集電路與微處理器系統(tǒng)連接，并接入調(diào)試電流和電壓信號(hào)，記錄LED顯示數(shù)據(jù)，檢查A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果與輸入模擬量是否一致，若不一致，則調(diào)節(jié)參數(shù)使其對(duì)應(yīng)。第三步：開關(guān)量輸入輸出調(diào)試。調(diào)試時(shí)開關(guān)量輸入用一組乒乓開關(guān)給定，控制器上電運(yùn)行，觀察程序執(zhí)行情況。模擬正常、故障等不同情況，確定程序流程編寫合理。第四步：與功率變換單元聯(lián)調(diào)。功率變換單元的調(diào)試參照功率變換單元使用手冊(cè)調(diào)試，本文不再贅述。然后將控制器與功率變換單元連接起來，控制器輸出給定電壓，功率變換單