【文章內(nèi)容簡介】 等等。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?？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。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，直流電機控制器的各個性能指標(biāo)總會提高至一個臨界值，當(dāng)達(dá)到了這個臨界值的時候，我們無法再進行優(yōu)化，或者說，再進行優(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。 6 本論文的主要內(nèi)容 本論文對直流電 機 PID 控制器進行了總體的描述，并且使用人工蜂群算法加以優(yōu)化設(shè)計于仿真，以實現(xiàn)穩(wěn)定，高效，便利的直流電機控制。論文詳細(xì)介紹了可編程序控制器的背景發(fā)展，論文提出了一個方案，并且介紹了它的硬件電路，編程及實現(xiàn)方法。 第二章 基于人工蜂群算法的直流電機 PID 控制器相關(guān)基礎(chǔ)理論 直流電機 PID 控制器相關(guān)參數(shù) PID 調(diào)節(jié)器包括三個基本參數(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必 會造成系統(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 7 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積分后由比例控制調(diào)比之后再輸出。當(dāng)系統(tǒng)進入穩(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。 由于積分項是誤差對時間的積分，時間越長，積分項越大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，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)順利進入穩(wěn)態(tài)，并且進入穩(wěn)態(tài)后沒有 穩(wěn)態(tài)誤差。這就是 PI 控制器。 微分控制 D 將輸入誤差進行微分運算后，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，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)動態(tài)特性的作用。 8 人工蜂群算法的基本原理 諾貝爾獎得主奧地利人 Frish 發(fā)現(xiàn)， 在自然界中，雖然各社會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，使得整個蜂群總是能很自如地發(fā)現(xiàn)優(yōu)良蜜源 (或花粉 ) ，實現(xiàn)自組織行為。 Seely于 1995 年提出了蜂群的自組織模擬模型。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。 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)我們運用人工蜂群算法的時候，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目標(biāo)進行開發(fā)利用。當(dāng) 目標(biāo)沒有利用價值的時候，對應(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)之間總是一一對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系。 蜂群算法在運行中分為四個時期，分別為初始化時期、雇傭蜂時期、觀察蜂時期、偵查蜂時期。 初始化時期 初始化時期 : 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)。每個食物源 都含有 n個待優(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行初始化： (21) 9 其中 和 是參數(shù) 取值的上下限 。 雇傭蜂時期 雇傭蜂時期：雇傭蜂 對記憶中的食物源進行定位，然后在食物源附近搜索通過比對，找到更好的食物源 。當(dāng)雇傭蜂找到一個食物源之后，會 對這個食物源進行量化評估，即評估適應(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 是一個隨機選擇的食物源， i 是隨機選擇的一個位置索引， 是一個[a,a]之間的一個隨機數(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，會計算出它的適應(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 (對應(yīng)蜜源 的適應(yīng)度值 )。 觀察蜂時期 觀察蜂時期：觀察蜂是 非雇傭蜂的其中一種。觀察蜂會進入巢穴中分享等待他們的雇用蜂的食物源信息。觀察蜂會根據(jù)這些信息進行一種隨機的選擇。為此，需要一種基于適應(yīng)值的選擇方法，如輪盤賭。 被選中的概率 可以用下述表達(dá)式計算： (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 ，再計算其適應(yīng)值。在雇傭蜂時期，在 和 之間用貪心法來做出選擇。因此，更多的觀察蜂會選擇富源并反饋回積極信號。 11 偵查蜂時期 偵查蜂時期：偵察蜂是另一種非雇用蜂。這種蜜蜂是的工作就是隨機搜索食物源。如果雇傭蜂通過實現(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，其擁有的解就會被放棄。（嘗試次數(shù)是由 ABC 使用者事先給定的，稱為 “放棄閾值”（ abandonment criteria））轉(zhuǎn)換后的偵察蜂開始隨機搜索新的解，比如，如果被放棄 了，那么原來擁有的雇傭蜂就會利用（ 21）式來產(chǎn)生新的解。因此那些隨機產(chǎn)生的貧源或者近期形成的貧源就會被放棄，產(chǎn)生消極的信號，以來平衡積極的信號。 小結(jié) 蜂群智慧的形成有以下幾個步驟： ， 播，即相互交換適應(yīng)度信息。 。其中第二個過程是極為關(guān)鍵的。這個過程中，雇用蜂起到記憶作用，觀察蜂起到篩選作用，偵查蜂起到探索作用?；谶@樣的分工，就很容易達(dá)到局部最優(yōu)，進而達(dá)到整體最優(yōu)。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。同樣，用人工來模擬這個過程，就很容易找到最優(yōu)的控制參數(shù)。 第三章 直流電機 PID 控制方案的選擇與論證 PID 控制及部分參數(shù)指標(biāo)簡述 12 PID 控制就是比例積分微分控制。