【正文】 穩(wěn)定、高效。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。從 1960 年開始水銀整 流器為其供電。 4 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。 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。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)。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。 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。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。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?？刂破?、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。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。 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。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)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。有的元件慣性較大或者滯后作用較強(qiáng)，容易抑制誤差。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。土耳其 Erciyes 大學(xué)的 于 20xx 年首先將人工蜂群算法應(yīng)用于多峰值函數(shù)的數(shù)值優(yōu)化上。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。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。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。觀察蜂會(huì)進(jìn)入巢穴中分享等待他們的雇用蜂的食物源信息。在雇傭蜂時(shí)期，在 和 之間用貪心法來做出選擇。如果雇傭蜂通過實(shí)現(xiàn)給定的嘗試次數(shù)之后，仍然未能提高解的質(zhì)量，則雇傭蜂就變成為偵察蜂，其擁有的解就會(huì)被放棄。 。這類似于牛頓迭代法，通過無限次的迭代，找到最終的最正 確的解。至今， PID 控制問世已經(jīng)長(zhǎng)達(dá)七十年之久，由于它的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、相對(duì)較為穩(wěn)定、工作相對(duì)可靠、調(diào)整相對(duì)方便，于是成為了主要的工業(yè)控制技術(shù)之一。 PID 控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。 上升時(shí)間 系統(tǒng)從啟動(dòng)開始到進(jìn)入穩(wěn)態(tài)終止，這一個(gè)時(shí)間段稱為上升時(shí)間。 13 PID 控制的分類 從控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上來分，可以將 PID 控制系統(tǒng)分為以下兩類：開環(huán)控制、閉環(huán)控制。分為正反饋和負(fù)反饋。 下面舉個(gè)幾個(gè)簡(jiǎn)單的例子 : ，學(xué)生練習(xí)了。老師收上來改，發(fā)現(xiàn)做的很好，就表揚(yáng)了他，于是這個(gè)同學(xué)開始飄飄然，之后的成績(jī)一落千丈。老師收上來改，發(fā)現(xiàn)做的很差，就批評(píng)了他，于是這個(gè)同學(xué)開始覺得老師故意刁難他，就更加不愿意學(xué)習(xí)了。這樣，在工業(yè)生產(chǎn)過程中，我們運(yùn)用 PID 控制技術(shù)可以更加充分的達(dá)到電機(jī)的穩(wěn)定和高效。 圖 31 常規(guī) PID 控制器結(jié)構(gòu)原理圖 15 spy(t) y(t) e(t)u(t)(31)? ()01( ) [ ( ) ( ) ) ]t etp t ditdu t K e t e t d TTd? ? ??e(t)=ysp(t)y(t) PK iT dTe(t)3(s+T) PK()()01( ) [ ( ) ( ) ]i etp p t ditdu t K e e t d t TTd? ? ??( ) ( ) ( )p ape t by t y t??上圖即常規(guī) PID 控制器結(jié)構(gòu)原理圖，系統(tǒng)的主要部分分為 PID 控制部分（包括比例環(huán)節(jié) P、積分環(huán)節(jié) I、微分環(huán)節(jié) D）和被控對(duì)象組成。為了控制這樣一個(gè)超調(diào)問題，我們?cè)诳刂破髦屑尤氡壤饔?