【正文】 法優(yōu)化雙閉環(huán) PI 參數(shù)的實(shí)現(xiàn) ............................................................ 23 PID 基本算法 ................................................................................................... 20 人工蜂群算法優(yōu)化雙閉環(huán)控制系統(tǒng) ................................................................... 21 人工蜂群算法優(yōu)化雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的仿真及結(jié)果 .............................................. 21 對比仿真結(jié)果的曲線 1 和曲線 2 ............................................................. 12 對比仿真結(jié)果的曲線 3 和曲線 4 ............................................................. 13 第 七 章 總結(jié)和展望 ........................................................................................................ 23 第 八 章 心得體會 ........................................................................................................... 23 參考文獻(xiàn) ........................................................................................................................ 33 1 第 一章 緒論 引言 人來在科學(xué)研究的時(shí)候，總會根據(jù)實(shí)際的某些生物的生活習(xí)慣或者體型來完成一些發(fā)明。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)化控制器使得我們在控制過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。將人工蜂群算法應(yīng)用于直流電機(jī) PID 控制器當(dāng)中，可能會有效的規(guī)避現(xiàn)行直流電機(jī) PID 控制器的許多弊端。 3 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)。 19401950 年 MG發(fā)電機(jī)組為直流電機(jī)供電。 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。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。由于加入積分調(diào)節(jié)降低了系統(tǒng)穩(wěn)定性和動態(tài)響應(yīng)的速度。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的變化率，當(dāng)噪聲干擾輸入系統(tǒng)時(shí)，微分作用反而會將其放大。 5 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。但要注意單獨(dú)的積分調(diào)節(jié)往往是不能工作的。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。根據(jù)控制結(jié)構(gòu)，我們將自動控制系統(tǒng)分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩類。 由于僅僅依靠生產(chǎn)工藝的更新和制造材料的升級，直流電機(jī)控制器的各個(gè)性能指標(biāo)總會提高至一個(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。 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。 積分控制 I 7 引入積分控制主要是為了消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會隨著時(shí)間的增加而加大，它推動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。這就是微分控制。為了解決這個(gè)問題我們將微分控制引入控制器。 Seely于 1995 年提出了蜂群的自組織模擬模型。當(dāng) 目標(biāo)沒有利用價(jià)值的時(shí)候，對應(yīng)的雇傭蜂又變成新的偵查蜂。 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)。當(dāng)雇傭蜂找到一個(gè)食物源之后，會 對這個(gè)食物源進(jìn)行量化評估，即評估適應(yīng)值 。 觀察蜂時(shí)期 觀察蜂時(shí)期：觀察蜂是 非雇傭蜂的其中一種。 