工業(yè)實際中的比例、積分、微分控制，簡稱 PID 控制，又稱 PID 調(diào)節(jié)。至今， PID 控制問世已經(jīng)長達(dá)七十年之久，由于它的結(jié)構(gòu)相對簡單、相對較為穩(wěn)定、工作相對可靠、調(diào)整相對方便，于是成為了主要的工業(yè)控制技術(shù)之一。如果當(dāng)我們無法完全掌握 被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，或 者，我們無法得到其 精確的數(shù)學(xué)模型， 這時，其它控制技術(shù)的理論難以采 用 ， 那么，我們只能 依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試 來完成對系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)的確定工作 ， 而此時最方便的方式就是運用 PID 控制 。 也就是說即使 我們不 能 完全了解 被控對象及其控制系統(tǒng) ， 或者說沒有有效的測量方式來確定控制系統(tǒng)的參數(shù)和結(jié)構(gòu)時 ， PID控制技術(shù)成為不二選擇 。 PID 控制， 在 實際中 分為 PI和 PD控制 兩種 。 PID 控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。 階躍響應(yīng) 將一個階躍信號輸入系統(tǒng)，經(jīng)過系統(tǒng)內(nèi)一系列的傳遞函數(shù)之后的輸出就叫階躍響應(yīng)。 穩(wěn)態(tài)誤差 既然是說系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差 ，首先必須是系統(tǒng)進入了穩(wěn)態(tài)。而這個誤差就是實際的輸出與預(yù)先期望值的距離。 上升時間 系統(tǒng)從啟動開始到進入穩(wěn)態(tài)終止，這一個時間段稱為上升時間。 控制系統(tǒng)性能 穩(wěn)定性：階躍響應(yīng)是否具有收斂性，是控制系統(tǒng)是否具有穩(wěn)定性的判定依據(jù)。 準(zhǔn)確性：穩(wěn)態(tài)誤差值可以用來作為評判控制系統(tǒng)準(zhǔn)確性的量化標(biāo)準(zhǔn)。 快速性：系統(tǒng)所用的上升時間和其快速性能成反比。 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。 開環(huán)控制 沒有反饋回路的 控制叫做開環(huán)控制。由于被控對象的輸出量沒有經(jīng)過回路反饋進行二次輸入，所以不會影響到控制器的輸入量 。 閉環(huán)控制 有反饋的控制系統(tǒng)叫做閉環(huán)控制系統(tǒng)。分為正反饋和負(fù)反饋。經(jīng)反饋后與輸入信號產(chǎn)生疊加的叫做正反饋，反之，為負(fù)反饋。有正反饋的控制系統(tǒng)叫正反饋系統(tǒng)，反之亦然。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。 下面舉個幾個簡單的例子 : ，學(xué)生練習(xí)了。 ，學(xué)生做完了。老師收上來改，發(fā)現(xiàn)做的很好，就表揚了他，于是 這個同學(xué)越學(xué)越好。 ，學(xué)生做完了。老師收上來改，發(fā)現(xiàn)做的很好，就表揚了他，于是這個同學(xué)開始飄飄然，之后的成績一落千丈。 ，學(xué)生做完了。老師收上來改，發(fā)現(xiàn)做的很差，就批評了他，于是這個同學(xué)開始發(fā)奮學(xué)習(xí)，之后的越學(xué)越好成為優(yōu)等生。 14 ，學(xué)生做完了。老師收上來改，發(fā)現(xiàn)做的很差，就批評了他，于是這個同學(xué)開始覺得老師故意刁難他，就更加不愿意學(xué)習(xí)了。 例 1 就是沒有反饋屬于開環(huán)控制，后面 4個就是有反饋屬于閉環(huán)控制。其中，例2 例 5中，學(xué)生做 完作業(yè)，這一個反應(yīng)，帶來的老師表揚或批評的反應(yīng)，再次引起的學(xué)生的反應(yīng)和原先學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度正相關(guān)，這就是正反饋；例 3例 4中，學(xué)生做完作業(yè)，這一個反應(yīng)，帶來的老師表揚或批評的反應(yīng)，再次引起的學(xué)生的反應(yīng)和原先學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度負(fù)相關(guān)，這就是負(fù)反饋 。 PID 控制的特點 普通開關(guān)的合閘開閘只能完成電機的啟動和結(jié)束的過程，而應(yīng)用 PID 控制可以使電機保持恒定轉(zhuǎn)速，并且能在完成啟動后快速達(dá)到恒定轉(zhuǎn)速。這樣，在工業(yè)生產(chǎn)過程中，我們運用 PID 控制技術(shù)可以更加充分的達(dá)到電機的穩(wěn)定和高效。 PID 控制器的基本結(jié)構(gòu) PID 實質(zhì)上是一種為工業(yè)電機控制而設(shè)計的控制器。主要包括比例環(huán)節(jié)（ P），積分環(huán)節(jié)（ I），微分環(huán)節(jié) (D)，被控對象、加法器、存儲器以及輸入輸出設(shè)備等。 如圖 31，常規(guī) PID 的基本結(jié)構(gòu)。 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）和被控對象組成。這是一種線性控制器，根據(jù)設(shè)定值 和實際輸出值 構(gòu)成偏差 ，將偏差按比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制 量 ,對被控對象進行控制?？刂破鞯妮斎胼敵鲫P(guān)系可描述為： 式中 ， 為比例系數(shù)， 為積分時間常數(shù)， 為微分時間常數(shù)。 比例作用 控制系統(tǒng)中存在這一個偏差信號 ，若不及時控制這個偏差信號將會引發(fā)超調(diào)問題。為了控制這樣一個超調(diào)問題，我們在控制器中加入比例作用，這樣就能及時的反映偏差信號，以使控制速度達(dá)到最快，這樣偏差信號將會逐漸衰減。圖(受控目標(biāo)的傳遞函數(shù)均為： 1/ ， )反映了 增大，誤差減小，振蕩加劇，超調(diào)量變大。針 對這個問題，我們對控制器做一個修正。 針對設(shè)定值控制中的超調(diào)問題， Hang 進算法。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： 。從這個表達(dá)式可以看出通過調(diào)節(jié)設(shè)定值信號的 比例增益，減小相應(yīng)的動態(tài)相應(yīng)以克服超調(diào)問題。 16 ()yt ()spYt()ut()et 0u 0e000[