，這樣就能及時(shí)的反映偏差信號(hào)，以使控制速度達(dá)到最快，這樣偏差信號(hào)將會(huì)逐漸衰減。通過在比例控制中引入設(shè)定值加權(quán)系數(shù) b，將 PID 控制器修正為 （ 32） 其中： 。根據(jù) PID 控制器的基本結(jié)構(gòu)式（ 31），有 （ 33） 17 pK iT 0u 0 0e?iTiTpK()( ) [ ( ) ]etpd du t K e t Tdt??()det T? ()( ) ( ) 2!ni ddete t e t T T? ? ?()( ) ( ) etdd de t T e t Tdt? ? ?dTdT在已知 和 的情況下， 為常數(shù)當(dāng)且僅當(dāng) 。 PD控制器的結(jié)構(gòu)為： （ 34） 的泰勒級(jí)數(shù)為 ??，則 （ 35） 控制信號(hào)與 時(shí)刻以后的偏差成比例。而閉環(huán)系統(tǒng)控制相對(duì)開環(huán)控制可以提高電機(jī)的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性能，雙閉環(huán)系統(tǒng)，比閉環(huán)系統(tǒng)的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性能更強(qiáng)，同 理，三閉環(huán)系統(tǒng)在靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性能上又優(yōu)于雙閉環(huán)系統(tǒng)。 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)圖 圖 41 雙閉環(huán)直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè) 計(jì)圖 20 圖 42雙閉環(huán)系統(tǒng)啟動(dòng)過渡過程時(shí)域圖 設(shè)計(jì)基本要求 PID 控制有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，針對(duì)不同的被控系統(tǒng)，控制器也往往各異。 ② 保持系統(tǒng)穩(wěn)定 設(shè)計(jì)圖 42 則表示當(dāng)我們從外界突然加給定電壓于 雙 閉 環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，使系統(tǒng)由靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流的瞬態(tài)過程。 發(fā)現(xiàn)問題：當(dāng)我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)控制器，去控制實(shí)際的 電機(jī)時(shí)，首先應(yīng)當(dāng)弄清 楚控制的主要目的，找出問題最關(guān)鍵的地方，也就是重點(diǎn)問題。例如，利用傳統(tǒng)的單自由度控制器就無法同時(shí)滿足設(shè)定值跟蹤和負(fù)載擾動(dòng)抑制的要求。 回顧控制器設(shè)計(jì)史 控制領(lǐng)域長(zhǎng)期堅(jiān)定不移的追求對(duì)控制器的改進(jìn)事業(yè)。并成功的運(yùn)用模擬計(jì)算機(jī)檢測(cè)時(shí)域響應(yīng)指標(biāo)，從而使得檢測(cè)更為方便。 在實(shí)際控制中運(yùn)用現(xiàn)代控制理論，往往需要對(duì)應(yīng)于過程對(duì)象所需的精確數(shù)學(xué)模型，而實(shí)際上很尷尬的是通常難以獲得精確的數(shù)學(xué)模型。 ③ 過程 在 之后電流衰減 至新的穩(wěn)定值，同時(shí)轉(zhuǎn)速經(jīng)過一個(gè)短暫的上升逐漸又回到這一階段的初始位置，并趨于穩(wěn)定。其輸出限幅值決定允許的最大電流。 ④當(dāng)電動(dòng)機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，從而起到快速的安全保護(hù)作用。明顯的，如果我們不知道電動(dòng)機(jī)參數(shù)或者參數(shù)不是定值，我們便無法設(shè)計(jì)這種調(diào)節(jié)器，而事實(shí)上，在多數(shù)情況下，這種調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)前提都不能滿足。Step1為給定轉(zhuǎn)速輸入， step2為負(fù)載電流 Id階躍。這就是雙閉環(huán)的特點(diǎn)。電流給定為 I，電樞電流為 Id。 直流電機(jī)雙閉環(huán) PID 控制系統(tǒng)仿真結(jié)果 圖 52 典型雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真結(jié)果圖 25 ()01( ) [ ( ) ( ) ]t etp t ditdu t K e t e t d TTd? ? ??pK iT dT ??et 如圖 52，橫軸代表時(shí)間，縱軸分別代表負(fù)載電流和轉(zhuǎn)速。