【正文】 33 參考文獻 [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]楊進等．解決復雜優(yōu)化問題的一個有效工具 —— 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]．計算機應用研究， 20xx， 28(9):32013205． [5]舒懷林．直流電動機 PID 神經網絡雙閉環(huán)控制系統 [J]．機電工程技術， 20xx， 34(11):1718. [6]陳伯時．電力拖動自動控制系統 [ M ]．北京 : 機械工業(yè)出版社， 1999. [7]李仁定．電機的微機控制 [M].北京；機械工業(yè)出版社， 1999. [8]姜文彪等．直流電機雙閉環(huán) PI 控制技術研究 [J]．機床與液壓， 20xx， 40(11):2124. [9]湯蘊璆 電機學 4 版 北京：機械工業(yè)出版社， [10]陳伯時 .自動控制系統 [ M ]．北京 : 機械工業(yè)出版社， 1981. [11]陳伯時 .電力拖動自動控制系統 [ M ]． 2 版北京 : 機械工業(yè)出版社， 1992. [12]陳伯時 .電力拖動自動控制系統 — 運動控制系統 [ M ]． 3 版。 32 在此，感謝我的指導老師耿東山孜孜不倦的為我指導、為我在撰寫過程中排憂解難，告訴我在面對失敗和挑戰(zhàn)時，應當有 鍥而不舍的探索精神、對未知充滿渴望的求知精神、勇于面對挑戰(zhàn)的開拓精神，于是才有本文的順利完成。 31 第 八 章 心得體會 寫這篇論文既是對所學知識的應 用，是對學科知識的總結，也是一個學習過程。 根據仿真的結果顯示，在經過人工蜂群算法優(yōu)化過后的 PID控制器的控制系統的穩(wěn)定性、魯棒性等各個性能指標均有不同程度的提升。這種將模仿生物體對產品進行設計或優(yōu)化的理念已經在各個領域取得巨大的成功。 第 七 章 總結和展望 本文主要敘述的是：用人工蜂群算法優(yōu)化 PID控制器，并對其進行設計與仿真。 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傳統控制器的種種不足，提高控制器性能指標，控制更為高效。 ，構建較好適應度評價函數后，使用蜂群算法可在 不知道控制系統具體參數的情況下設計出很理想的控制參數 ，但在實際中使用有一定的局限性，由于蜂群算法需要多次求取適應度來分析比較，表現在實際中就是系統要多次階躍工作，這是一個比較繁瑣的過程。 ，蜂群算法優(yōu)化的 PI控制器明顯優(yōu)于工程設計的 PI控制器。 根據 MATLAB仿真的結果得到： 30 ，經蜂群算法優(yōu)化的控制器響應速度更快，具 有更優(yōu)秀的階躍響應能力。前面分析過，在直流電機的恒流升速階段，電流值會低于我們設計時的額定值，我們在整定參數時候是將 190A作為的最大電流值，加之當前電力電子技術的發(fā)展，現在大功率控制硬件實現的可能，電流環(huán)的小過沖變得很容易解決。 對比仿真結果的曲線 3和曲線 4 對比曲線 3與曲線 4，在電樞電流 曲線上升的過程中，兩種控制器的響應速度是一樣的，雖然經過蜂群算法整定過的控制器其穩(wěn)定性比傳統 PID控制器的超調量大一些，但其進入穩(wěn)定的時間比傳統 PID算法進入穩(wěn)定的時間快很多。 在 5s時的帶載減速過程中，曲線 2的抗過沖能力明顯優(yōu)于曲線 1，穩(wěn)定時間也更短，人工蜂群算法能優(yōu)化 PID控制器的使用效率。 對比仿真結果的曲線 1和曲線 2 對比曲線 1和曲線 2，在升速和減速階段兩種控制器的響應 速度沒有明顯的區(qū)別，但是曲線 2比曲線 1有更短的穩(wěn)定時間和更小的超調量，即人工蜂群算法能優(yōu)化 PID控制器的可靠性。得雙閉環(huán)系統響應結果如圖 63所示。 在 MATLAB中將蜂群算法整定 PID控制器與傳統 PID整定控制器進行對比仿真。