【正文】 不能獲得被控目標(biāo)的函數(shù)模型。假如我們同樣能模仿前人利用其他生物的某些特征，制造一種不需要得到被控目標(biāo)的精確函數(shù)模型就能完成控制的控制器，或者說用一種算法優(yōu)化控制器使得我們?cè)诳刂七^程中不需要得到被控目標(biāo)的精確函數(shù)模型就能完成控制。那么這樣一件工作可以完成么？答案是肯定的。我們可以借助人工蜂群算法優(yōu)化PID控制器。 研究的背景和意義 研究背景 人工蜂群算法是一門新興的智能技術(shù)，如果能將其合理運(yùn)用，一定能使其發(fā)揮巨大的作用。將人工蜂群算法應(yīng)用于直流電機(jī)PID控制器當(dāng)中，可能會(huì)有效的規(guī)避現(xiàn)行直流電機(jī)PID控制器的許多弊端。使得直流電機(jī)PID控制器更加安全、可靠、穩(wěn)定、高效。 研究意義 針對(duì)現(xiàn)行直流雙閉環(huán)PID控制器參數(shù)整定與優(yōu)化過程中的困難，本文通過將一種基于采蜜行為的人工蜂群算法應(yīng)用于雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)PID控制器參數(shù)的自整定與優(yōu)化。采用階躍響應(yīng)對(duì)人工蜂群算法的優(yōu)化結(jié)果與工程方法計(jì)算得出的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，表明改進(jìn)的人工蜂群算法比傳統(tǒng)工程設(shè)計(jì)法能獲得更好的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，以及更快的跟隨性與魯棒性，為PID參數(shù)優(yōu)化提供了一種綜合性能較好的實(shí)用方法。 課題的研究現(xiàn)狀 國內(nèi)外直流電機(jī)PID控制器技術(shù)的發(fā)展 140年前人們研究并制造了直流電機(jī)。在這140年間，直流電機(jī)的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)不斷優(yōu)化和完善。由于新的材料和新的技術(shù)不斷出現(xiàn)，整流電源的問世, 越來越多的工業(yè)使用的直流電機(jī)不斷的融入這些元素,也早就了更多種類的直流電機(jī)。從功率上看小功率的只有幾瓦, 大功率的甚至達(dá)到萬余千瓦,近幾年計(jì)算機(jī)技術(shù)更加廣泛的用于直流電機(jī)制造中，越來越多的工業(yè)部門開始廣泛的運(yùn)用直流電機(jī)，如：印刷、造紙、紡織等等。19401950年MG發(fā)電機(jī)組為直流電機(jī)供電。從1960年開始水銀整流器為其供電?？斓?970年的時(shí)候出現(xiàn)了硅整流電源為其供電。這期間，因?yàn)橹绷麟娫床粩嗟母?，是的其最大功率和轉(zhuǎn)速不斷提高，高速大功率直流電機(jī)和小型輕量低慣量兩個(gè)方向成為直流電機(jī)發(fā)展的主要方向。 由于制造材料越來越好，制造工藝越來越先進(jìn)，工業(yè)生產(chǎn)要求越來越高，使得直流電機(jī)的制造要求和控制要求及其性能指標(biāo)必須提高。 現(xiàn)行PID控制存在的問題PID中P是比例的縮寫、I是積分的縮寫、D是微分的縮寫。P調(diào)節(jié)作用：是按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差,當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)了偏差,為了使系統(tǒng)可靠，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用用以減少偏差。比例作用大,可以加快調(diào)節(jié),減少誤差,但是比例越大,系統(tǒng)的穩(wěn)定性越低,甚至造成系統(tǒng)崩潰。所以單一的比例調(diào)節(jié)只是一種機(jī)械化的調(diào)節(jié)，沒有達(dá)到智能化的要求。I調(diào)節(jié)是一種提高無差度的調(diào)節(jié)方式，它的調(diào)節(jié)目的是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差。所以積分調(diào)節(jié)開始于體統(tǒng)有誤差,并不斷地縮小系統(tǒng)誤差，終止于系統(tǒng)無誤差,積分調(diào)節(jié)是系統(tǒng)可靠性的保證。積分作用與積分時(shí)間常數(shù)Ti呈現(xiàn)負(fù)相關(guān),即Ti越小,積分作用就越強(qiáng)，反之，Ti大則積分作用弱。由于加入積分調(diào)節(jié)降低了系統(tǒng)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)的速度。于是，積分調(diào)節(jié)往往要配合比例調(diào)節(jié)組成PI調(diào)節(jié)或組合比例和微分成為PID調(diào)節(jié)。