被選中的概率 可以用下述表達(dá)式計(jì)算： (23) 或 (24) 10 當(dāng)食物源 被一只觀 察蜂選中后，利用 (22)式產(chǎn)生鄰居食物源 ，再計(jì)算其適應(yīng)值。這種蜜蜂是的工作就是隨機(jī)搜索食物源。 小結(jié) 蜂群智慧的形成有以下幾個(gè)步驟： ， 播，即相互交換適應(yīng)度信息?；谶@樣的分工，就很容易達(dá)到局部最優(yōu)，進(jìn)而達(dá)到整體最優(yōu)。工業(yè)實(shí)際中的比例、積分、微分控制，簡稱 PID 控制，又稱 PID 調(diào)節(jié)。 PID 控制， 在 實(shí)際中 分為 PI和 PD控制 兩種 。而這個(gè)誤差就是實(shí)際的輸出與預(yù)先期望值的距離。 快速性：系統(tǒng)所用的上升時(shí)間和其快速性能成反比。 閉環(huán)控制 有反饋的控制系統(tǒng)叫做閉環(huán)控制系統(tǒng)。一般的反饋都是負(fù)反饋，比如說，恒溫箱，檢測到箱內(nèi)溫度高，就降低溫度，檢測到箱內(nèi)溫度低，就升高溫度。 ，學(xué)生做完了。 14 ，學(xué)生做完了。 PID 控制的特點(diǎn) 普通開關(guān)的合閘開閘只能完成電機(jī)的啟動和結(jié)束的過程，而應(yīng)用 PID 控制可以使電機(jī)保持恒定轉(zhuǎn)速，并且能在完成啟動后快速達(dá)到恒定轉(zhuǎn)速。 如圖 31，常規(guī) PID 的基本結(jié)構(gòu)。 比例作用 控制系統(tǒng)中存在這一個(gè)偏差信號 ，若不及時(shí)控制這個(gè)偏差信號將會引發(fā)超調(diào)問題。 針對設(shè)定值控制中的超調(diào)問題， Hang 進(jìn)算法。假設(shè)閉環(huán)系統(tǒng)已經(jīng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，則此時(shí)控制輸出量 和控制偏差量 ， 都將保持在某個(gè)常數(shù)值上，為了不失一般性，我們分別用 和 來表示。 圖 33 比例積分控制的 系統(tǒng)相應(yīng)（ =1） 微分作用 微分作用的引入，主要是為了改善閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)響應(yīng)速度。 18 圖 34 微分的預(yù)測作用 圖 35 比例積分微分控制的相應(yīng) 19 第四章 雙閉環(huán)直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)選擇 在控制系統(tǒng)中，開環(huán)控制控制的靜態(tài)、動態(tài)性能不夠理想。 因此，從①靜態(tài)、動態(tài)性能②設(shè)計(jì)過程的簡約性③產(chǎn)品研發(fā)的經(jīng)濟(jì)性，這三個(gè)方面考慮，我們選擇雙閉環(huán)系統(tǒng)作為最終的控制系統(tǒng)。即快速達(dá)到恒 定轉(zhuǎn)速。設(shè)計(jì)步驟應(yīng)分為發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、分析問題、和解決問題四步走。 提出問題：由于 PID 控制器的結(jié)構(gòu)形式各異，各性能指標(biāo)均受到不同程度 的制約。 后文中將分析設(shè)計(jì)上的理論過程以及敘述本文如何用人工蜂群算法來提升控制器的控制品質(zhì)。 到了 50 年代初期，在解析法得到發(fā)展的基礎(chǔ)上，科學(xué)家定義了瞬態(tài)性能指標(biāo)。 60年代，在解決各類設(shè)計(jì)問題上則是體現(xiàn)了最優(yōu)化技術(shù)的優(yōu)勢。 ② 過程 在這段時(shí)間內(nèi)電流保持恒定不變，而轉(zhuǎn)速直線上升，這是恒流升速階段，這一階段稱為過渡過程。 ②抗負(fù)載變化擾動作用。 ③在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中，使電流跟隨其給定電壓變化。 設(shè)計(jì)思路總結(jié) 根據(jù)上文敘述的調(diào)節(jié)器，它的設(shè)計(jì)要先參考機(jī)器本身的參數(shù)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，后設(shè)計(jì)包括電流調(diào)節(jié)器在內(nèi)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。電流反饋時(shí)間常數(shù)為 ，三相橋式電路平均失控時(shí)間為 ，電磁時(shí)間常數(shù)為 ，機(jī)電時(shí)間常數(shù)為 ，電動機(jī)電動勢常數(shù)為 ，晶閘管裝置放大系數(shù)為 40，電樞回路總電阻為 ，轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)為 ，電流反饋系數(shù)為 ， Ui為給定電流調(diào)節(jié)器輸 入信號。因此它們相互獨(dú)立。假設(shè)實(shí)際轉(zhuǎn)速為 N，給定轉(zhuǎn)速值為 N（ F）。那么，當(dāng) NN(F),由于 ASR積分作用 ,I變大 ,Id升高，Δ 0， n變大；當(dāng) NN(F),由于 ASR積分作用 ,I變小 ,Id降低，Δ 0， n變小。