我們挑出適應度居中對應的參數為 :Ckp = ， CKi=，SKp=， SKi=。 人工蜂群算法優(yōu)化雙閉環(huán)控制系統的仿真及結果 為了觀察算法的穩(wěn)定性，我 們進行了 30次 (每一次運行執(zhí)行 60代 )算法的執(zhí)行，從中挑出最終全局適應度居中的參數值。在歸一化中，轉速環(huán)額定轉速設為 1500r/min。本文中選擇 。 s為轉速環(huán)的最大超調量。程序流程圖如圖 62: 27 圖 62 ABC 算法流程圖 適應度函數的選擇是算法最核心的部分，為了使電機轉速環(huán)以及電流具有快速、平穩(wěn)、超調量小的目標，使用 ITAE作為系統性能評價指標。算法開始時，每個雇傭蜂被賦予一個初始蜜源位置，即一組 PI參數，雇傭蜂對所有的蜜源進行鄰域搜索產生新的蜜源，在進行適應度評價后對蜜源的位置進行更新，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行選擇，再按照雇傭蜂更新蜜源的方式對其進行位置更新。蜂群算法通過改 SKp,SKi,CKp,CKi參數的值來 獲取不同的輸出響應，評估這些響應值來判斷輸入參數的優(yōu)劣，優(yōu)化總流程如圖 5。 用人工蜂群算法進行 PI控制器參數的整定，就是找出 (其中為 ASR環(huán) PI參數，CKp和 CKi為 ACR環(huán) PI參數 )的最優(yōu)位置，使控制系統的動態(tài)過程指標滿足要求，其實質是轉化為基于一定目標適應函數進行函數尋優(yōu)的問題。 i f ( m 3 0 ) m = 1 。 J C N T + + 。這就是傳統雙閉環(huán)的特點，也是其缺陷所在。加上電機本身的非線性，使得控制難以達到最優(yōu)。 人工蜂群算法優(yōu)化雙閉環(huán)控制系統 控制器在制造出來之前，都會有一個仿真模型。來提高該控制系統的穩(wěn)定性和快速性。而仿真顯示，典型的雙閉環(huán)直流電機調速系統的穩(wěn)態(tài)性和快速性均有待優(yōu)化，明顯達不到現行的工業(yè)生產要求。很難達到現行工業(yè)化要求。負載電流能跟蹤到給定值但超調量很大。那么，當 NN(F),由于 ASR積分作用 ,I變大 ,Id升高，Δ 0， n變大；當 NN(F),由于 ASR積分作用 ,I變小 ,Id降低，Δ 0， n變小。轉矩變化量為Δ。假設實際轉速為 N，給定轉速值為 N（ F）。電動機中有一個電樞電流 Id，它服從給定電壓值，是由電流響應轉速偏差產生的控制效果。因此它們相互獨立。 out out2分別為轉速和電流環(huán)輸出數據到 workspace的端口。電流反饋時間常數為 ，三相橋式電路平均失控時間為 ，電磁時間常數為 ，機電時間常數為 ，電動機電動勢常數為 ，晶閘管裝置放大系數為 40，電樞回路總電阻為 ，轉速反饋系數為 ，電流反饋系數為 ， Ui為給定電流調節(jié)器輸 入信號。由于電流和轉速之間有一定相互制約的關系，而以上設計思想卻沒有沒有充分體現出來，這勢必會降低調節(jié)器的性能指標。 設計思路總結 根據上文敘述的調節(jié)器，它的設計要先參考機器本身的參數設計電流調節(jié)器，后設計包括電流調節(jié)器在內轉速調節(jié)器。如果故障消失，系 統能夠自動恢復正常。 ③在轉速調節(jié)過程中，使電流跟隨其給定電壓變化。 電流調節(jié)器作用為： ①對電網電壓波動起及時抗擾作用。 ②抗負載變化擾動作用。這是轉速調節(jié)階段，這一階段稱為穩(wěn)定過程。 ② 過程 在這段時間內電流保持恒定不變，而轉速直線上升，這是恒流升速階段，這一階段稱為過渡過程。于是 進入 70 年代后，控制領域的重心轉到系統的魯棒性，為近 30 年的控制設計重點考慮魯棒性打下了基礎。 60年代，在解決各類設計問題上則是體現了最優(yōu)化技術的優(yōu)勢。然而，此時的控制領域對靈敏度和魯棒性的要求有所降低。 到了 50 年代初期，在解析法得到發(fā)展的基礎上，科學家定義了瞬態(tài)性能指標。