D作用主要針對(duì)輸入信號(hào)為非定常量的調(diào)節(jié)方式。因?yàn)槲⒎址磻?yīng)了輸入信號(hào)的變化率，對(duì)系統(tǒng)各部分將如何響應(yīng)輸入信號(hào)具有一定的預(yù)見性。所以，微分調(diào)節(jié)能產(chǎn)生超前控制作用，但是由于微分作用依賴于輸入信號(hào)的變化率，當(dāng)噪聲干擾輸入系統(tǒng)時(shí)，微分作用反而會(huì)將其放大。過分強(qiáng)調(diào)微分調(diào)節(jié)，會(huì)降低系統(tǒng)的抗干擾能力，我們使用微分調(diào)節(jié)必須加入比例調(diào)節(jié)或者加入比例和積分調(diào)節(jié)組成PD控制器或者PID控制器。在調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，傳感器將被測量的溫度、壓力等信號(hào)進(jìn)行量化為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)送入調(diào)節(jié)器，在調(diào)節(jié)器中，與給定值進(jìn)行比較，然后把比較出的差值進(jìn)行PID運(yùn)算。所謂PID運(yùn)算就是比例、積分、微分運(yùn)算。P調(diào)節(jié)就是調(diào)節(jié)器不斷地定常比例輸出進(jìn)入調(diào)節(jié)器的輸入信號(hào)。I調(diào)節(jié)就是當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)偏差時(shí)，不斷地向執(zhí)行器輸出進(jìn)入控制器偏差量的積分，由執(zhí)行器不斷地進(jìn)行被控量的校正，直到系統(tǒng)不再有偏差。因此，只要偏差一直存在，積分過程在調(diào)節(jié)器內(nèi)就不會(huì)終止。所以有了積分調(diào)節(jié)器就會(huì)消除穩(wěn)態(tài)偏差。但要注意單獨(dú)的積分調(diào)節(jié)往往是不能工作的。所謂整定積分時(shí)間就是調(diào)積分的快慢，這要取決于對(duì)象的特性。D調(diào)節(jié)就是微分調(diào)節(jié)，基于其輸出的是輸入的微分量能反映出輸入變化趨勢(shì)。所以微分調(diào)節(jié)具有超前性，這是比例和積分調(diào)節(jié)沒有的優(yōu)勢(shì)。所以，在控制器中加入微分調(diào)節(jié)，可以使得被控量得到提前校正，再通過P、I校正后，整個(gè)校正時(shí)間縮短，有利于提高調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)質(zhì)量。目前衡量各行業(yè)現(xiàn)代化水平的一個(gè)重要標(biāo)志就是工業(yè)自動(dòng)化水平。同時(shí)，控制理論經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段：古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論。智能控制在許多家電中就有應(yīng)用實(shí)例：比如溫控烤箱、全自動(dòng)洗衣機(jī)、智能電飯煲等等。根據(jù)控制結(jié)構(gòu)，我們將自動(dòng)控制系統(tǒng)分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩類。控制器、傳感器、變送器、執(zhí)行器、I/O接口構(gòu)成控制系統(tǒng)的基本單元。被控系統(tǒng)連接傳感器再連接變送器加載到控制器，而控制器連接輸入輸出接口和執(zhí)行器。由于控制系統(tǒng)不同，其傳感器、變送器、執(zhí)行器的不同有所體現(xiàn)，比如，恒溫箱需要溫控傳感器，電子體重計(jì)需要壓力傳感器。 由于僅僅依靠生產(chǎn)工藝的更新和制造材料的升級(jí)，直流電機(jī)控制器的各個(gè)性能指標(biāo)總會(huì)提高至一個(gè)臨界值，當(dāng)達(dá)到了這個(gè)臨界值的時(shí)候，我們無法再進(jìn)行優(yōu)化，或者說，再進(jìn)行優(yōu)化越加困難。所以，我們換一種渠道，應(yīng)用新的算法去提高直流控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)或許可以收到事半功倍的效果。 本論文的主要內(nèi)容本論文對(duì)直流電機(jī)PID控制器進(jìn)行了總體的描述，并且使用人工蜂群算法加以優(yōu)化設(shè)計(jì)于仿真，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定，高效，便利的直流電機(jī)控制。論文詳細(xì)介紹了可編程序控制器的背景發(fā)展，論文提出了一個(gè)方案，并且介紹了它的硬件電路，編程及實(shí)現(xiàn)方法。