一種基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自整定pid發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明是一種發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)，尤其是基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自整定PID數(shù)碼發(fā)電 機(jī)智能控制系統(tǒng)及相應(yīng)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 發(fā)電機(jī)組主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和電控系統(tǒng)組成，能將燃油的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能， 具有廣泛的應(yīng)用，例如：應(yīng)急用電、野外作業(yè)、災(zāi)害救治、戶外生活及旅行、游艇及車輛自備 電源、移動(dòng)通訊基站等諸多場(chǎng)合。
[0003] 在傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用多極永磁發(fā)電機(jī)的數(shù)碼發(fā)電機(jī)組引入了電力電子 技術(shù)，將發(fā)電機(jī)技術(shù)擴(kuò)展為發(fā)電機(jī)電源技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了發(fā)電機(jī)的高性能化。數(shù)碼發(fā)電機(jī)組中 的核屯、部件是逆變控制器，逆變控制器是高速發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)和多級(jí)永磁發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng) 的集成，逆變控制器采用前級(jí)整流、后級(jí)逆變的A-D-A逆變方式，或者只采用整流和穩(wěn)壓技 術(shù)，使得永磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、氣隙磁場(chǎng)與輸出電壓之間沒(méi)有了直接的聯(lián)系，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速及磁 場(chǎng)變化不會(huì)再對(duì)輸出電壓造成大的直接性的波動(dòng)，在高速發(fā)動(dòng)機(jī)電子調(diào)速控制的配合下， 能夠在各種轉(zhuǎn)速下將多極永磁發(fā)電機(jī)輸出的=相中頻交流電轉(zhuǎn)換為電壓穩(wěn)定的單相工頻 交流電或直流電，大大提高了發(fā)電機(jī)組的能量密度、效率和輸出技術(shù)指標(biāo)。
[0004] 電子調(diào)速的數(shù)碼發(fā)電機(jī)組通常采用PID閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，PID控 制系統(tǒng)由比例單元P、積分單元I和微分單元D組成，PID控制器根據(jù)系統(tǒng)檢測(cè)或操作偏差， 通過(guò)Kp，Ki和KdS個(gè)參數(shù)的設(shè)定，利用比例、積分和微分運(yùn)算獲得所需調(diào)節(jié)量W對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行 反饋控制。由于PID控制器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、魯椿性強(qiáng)、可靠性高、為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)人員所 熟悉等優(yōu)點(diǎn)，目前絕大部分?jǐn)?shù)碼發(fā)電機(jī)組都采用PID閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣口開(kāi)度進(jìn) 行實(shí)時(shí)控制，調(diào)速系統(tǒng)的最終控制目標(biāo)是要讓發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的功率與發(fā)電機(jī)所加負(fù)載功率一 致，使加、卸載時(shí)逆變控制器輸出電壓穩(wěn)定，并且要保證發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，不能游車或焰火。 但是常規(guī)PID控制有許多不完善之處，其中最主要的問(wèn)題就是PID控制器Kp，Ki和K個(gè) 參數(shù)的整定問(wèn)題，且一旦整定計(jì)算好后，在整個(gè)控制過(guò)程中該=個(gè)參數(shù)都是固定不變的，而 實(shí)際中，由于發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣燃燒做功過(guò)程非常復(fù)雜，尤其當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)零部件狀態(tài)加工制造誤 差較大時(shí)，將出現(xiàn)更為復(fù)雜的非線性時(shí)變系統(tǒng)特征，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩和轉(zhuǎn)速受多種因素影 響而無(wú)法精確建模，在某種狀態(tài)和環(huán)境下整定計(jì)算出的PID控制器參數(shù)，一旦工作環(huán)境或 大批量生產(chǎn)時(shí)發(fā)電機(jī)組零部件狀態(tài)發(fā)生變化，該些設(shè)定好的控制器參數(shù)就不適用了，常規(guī) PID控制系統(tǒng)就很難達(dá)到最佳的控制效果，數(shù)碼發(fā)電機(jī)組容易出現(xiàn)焰火、游車和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速偏 差大等問(wèn)題。