在 19301949 年期間，從 Black 在反饋放大器上的研究有著重大發(fā)現開始，到后來 Nyquist 和 Bode 在穩(wěn)定性理論做出空前的成就，這一系列重大研究將經典頻域控制發(fā)展到一個空前的高度。 后文中將分析設計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。線性積分器在提高系統穩(wěn)態(tài)精確度的同時，也引發(fā)了 的相位滯后，惡化了控制系統的品質，時常引起系統快速性于穩(wěn)定性之間不可調和的矛盾。 提出問題：由于 PID 控制器的結構形式各異，各性能指標均受到不同程度 的制約。另外，應當注意設計產品的性價比，也就是把穩(wěn)定性約束、魯棒性約束等約束指標和研發(fā)成本的問題進行綜合考慮。設計步驟應分為發(fā)現問題、提出問題、分析問題、和解決問題四步走。由此可知，這樣就達到了 PID 控制中的“使電機保持恒定轉速”的要求。即快速達到恒 定轉速?？偟膩碚f這些 PID 控制器的共同點在于：它們都是基于已知或可知其運行過程的知識，且能通過設計達到相應的性能指標同時具備滿足要求的計算能力。 因此，從①靜態(tài)、動態(tài)性能②設計過程的簡約性③產品研發(fā)的經濟性，這三個方面考慮，我們選擇雙閉環(huán)系統作為最終的控制系統。即閉環(huán)系統控制在靜態(tài)、動態(tài)性能上優(yōu)于開環(huán)系統，高環(huán)數閉環(huán)系統控制靜態(tài)、動態(tài)性能上優(yōu)于低環(huán)數閉環(huán)系統控制。 18 圖 34 微分的預測作用 圖 35 比例積分微分控制的相應 19 第四章 雙閉環(huán)直流電機控制系統的設計 控制系統的結構選擇 在控制系統中，開環(huán)控制控制的靜態(tài)、動態(tài)性能不夠理想。從圖 34可看出比例微分能夠預報未來的輸出。 圖 33 比例積分控制的 系統相應（ =1） 微分作用 微分作用的引入，主要是為了改善閉環(huán)系統的穩(wěn)定性和動態(tài)響應速度。即對于一個帶積分作用的控制器，如果它能夠使閉環(huán)系統穩(wěn)定并存在一個穩(wěn)定狀態(tài)，則此時對設定值的跟蹤一定是無靜差的。假設閉環(huán)系統已經處于穩(wěn)定狀態(tài)，則此時控制輸出量 和控制偏差量 ， 都將保持在某個常數值上，為了不失一般性，我們分別用 和 來表示。從這個表達式可以看出通過調節(jié)設定值信號的 比例增益，減小相應的動態(tài)相應以克服超調問題。 針對設定值控制中的超調問題， Hang 進算法。圖(受控目標的傳遞函數均為： 1/ ， )反映了 增大，誤差減小，振蕩加劇，超調量變大。 比例作用 控制系統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)超調問題。這是一種線性控制器，根據設定值 和實際輸出值 構成偏差 ，將偏差按比例、積分和微分通過線性組合構成控制 量 ,對被控對象進行控制。 如圖 31，常規(guī) PID 的基本結構。 PID 控制器的基本結構 PID 實質上是一種為工業(yè)電機控制而設計的控制器。 PID 控制的特點 普通開關的合閘開閘只能完成電機的啟動和結束的過程，而應用 PID 控制可以使電機保持恒定轉速，并且能在完成啟動后快速達到恒定轉速。 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。 14 ，學生做完了。 ，學生做完了。 ，學生做完了。 ，學生做完了。一般的反饋都是負反饋，比如說，恒溫箱，檢測到箱內溫度高，就降低溫度，檢測到箱內溫度低，就升高溫度。經反饋后與輸入信號產生疊加的叫做正反饋，反之，為負反饋。 閉環(huán)控制 有反饋的控制系統叫做閉環(huán)控制系統。 開環(huán)控制 沒有反饋回路的 控制叫做開環(huán)控制