摘要：由于超聲波電機具有非線性、時變性、強耦合等特點，增加了它的控制難度，采用PID等常規(guī)控制方法難以滿足較高精度的控制需求。單神經(jīng)元作為一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用形式，具有自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力，而且易于實現(xiàn)。設(shè)計了基于低頻PWM方法的單神經(jīng)元自適應(yīng)PID轉(zhuǎn)速控制策略，構(gòu)建了超聲波電機自適應(yīng)閉環(huán)控制裝置。在一定程度上解決傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)器不易在線實時整定參數(shù)、難于對復(fù)雜控制對象進(jìn)行有效控制的不足。實驗證明，該控制系統(tǒng)具有響應(yīng)迅速、適應(yīng)性強等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：超聲波電機；單神經(jīng)元；自適應(yīng)控制；低頻PWM

中圈分類號：TM359.9    文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A    文章編號：100l-6848（2,010）02-0044-03

    超聲波電機( USM)是一種新型微特電機，由于其不同于傳統(tǒng)電機的諸多特點，使其在非連續(xù)運動及精密運動控制領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。超聲波電機是由兩相幅值相等、相位差一般為90度的高頻正弦電壓驅(qū)動的。驅(qū)動控制單元的性能直接影響超聲波電機的性能，模糊、自適應(yīng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等控制方法。均已應(yīng)用于超聲波電機控制。

  低頻PWM控制方式是超聲波電機控制的一稀新思路。它不是通過改變電機輸入電壓的頻率、幅值、相位來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速控翹目的，而是采用驅(qū)動電壓的通斷控制，能夠簡化電機控制過程的非線性關(guān)系。本文采用這種控制方式，實現(xiàn)了超聲波電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。由于超聲波電機的轉(zhuǎn)速與輸入控制量具有非線性關(guān)系和時變性，采用傳統(tǒng)PID控制不能取得很好的控制效果。單神經(jīng)元作為構(gòu)成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本單位，具有自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力，而且結(jié)構(gòu)簡單、易于在線實現(xiàn)。傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器也具有結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方便等特點，但不易在線實時整定參數(shù)。本文采用單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法，把兩種控制策略的優(yōu)點結(jié)合起來設(shè)計了超聲波電機轉(zhuǎn)速控制裝置，提高了系統(tǒng)自適應(yīng)能力，改善了控制效果。

  本文根據(jù)超聲波電機的驅(qū)動要求，設(shè)計了一種基于直接數(shù)字合成技術(shù)( DDS)的超聲波電機驅(qū)動控制器。結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。以DSP為核心的控制單元主要實現(xiàn)控制、計算和數(shù)據(jù)的采集功能；以CPLD為核心的執(zhí)行單元作為信號發(fā)生器，根據(jù)DSP的傳送的指令或數(shù)據(jù)，產(chǎn)生超聲波電機行波超聲波電機單神經(jīng)元自適應(yīng)控制張春陽，等所需的PWM信號；而驅(qū)動單元實現(xiàn)把四路對稱PWM信號作用于兩相推挽逆變電路及匹配電路，輸出具有一定幅值、頻率和相位差的兩相正弦電壓驅(qū)動超聲波電機。CPLD內(nèi)設(shè)計了SPI通訊端口，DDS信號發(fā)生器的頻率、相位、幅值控制字通過DSP的SPI端口進(jìn)行通訊，并利用DSP的兩位通用GPIO口作為DDS頻率、相位差、幅值控制字的選擇端，來識別傳送控制字的類型。

    圖2給出了基于DDS的對稱PWM信號發(fā)生單元的原理圖。通過設(shè)置DSP的PWM模塊模值寄存器PWMCM和計數(shù)值寄存器PWMVAL，把DSP產(chǎn)生的低頻PWM信號接至PWM，與對稱PWM信號稆與，即可實現(xiàn)低頻PWM通斷控制。

 

   圖3、圖4分別給出了該驅(qū)動控制系統(tǒng)的頻率一轉(zhuǎn)速、低頻PWM占空比一轉(zhuǎn)速特性曲線。

  