前文提到，動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、快速性是衡量工業(yè)現(xiàn)代化水平的重要評(píng)判標(biāo)準(zhǔn) 。 第六章 人工 蜂群算法優(yōu)化雙閉環(huán) PI參數(shù)的實(shí)現(xiàn) PID 基本算法 PID算法的原理是利用比例、積分和微分來線性組合形成的一種調(diào)節(jié)器， PID控制器輸出可描述為： （ 61） 式中， 為比例放大系數(shù)； 為積分時(shí) 間常數(shù)； 為微分時(shí)間常數(shù)，且 為系統(tǒng)的反饋偏差。究其原因，正是因?yàn)?ASR和 ACR用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定的帶限幅 PI調(diào)節(jié)器。按 照 公 式 ( 2 ) 計(jì) 算 出 一 個(gè) 新 的 蜜 源評(píng) 價(jià) 新 蜜 源用 貪 心 選 擇 較 優(yōu) 秀的 蜜 源新 蜜 源 優(yōu) 于 i 蜜 源記 錄 蜜 源 更 新 失 敗的 次 數(shù)Y E SN O記 錄 算 法 起 始 到 現(xiàn) 在 的 全 局 最 優(yōu) 蜜 源找 出 種 群 中 蜜 源 失 敗 次 數(shù) 最 多 值失 敗 次 數(shù) 大 于 L i m i t C n t根 據(jù) 公 式 ( 1 ) 重 置 此蜜 源Y E SN O算 法 整 個(gè) 運(yùn) 行 次 數(shù) 小 于 6 0 結(jié) 束N OY E SR a n d P mm + + 。蜂群算法優(yōu)化 PI控制器參數(shù)的系統(tǒng)圖如圖 61： 圖 61 蜂群算法優(yōu)化 PI 控制器參數(shù)系統(tǒng) 蜂群算法為 script代碼，在運(yùn)行中通過調(diào)用直流雙閉環(huán)的 simulink模塊 (見圖 4)得到 out1和 out2的輸出，將此輸出作為 ABC算法的適應(yīng)度評(píng)估的輸入。 根據(jù)蜂群算法 ,在 MATLAB中 求取最優(yōu)雙閉環(huán) PI參數(shù)。為三個(gè)權(quán)重系數(shù)，調(diào)節(jié)這三個(gè)參數(shù)可以控制性能指標(biāo)的傾向。電流環(huán) 28 由于受到斜坡反電動(dòng)勢(shì)的擾動(dòng)而存在靜差，設(shè)計(jì)電流環(huán)的最大電流為 200A，但是在恒流升速階段因?yàn)殪o差的存在電流值并不能達(dá)到 200A，于是將空載啟動(dòng)過程中的額定電流定為 190A，加載過程的額定電流為負(fù)載電流。對(duì)應(yīng)工程設(shè)計(jì)的參數(shù)為 : Ckp =， CKi=，SKp=， SKi=。 29 圖 63 直流電機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真結(jié)果 圖中曲線 1為經(jīng)傳統(tǒng) PID控制器的轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線，圖中曲線 2為經(jīng)過蜂群算法優(yōu)化過的轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線，曲線 3為經(jīng)過蜂群算法優(yōu)化過的電流響應(yīng)曲線，曲線 4為傳統(tǒng) PID控制器的電流響應(yīng)曲線。 由此可見，經(jīng)蜂群算法優(yōu)化過的 ASR不論是響應(yīng)速度，還是穩(wěn)定性和速度超調(diào)量都優(yōu)于傳統(tǒng)工程方法設(shè)計(jì)出的 ASR環(huán)。由此部分可看出由此部 分可看出經(jīng)蜂群算法優(yōu)化過的ACR響應(yīng)速度和穩(wěn)定性都優(yōu)于傳統(tǒng)工程方法設(shè)計(jì)出的 ACR環(huán)，但超調(diào)量略大。所以我們優(yōu)化得到了更加穩(wěn)定的 PI控制器。這樣就達(dá)到了設(shè)計(jì)要求和研究目的。這樣的一種轉(zhuǎn)化其它生物智慧為人類智慧的設(shè)計(jì)思想在帶動(dòng)人類科技文明發(fā)展中起到了不可估量的作用。在撰寫過程中，往往遇到了一些瓶頸問題；或請(qǐng)指導(dǎo)老師進(jìn)行講解和指導(dǎo)，或請(qǐng)同學(xué)們一起討論集思廣益，或自己認(rèn)真的分析問題找到問題的關(guān)鍵通過查閱資料來解決問題，總之，撰寫的過程中，我學(xué)到了不少的東西，溫習(xí)了 MATLAB的使用方法，學(xué)習(xí)了數(shù)學(xué)公式編輯器的使用，通過指導(dǎo)老師的講解接觸到領(lǐng)域內(nèi)更前沿的技術(shù)，和同學(xué)們討論熟練了已學(xué)會(huì)的解決問題的方式、掌握了新的解決問題的方法。北京 : 機(jī)械工業(yè)出版社 , 20xx. 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