很難達(dá)到現(xiàn)行工業(yè)化要求。來提高該控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速性。加上電機(jī)本身的非線性，使得控制難以達(dá)到最優(yōu)。 J C N T + + 。 用人工蜂群算法進(jìn)行 PI控制器參數(shù)的整定，就是找出 (其中為 ASR環(huán) PI參數(shù)，CKp和 CKi為 ACR環(huán) PI參數(shù) )的最優(yōu)位置，使控制系統(tǒng)的動態(tài)過程指標(biāo)滿足要求，其實(shí)質(zhì)是轉(zhuǎn)化為基于一定目標(biāo)適應(yīng)函數(shù)進(jìn)行函數(shù)尋優(yōu)的問題。算法開始時(shí)，每個(gè)雇傭蜂被賦予一個(gè)初始蜜源位置，即一組 PI參數(shù)，雇傭蜂對所有的蜜源進(jìn)行鄰域搜索產(chǎn)生新的蜜源，在進(jìn)行適應(yīng)度評價(jià)后對蜜源的位置進(jìn)行更新，然后返回蜂巢后將蜜源的信息傳遞給等待在蜂巢中的觀察蜂，觀察蜂按照一定的概率對蜜源進(jìn)行選擇，再按照雇傭蜂更新蜜源的方式對其進(jìn)行位置更新。 s為轉(zhuǎn)速環(huán)的最大超調(diào)量。在歸一化中，轉(zhuǎn)速環(huán)額定轉(zhuǎn)速設(shè)為 1500r/min。我們挑出適應(yīng)度居中對應(yīng)的參數(shù)為 :Ckp = ， CKi=，SKp=， SKi=。得雙閉環(huán)系統(tǒng)響應(yīng)結(jié)果如圖 63所示。 在 5s時(shí)的帶載減速過程中，曲線 2的抗過沖能力明顯優(yōu)于曲線 1，穩(wěn)定時(shí)間也更短，人工蜂群算法能優(yōu)化 PID控制器的使用效率。前面分析過，在直流電機(jī)的恒流升速階段，電流值會低于我們設(shè)計(jì)時(shí)的額定值，我們在整定參數(shù)時(shí)候是將 190A作為的最大電流值，加之當(dāng)前電力電子技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在大功率控制硬件實(shí)現(xiàn)的可能，電流環(huán)的小過沖變得很容易解決。 ，蜂群算法優(yōu)化的 PI控制器明顯優(yōu)于工程設(shè)計(jì)的 PI控制器。 至此，可以得出采用蜂群算法優(yōu)化過的雙閉環(huán)控制器可以較好的改進(jìn)傳統(tǒng)控制器的種種不足，提高控制器性能指標(biāo)，控制更為高效。這種將模仿生物體對產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)或優(yōu)化的理念已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域取得巨大的成功。 31 第 八 章 心得體會 寫這篇論文既是對所學(xué)知識的應(yīng) 用，是對學(xué)科知識的總結(jié)，也是一個(gè)學(xué)習(xí)過程。 33 參考文獻(xiàn) [1]Seeley,Thomas D． The wisdom of the hive:The social physiology of honey bee colonies[M] .Massachusetts,USA:HarvaM University Press,1995:216239. [2]Basturk B,Karaboga D． An Artificial Bee Colony(ABC) Algorithmfor Numeric function Optimization[C].USA, Indiana IEEE Swarm Intelligence Symposium, 20xx:34. [3]楊進(jìn)等．解決復(fù)雜優(yōu)化問題的一個(gè)有效工具 —— 蜂群優(yōu)化算法， 20xx， 27(12):44104413. [4]張超群等．蜂群算法研究綜述 [J]．計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究， 20xx， 28(9):32013205． [5]舒懷林．直流電動機(jī) PID 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)雙閉環(huán)控制系統(tǒng) [J]．機(jī)電工程技術(shù)， 20xx， 34(11):1718. [6]陳伯時(shí)．電力拖動自動控制系統(tǒng) [ M ]．北京 : 機(jī)械工業(yè)出版社， 1999. [7]李仁定．電機(jī)的微機(jī)控制 [M].北京；機(jī)械工業(yè)出版社， 1999. [8]姜文彪等．直流電機(jī)雙閉環(huán) PI 控制技術(shù)研究 [J]．機(jī)床與液壓， 20xx， 40(11):2124. [9]湯蘊(yùn)璆 電機(jī)學(xué) 4 版 北京：機(jī)械工業(yè)出版社， [10]陳伯時(shí) .自動控制系統(tǒng) [ M ]．北京 : 機(jī)械工業(yè)出版社， 1981. [11]陳伯時(shí) .電力拖動自動控制系統(tǒng) [ M ]． 2 版北京 : 機(jī)械工業(yè)出版社， 1992. [12]陳伯時(shí) .電力拖動自動控制系統(tǒng) — 運(yùn)動控制系統(tǒng) [ M ]． 3 版。 32 在此，感謝我的指導(dǎo)老師耿東山孜孜不倦的為我