第二章 基于人工蜂群算法的直流電機(jī)PID控制器相關(guān)基礎(chǔ)理論 直流電機(jī)PID控制器相關(guān)參數(shù) PID調(diào)節(jié)器包括三個(gè)基本參數(shù)：比例調(diào)節(jié)P、積分調(diào)節(jié)I以及微分調(diào)節(jié)D。 比例控制P P（比例）控制是一種非智能化控制方式，這種控制方式中，控制器輸出正比于輸入。用單一的比例控制勢(shì)必會(huì)造成系統(tǒng)輸出的穩(wěn)態(tài)誤差。因而這是一種最簡單的控制方式。 積分控制I 引入積分控制主要是為了消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。積分控制就是將輸入信號(hào)積分后由比例控制調(diào)比之后再輸出。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，這樣的系統(tǒng)就叫做有差系統(tǒng)，需要積分控制來控制其穩(wěn)態(tài)誤差。由于積分項(xiàng)是誤差對(duì)時(shí)間的積分，時(shí)間越長，積分項(xiàng)越大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。當(dāng)積分控制和比例控制相結(jié)合，我們就可以使得系統(tǒng)順利進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，并且進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后沒有穩(wěn)態(tài)誤差。這就是PI控制器。 將輸入誤差進(jìn)行微分運(yùn)算后，經(jīng)過放大后輸出。這就是微分控制。有的元件慣性較大或者滯后作用較強(qiáng)，容易抑制誤差。這樣控制變化滯后，誤差變化超前。使得系統(tǒng)調(diào)節(jié)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。為了解決這個(gè)問題我們將微分控制引入控制器。再配合比例控制就能提前將消除抑制誤差的控制，這樣就避免了控制中出現(xiàn)很大的超調(diào)量。所以PD控制器適用于大慣性滯后性質(zhì)的被控系統(tǒng)，起到穩(wěn)定系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的作用。 人工蜂群算法的基本原理 Frish發(fā)現(xiàn)，在自然界中，雖然各社會(huì)階層的蜜蜂只能完成單一的任務(wù)，但是蜜蜂通過搖擺舞氣味等多種信息交流方式，使得整個(gè)蜂群總是能很自如地發(fā)現(xiàn)優(yōu)良蜜源(或花粉) ，實(shí)現(xiàn)自組織行為。Seely于1995年提出了蜂群的自組織模擬模型。關(guān)聯(lián)食物源的雇用蜂，選擇食物源的觀察蜂，探索新食物源的偵查蜂是工蜂蜂群的幾種不同的工種。當(dāng)我們運(yùn)用人工蜂群算法的時(shí)候，最開始先模仿偵查蜂找到目標(biāo)，隨后，模仿雇用蜂和觀察蜂對(duì)目標(biāo)進(jìn)行開發(fā)利用。當(dāng)目標(biāo)沒有利用價(jià)值的時(shí)候，對(duì)應(yīng)的雇傭蜂又變成新的偵查蜂。這種算法里面，目標(biāo)位置叫做一個(gè)可行解，目標(biāo)數(shù)量表示解的質(zhì)量。雇用蜂和目標(biāo)之間總是一一對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系。蜂群算法在運(yùn)行中分為四個(gè)時(shí)期，分別為初始化時(shí)期、雇傭蜂時(shí)期、觀察蜂時(shí)期、偵查蜂時(shí)期。 初始化時(shí)期 初始化時(shí)期: 利用偵察蜂初始化所有代表食物源的向量()，M為雇傭蜂的數(shù)量，設(shè)定控制參數(shù)。每個(gè)食物源都含有n個(gè)待優(yōu)化變量()這些向量將要被優(yōu)化，從而使得目標(biāo)函數(shù)最小化?？梢岳孟率竭M(jìn)行初始化： (21)其中和是參數(shù)取值的上下限。 雇傭蜂時(shí)期 雇傭蜂時(shí)期：雇傭蜂對(duì)記憶中的食物源進(jìn)行定位，然后在食物源附近搜索通過比對(duì)，找到更好的食物源。當(dāng)雇傭蜂找到一個(gè)食物源之后，會(huì)對(duì)這個(gè)食物源進(jìn)行量化評(píng)估，即評(píng)估適應(yīng)值。此處，它們可以采用下述公式來確定鄰居食物源： (22)其中是一個(gè)隨機(jī)選擇的食物源，i是隨機(jī)選擇的一個(gè)位置索引，是一個(gè)[a,a]之間的一個(gè)隨機(jī)數(shù)，a決定了臨域搜索的區(qū)間度。當(dāng)產(chǎn)生新的食物源之后，會(huì)計(jì)算出它的適應(yīng)值，并且在和之間應(yīng)用貪心法做出選擇。解的適應(yīng)值應(yīng)保持非負(fù)，如果有負(fù)值的情況，可以通過下式轉(zhuǎn)化為最小化問題來求解： (23)其中是待解問題的目標(biāo)函數(shù)值(對(duì)應(yīng)蜜源的適應(yīng)度值)。 觀察蜂時(shí)期