    傳統(tǒng)增量式PI調(diào)節(jié)器的算法為

    對于傳統(tǒng)的PI或者PID調(diào)節(jié)器，其參數(shù)在初始化時已經(jīng)設(shè)置好，不便于在線修政，因此當(dāng)控制對象發(fā)生變化時，就不能對控制對象進(jìn)行很好的跟蹤。本文采用單神經(jīng)元自適應(yīng)算法來實現(xiàn)PID參數(shù)的在線調(diào)整，可以使PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)隨被控對象的變化而變化。這是由于神經(jīng)元具有自學(xué)習(xí)功髓，在運行中可以根據(jù)被控對象的變化，對神經(jīng)元的權(quán)值進(jìn)行調(diào)整，使得PID控制器具有自適應(yīng)功能。

  單神經(jīng)元自適應(yīng)PID結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。圖中yr(K)和y(k)分別為控制器的設(shè)定值和輸出， X1 (k)，X2(k)，x3（k）分別為神經(jīng)元學(xué)習(xí)控制所需要的狀態(tài)變量：

    圖5單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器結(jié)構(gòu)其控制算法為：

式(3)中，u(k)、u（k-l）為控制變量，K為單神經(jīng)元PID的控制參數(shù)增益。式(4)中，w1(k)分別為積分項、比例項、微分項的權(quán)值。神經(jīng)元是通過權(quán)值的調(diào)整來實現(xiàn)自學(xué)習(xí)功能的。權(quán)值調(diào)整可以采用不同的學(xué)習(xí)規(guī)則，從而構(gòu)成不同的控制算法。根據(jù)USM控制的非線性特點，本文采用了有監(jiān)督的Hebb學(xué)習(xí)算法，具體為：

式(5)中η1、ηp、ηD為積分、比例、微分的學(xué)習(xí)速率；z(k)=x1(k)=yr(k)一y(k)=e(k)，為性能指標(biāo)。

    圖6給出了單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法的程序流程圖。

  學(xué)習(xí)速率η1、ηp、ηD是在試驗過程中確定的。首先確定積分項學(xué)習(xí)速率田，。根據(jù)經(jīng)驗值選擇學(xué)習(xí)速率，然后進(jìn)行試驗。觀察穩(wěn)態(tài)過程，若穩(wěn)態(tài)過程電機轉(zhuǎn)速波動過大，則適當(dāng)降低學(xué)習(xí)速率η1；若跟蹤目標(biāo)轉(zhuǎn)速過慢，則需要適當(dāng)提高學(xué)習(xí)速率η1進(jìn)行多次試驗，確定了積分項學(xué)習(xí)速率η1=0. 0545．

    然后，確定比例項學(xué)習(xí)速率ηp。固定η1不變，根據(jù)經(jīng)驗值選擇比例項學(xué)習(xí)速率ηp，進(jìn)行試驗。觀察動態(tài)響應(yīng)過程，若出現(xiàn)震蕩或超調(diào)過大，則降低比例項學(xué)習(xí)速率；若動態(tài)響應(yīng)過慢，則需增大比例項。進(jìn)行反復(fù)試驗，確定了比例項學(xué)習(xí)速率ηp=0. 25。

  再次，確定微分項學(xué)習(xí)速率。固定η1，ηp不變，根據(jù)經(jīng)驗值選擇微分項學(xué)習(xí)速率ηp，進(jìn)行試驗。觀察動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能是否得到一定的改善，若出現(xiàn)震蕩，則降低可。。依次反復(fù)試驗，最后選擇ηD=0 45。

    利用t述設(shè)計對USM60-3行波超聲波電機進(jìn)行控制，電機技術(shù)指標(biāo)如下：外徑60 mm，額定功率7W，駱動電路輸入電壓DC 12 V。圖7、圖8分別給出了轉(zhuǎn)速給定值為40 r/min的PI控制和單神經(jīng)元控制的速度實驗曲線。

  實驗結(jié)果表明，單神經(jīng)元島適應(yīng)控制可以較好地實現(xiàn)轉(zhuǎn)速跟蹤，改善了傳統(tǒng)PI控制的不足，系統(tǒng)有較強的適應(yīng)性，動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能都有較大的改善。

     本文涉及了機遇DDS的超聲波電機驅(qū)動控制裝置，實現(xiàn)了基于低頻PWM的超聲波電機但神經(jīng)元自適應(yīng)控制，并和PI控制方法進(jìn)行比較，結(jié)果證明，單神經(jīng)元自適應(yīng)控制具有結(jié)構(gòu)簡單、學(xué)習(xí)算法明確、計算量小、易于實現(xiàn)等優(yōu)點，可以達(dá)到較高的控制精度，并且具有較好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)

性能。