[0005] 本專利正是著眼于數(shù)碼發(fā)電機(jī)組所采用的常規(guī)PID控制器的不足，利用人工神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)功能自動(dòng)整定PID控制器參數(shù)，將人的智能W非線性控制形式引入到控制器 的設(shè)計(jì)中，從而將數(shù)碼發(fā)電機(jī)組的常規(guī)PID控制器改進(jìn)為智能PID控制器，使得在發(fā)電機(jī)組 狀態(tài)或工作環(huán)境等系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，PID控制器的控制參數(shù)Kp，Ki和K d能夠隨之自動(dòng)調(diào) 整，使系統(tǒng)在任何運(yùn)行狀態(tài)下均能得到遠(yuǎn)比傳統(tǒng)PID控制更好的控制性能，大大提高了控 制系統(tǒng)的魯椿性和工作可靠性，并使控制精度大大提高，增加了發(fā)電機(jī)組的能源利用效率， 減少了發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放，降低了噪聲和振動(dòng)。此外本專利控制系統(tǒng)采用了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn) 練與識(shí)別控制分離的方式，大大降低了控制系統(tǒng)的成本，具有很高的性價(jià)比。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，提供一種基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自整 定PID發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)。
[0007] 為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，達(dá)到上述技術(shù)效果，本發(fā)明通過(guò)W下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)： 一種基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自整定PID發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)主要包括人工神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)控制模塊、PID控制模塊、狀態(tài)檢測(cè)模塊、執(zhí)行模塊和發(fā)電機(jī)輸出模塊，其中： 所述發(fā)電機(jī)輸出模塊將發(fā)電機(jī)輸出的=相中頻交流電轉(zhuǎn)換為單相工頻交流電/直流 電并形成包含發(fā)電機(jī)輸出電壓和/或電流信息的輸出信號(hào)yout，所述輸出信號(hào)yout作為反 饋信號(hào)與該控制系統(tǒng)的輸入端相連； 所述輸出信號(hào)yout與控制系統(tǒng)輸入端的預(yù)設(shè)輸入信號(hào)rin運(yùn)算處理后得到偏差信號(hào)error,所述偏差信號(hào)error與PID控制模塊的輸入端相連； 所述狀態(tài)檢測(cè)模塊對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)和/或外部工作環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)，并將檢測(cè)到的狀態(tài)信 號(hào)連接傳遞到人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制模塊的輸入端； 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制模塊W該控制系統(tǒng)的內(nèi)部信號(hào)和/或狀態(tài)檢測(cè)模塊的輸出信號(hào)作 為輸入向量，并在所述人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制模塊的輸出端輸出S個(gè)控制參數(shù)化、Ki和Kd，所 述控制參數(shù)Kp、Ki和Kd作為PID控制模塊中PID數(shù)學(xué)控制模型的控制參數(shù)； 所述PID控制模塊根據(jù)所述偏差信號(hào)error，并通過(guò)所述的S個(gè)控制參數(shù)Kp，Ki和Kd的 設(shè)定，利用比例、積分和微分運(yùn)算W獲得PID控制模塊的輸出信號(hào)U，所述輸出信號(hào)U與執(zhí)行 板塊的輸入端相連。
[0008]進(jìn)一步的，所述狀態(tài)檢測(cè)模塊至少對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速《和環(huán)境溫度T進(jìn)行檢測(cè)，并將 檢測(cè)到的轉(zhuǎn)速《信號(hào)和溫度T信號(hào)連接傳遞到人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制模塊的輸入端。
[0009]進(jìn)一步的，所述人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制模塊的輸入端還連接有預(yù)設(shè)輸入信號(hào)rin，所述 預(yù)設(shè)輸入信號(hào)rin、輸出信號(hào)yout、轉(zhuǎn)速《信號(hào)和溫度T信號(hào)作為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制模塊 的輸入向量，所述人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制模塊的輸出端輸出S個(gè)控制參數(shù)Kp、Ki和Kd。
