煤 矿 机 械 Coal Mine Machinery Vol.34 No.04 Apr. 2013 和神经网络 的直流双闭环控制系统 PID 王墨琦 河北 唐山 ， 曹胜敏 063020） 薛雅丽 ， 唐山学院 ， （ 摘 要 ： 双闭环直流调速系统，常存在一些非线性因素，使常规 PID 控制响应效果变差。 介绍 了基于 MSP430F449 单片机的双闭环直流调速系统，并在转速环引入神经网络 PID 控制器，实践证 明系统响应更快更精确。 关键词 中图分类号 ： PID 神经网络； MSP430F449； 双闭环直流调速 文章编号 文献标志码 ： 1003 － 0794（2013）04 － 0262 － 02 Double Closed System of Velocity Modulation of Direct Current Motor ： TP183 ： A Based on MSP430 and NN-PID XUE Ya-li, WANG Mo-qi， CAO Sheng-min (Tangshan College, Tangshan 063020， China） Abstract： Due to some nonlinear factors in DC speed control systemes,this paper introduces double systemes based on MSP430F449 and NN-PID.NN-PID is used in speed control.And the system has a better symatic and steady state. 0 ， 。 、 、 P2.0 在控制过程中 引脚检测脉冲计数 通过单片机的 同 量 脉 冲 数 就 可 以 获 得 电 机 转 速 Key words: NN-PID； MSP430F449； double-loop DC motor control system 引言 直流传动系 统广泛应用 于 轧 钢 机 及 其 辅 助 机 造纸机 金属 切削机床 等许多领域 的自动控制 一般采 调节器可以取得比较满意的控制效 如电 以及 为了 引入 它 兼 有 传 统 械 系统中 用线性 但是工业应用中大多存在非线性的因素 果 机本身以及 负载的一些 参数无法确 定 时变 一些开关控制延时等存在很多非线性的因素 。 精度以及 可靠性 更好地控制 系统的稳定 性 神经网络 控 制来调节 电机速度 可以建立电机模型 通过自行设计的控制算法调整 ， 实现对直流电机速度的精确控制 MSP430F449 引脚输出 比较 比 统的抗干扰能力 光电耦合器实现电气分离 影响减至最小 系统崩溃 P2.1 单片机依据检测的速度信号与给定速度 的占空 PWM 为了调高系 在单片机与电机驱动电路之间用 以使外电路对单片机的 即使电机部分出现问题不会使整个 主要部分电路原理图如图 。 PWM 通过单片机的 通过测 。 信 号 使 用 Timer_A PI、PID 产生 的 ， 。 ， 、 ， ， ， ， ， ， ， 。 ， ， ， PID 。 。 所示 。 1 DOI:10.13436/j.mkjx.2013.04.053 第 34 2013 卷第 年 04 04 期 月 基于 MSP430 PID 控制的优点和神经网络控制的鲁棒性 单片机来实现神经网络 MSP 的控制器以及相关 使控制的精度可靠性提高了很多 。 单片机对直流电机控制的实 PID 用 。 ， 检测等 430 的控制 本文主要介绍 现以及神经网络 、 控制算法在其中的应用 MSP430 PID 1 直流电机控制电路 本系统采用 TI 公司生产的 MSP430F449 电流和转速进行检测和控制 是 16 功耗的单片机系列 的模块 最 丰 富 的 片 上 外 围 模 块 此系列的 节能 ， ， 。 ， ， 。 MSP430 MSP430F449 作为控制器 对电机 系列单片机 位单片机 是一个特别强调低 它可以选择不同的时钟给不同 单片机集成了 本 设 计 采 用 其 定 时 器 电流采用霍尔 检测的电流信号经整流分压滤波后 ， 通过 位 与给定电流值比较 偏差作 转速通过光电编码器检测 ， 脉冲频率不 直流电 压 0~5 V ， 然 后 通 过 内 部 的 ， 脉冲信号 速度不同 12 ， 。 ， ， ， 产生精确的 Timer_A 传感器检测 变成与负载电流成比例的 PWM ， P6.3 引 脚 采 集 电 流 信 号 转换为数字信号 ADC 为电流控制器的输入 光电编码器对 外输出脉 冲 ， 。 +5 V +15 V 500 MSP430F449 P2.1 P2.0 2 1 PWM 光电编码器 5 kΩ 1 kΩ 10 kΩ U5 + -A 。 10 kΩ 图 电机控制原理图 2 1 控制器 神经网络 在直流双闭环调速系统中 PID 外环转速环采用神经网络 ， 速性和限流的必要性 器 单 片机的内存 容量较小 器 控制系统框图如图 ， ， 2。 。 电流环仍采用传统的 ， 为了提高系统的快 调节 PI 考虑到 控 制 调节器 选 择单神经 元 PID 。 PID r 状 态 变 量 X1 X2 X3 e - W1 W2 W3 ∑ Δu K u 被 控 对 象 y + Z-1 学习算法 图 2 控制系统框图 262 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

Vol.34No.04 基于 MSP430 和神经网络 PID 的直流双闭环控制系统 ——— 薛雅丽 等 ， 第 34 卷第 04 期 u（k）=KPe（k）+KI Σe（i）T+KD e（k）-e（k-1） T （1） 常规 PID 控制算法 k 式中 i = 0 ； 采样周期 比例系数 积分系数 ； 微分系数 ； 。 T——— KP——— KI——— KD——— e（k）＝y（k）-r（k） 因此构造神经网络控制器如图 x2（k）、x3（k） 作为网络的输入 所示 。 2 以 （2） x1（k）、 x1（k）=e（k） x2（k）= k Σe（i）T i = 0 x3（k）= e（k）-e（k-1） T 网络的输出为 （3） （4） （5） u（k）=x1（k）W1（k）+x2（k）W2（k）+x3（k）W3（k） （6） 采用性能指标 Jc= 1 ［r（k+1）-y（k+1）］2 2 以梯度法可得神经网络 （7） 控制系数修正式 PID ΔWk=Lr［r（k+1）-y（k+1）］Pj（k） 坠y（k+1） 坠u（k） 式中 坠y（k+1） 坠u（k） r——— y——— Lr——— Wk ＝ y（k+1）-y（k） u（k）－u（k-1） 系统给定值 系统输出值 学习步长 的初值以及学习步长 ，Lr＝0～1。 ； ； 对于 否达到全局最小点 对于本文所针对的高精度快响应系统尤为重要 不仅关系到是 而且也影响学习时间的长短 。 该 ， ， 。 （8） （9） 不断调整权值 系统依据给定输出与实际输出 的 偏 差 采 用 一 定 规 则 网络权值调整寻优 过程即是 参数不变的弊端 。 参数的自整定过程 避免了常规 直到最佳 Wk， PID PID ， ， 级控制算法都由单片机来实现 ， 控制算法流程如图 中断程序来执行 2 由单片机的 。 。 3。 开始 赋权值 、 学习步长初值 读编码器脉冲器 霍尔传感器数据 、 计算电流 速度 计算 依据式 ， PID 式 （2）～ 计算 （6） 否 y（k）=r（k）? 是 结束 权值调整依据 式 式 调整 （6）～ （9） 图 3 控制算法流程图 MSP430F449 控制算法 调节速度快 单片机控制直流电机 ， 使直流电机控制系 ， 精度高 保证系统稳 、 ， 的直流电机 调速双闭环控制系统设 PWM ，2010,31(6):206-208. 翟骁曙 位超低功耗单片机原理与应 3 结语 本文采用 。 、 ［1］ PID 、 并引入单神经元 统结构简单 节能 定前提下实现无静差调速 参考文献 董燕飞 计 ［J］. 沈建华 用 ［M］. 陈伯时 . 徐丽娜 . 作者简介 ： . 煤矿机械 杨艳琴 ， 北京 清华大学出版社 电力拖动自动控制系统 神经网络控制 ［3］ ［4］ MSP430 薛雅丽 基于 ［M］. ［2］ ， ： ： （1979- ）， . MSP43016 ,2004. ［M］. 业于燕山大学控制理论与控制工程专业 师 研究方向为智能控制 ， 网络控制 ， 电子信箱 ， ， 北京 女 机械工业出版社 ： 北京 电子工业出版社 ，1991. ： 河北卢龙人 ， ，2003. 硕士 ， 讲师 ， 年毕 现为唐山学院自动化专业教 ，2008 责任编辑 武伟民 收稿日期 ： ：2012－10－22 ：xyl2009_good@126.com. 222222222222222222222222222222222222222222222 263 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net