[0010] 進(jìn)一步的，所述人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制模塊由人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP算法的前向算法和經(jīng) 過(guò)訓(xùn)練的人工神經(jīng)元構(gòu)成。
[0011] 進(jìn)一步的，所述人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制模塊由計(jì)算機(jī)中經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)移植 獲得，其過(guò)程主要包括： 步驟1)在計(jì)算機(jī)中構(gòu)建采用BP算法的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和PID控制模塊的數(shù)學(xué)控制模型， 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入向量包括；預(yù)設(shè)輸入信號(hào)rin，輸出信號(hào)yout、轉(zhuǎn)速《信號(hào)和溫度T信 號(hào)，輸出向量包括；PID控制模塊的S個(gè)控制參數(shù)Kp，Ki和Kd; 步驟2)W所獲得的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出向量Kp，Ki和Kd作為PID數(shù)學(xué)控制模型的控制 參數(shù)，在計(jì)算機(jī)上利用比例、積分和微分運(yùn)算W獲得PID控制模塊的輸出信號(hào)U，將此輸出 信號(hào)U與實(shí)際系統(tǒng)執(zhí)行模塊的步進(jìn)電機(jī)相連，步進(jìn)電機(jī)用來(lái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣口開(kāi)度，W計(jì) 算機(jī)PID控制模塊的輸出信號(hào)U對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率進(jìn)行實(shí)時(shí)控制； 步驟3)W發(fā)電機(jī)組額定輸出功率確定若干個(gè)檢測(cè)和學(xué)習(xí)的穩(wěn)態(tài)工況點(diǎn)，并在各工況點(diǎn) 之間進(jìn)行加載和卸載操作，當(dāng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行在該些工況時(shí)，計(jì)算機(jī)上的控制系統(tǒng)程序?qū)控 制周期相對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔對(duì)輸入信號(hào)rin，輸出信號(hào)yout、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速《和環(huán)境溫度T進(jìn) 行實(shí)時(shí)采樣并存儲(chǔ)，在各種環(huán)境溫度下，通過(guò)對(duì)多臺(tái)發(fā)電機(jī)組反復(fù)多次地改變運(yùn)行工況，人 工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可W獲得充分的訓(xùn)練樣本； 步驟4)把采樣得到的樣本輸入至計(jì)算機(jī)中的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn) 練，訓(xùn)練完成后，把經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的人工神經(jīng)元的結(jié)果輸出為矩陣保存； 步驟5)把計(jì)算機(jī)中采用BP算法的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)前向算法和輸出的人工神經(jīng)元矩陣移 植到實(shí)際控制系統(tǒng)的MCU巧片中。
[0012] 進(jìn)一步的，所述人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包括輸入設(shè)定預(yù)處理、前向計(jì)算和誤差反向傳播； 所述輸入設(shè)定預(yù)處理方式為： 1) 對(duì)采樣得到的訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理； 2) 初始化權(quán)值^^:和巧^^_，[本^是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層和隱含層之間的權(quán)值，巧；^是人工 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱含層和輸出層之間的權(quán)值； 所述前向計(jì)算方式為： 1) 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱含層第j個(gè)神經(jīng)元的輸入為：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自整定PID發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)主要包括人工神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制模塊、PID控制模塊、狀態(tài)檢測(cè)模塊、執(zhí)行模塊和發(fā)電機(jī)輸出模塊，其特征在于： 所述發(fā)電機(jī)輸出模塊將發(fā)電機(jī)輸出的三相中頻交流電轉(zhuǎn)換為單相工頻交流電/直流 電并形成包含發(fā)電機(jī)輸出電壓和/或電流信息的輸出信號(hào)yout，所述輸出信號(hào)yout作為反 饋信號(hào)與該控制系統(tǒng)的輸入端相連； 所述輸出信號(hào)yout與控制系統(tǒng)輸入端的預(yù)設(shè)輸入信號(hào)rin運(yùn)算處理后得到偏差信號(hào) error，所述偏差信號(hào)error與PID控制模塊的輸入端相連；