基于人工蜂群算法的直流电机PID控制器设计与仿真学士学位论文.docx

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基于人工蜂群算法的直流电机PID控制器设计与仿真学士学位论文

HUBEIUNIVERSITYFORNATIONALITIES

学士学位论文

论文题目基于人工蜂群算法的直流电机

PID控制器设计与仿真

郑重声明

本人的毕业论文为《基于人工蜂群算法的直流电机PID控制器设计与仿真》，该论文是在指导老师的帮助和我查阅很多相关资料下独立完成的。

本人谨守学术道德，从不弄虚作假，文中引用的部分已经标明。

本论文的知识产权归属于学校，学校享有借阅，发表，申请专利等的权利。

特此声明

论文作者：

签字日期：

年月日

摘要

随着人类在电力电子领域的不断深入，直流电机及其控制器得到了越来越广泛的使用。

我们在享受其带来的便利的同时也越来越多地发现了它们的不足。

或者说，现行的直流电机PID控制器的稳定性、鲁棒性等性能指标由于日益增长的电力电子等行业的生产要求的提高而逐渐跟不上要求。

这时候我们为了提高控制器的各个性能指标，我们必须将新的算法引入控制系统中，来达到提升控制器的各个性能指标。

可是，现如今，由于控制器的各个性能指标之间有着相互约束的关系，以及由于实际生产过程中的研发、生产成本带来的性价比等因素，使得PID控制器的设计迈向新的台阶产生了重重困难。

考虑到这些因素的存在，我们须找到一种能在权衡所有因素之后找到一个最优解决方案来解决这个问题。

这时候，我们想到了人工蜂群算法。

所谓人工蜂群算法，就是将蜜蜂采蜜人工化。

蜜蜂采蜜时，将局部内所有食物源进行优劣对比，找到局部最佳值。

而蜂群工作则可以将各个局部最优叠加产生整体最优。

这样的一种算法的优势在于，不知道被控对象的精确函数模型也能完成控制。

它完成控制的方式，仅仅只是不断的将问题的优劣性做对比来完成整个控制器的控制过程。

于是，基于人工蜂群算法的直流电机PID控制器设计的工作开始了。

关键词:

直流电机，PID控制器，人工蜂群算法

ABSTRACT

Withthecontinuousdeepeningofthehumaninthefieldofpowerelectronics,DCmotoranditscontrollerareusedmoreandmorewidely.Weenjoytheconvenienceitbringsisalsoincreasinglyfoundtheirdeficiency.Orsay,stability,robustnessandperformanceindexofPIDcontrollerforDCmotorcurrentduetopowerelectronicsindustrygrowingproductionrequirementsincreasegraduallywithnorequirements.Atthismomentweareinordertoimprovetheperformanceindexofthecontroller,wemustmakethenewalgorithmisintroducedintothecontrolsystem,toachievethepromotionofeachperformanceindexofthecontroller.

However,nowadays,duetotherelationbetweeneachperformanceindexofthecontroller,andtheR&D,productionintheprocessofproductioncostscausedbypriceandotherfactors,makesthePIDcontrollerdesigntoanewlevelhavemanydifficulties.Consideringthesefactors,wemustfindacanfindanoptimalafterweighingallthefactorsofsolutiontosolvethisproblem.

Atthistime,wethinkoftheartificialbeecolonyalgorithm.Theso-calledartificialbeecolonyalgorithm,isthebeeisartificial.Bees,allthefoodsourcelocallyinonprosandcons,findalocaloptimumvalue.Thebeeworkcanwillproducethebestoveralleachlocaloptimalsuperposition.

Insuchanalgorithm'sadvantage,donotknowtheprecisefunctionmodelofcontrolledobjectcancompletecontrol.Itcompletesthecontrolmode,controlprocessisjustcontinuingtodocomparisonproblemtocompletetheentirecontroller.

So,artificialbeecolonyalgorithmdesignofDCmotorPIDcontrollerbasedontheworkstarted.

Keywords:

DCmotor,PIDcontroller,artificialbeecolonyalgorithm

第一章绪论

1.1引言

人来在科学研究的时候，总会根据实际的某些生物的生活习惯或者体型来完成一些发明。

比如，根据茅草发明了锯子，根据鱼的流线型身体完成了潜水艇的制造，根据蜘蛛织网使得互联网的普及和推广，根据蝙蝠的发声定位原理发明了雷达等等。

这说明自然界中其他生物的特殊智慧为人类所用之后能给人们的生产发展带来很大的便利和实惠，也能给人类了物质生活带来享受。

现行控制器的研究在分析其控制过程当中，总是会考虑到，如何获取被控目标的函数模型，这要根据不同的目标对症下药，往往更为尴尬的是，我们往往不能获得被控目标的函数模型。

假如我们同样能模仿前人利用其他生物的某些特征，制造一种不需要得到被控目标的精确函数模型就能完成控制的控制器，或者说用一种算法优化控制器使得我们在控制过程中不需要得到被控目标的精确函数模型就能完成控制。

那么这样一件工作可以完成么？

答案是肯定的。

我们可以借助人工蜂群算法优化PID控制器。

1.2研究的背景和意义

1.2.1研究背景

人工蜂群算法是一门新兴的智能技术，如果能将其合理运用，一定能使其发挥巨大的作用。

将人工蜂群算法应用于直流电机PID控制器当中，可能会有效的规避现行直流电机PID控制器的许多弊端。

使得直流电机PID控制器更加安全、可靠、稳定、高效。

1.2.2研究意义

针对现行直流双闭环PID控制器参数整定与优化过程中的困难，本文通过将一种基于采蜜行为的人工蜂群算法应用于双闭环直流调速系统，实现PID控制器参数的自整定与优化。

采用阶跃响应对人工蜂群算法的优化结果与工程方法计算得出的结果进行对比分析，表明改进的人工蜂群算法比传统工程设计法能获得更好的动态性能指标，以及更快的跟随性与鲁棒性，为PID参数优化提供了一种综合性能较好的实用方法。

1.3课题的研究现状

1.3.1国内外直流电机PID控制器技术的发展

140年前人们研究并制造了直流电机。

在这140年间，直流电机的设计和制造技术不断优化和完善。

由于新的材料和新的技术不断出现，整流电源的问世,越来越多的工业使用的直流电机不断的融入这些元素,也早就了更多种类的直流电机。

从功率上看小功率的只有几瓦,大功率的甚至达到万余千瓦,近几年计算机技术更加广泛的用于直流电机制造中，越来越多的工业部门开始广泛的运用直流电机，如：

印刷、造纸、纺织等等。

1940-1950年M-G发电机组为直流电机供电。

从1960年开始水银整流器为其供电。

快到1970年的时候出现了硅整流电源为其供电。

这期间，因为直流电源不断的更迭，是的其最大功率和转速不断提高，高速大功率直流电机和小型轻量低惯量两个方向成为直流电机发展的主要方向。

由于制造材料越来越好，制造工艺越来越先进，工业生产要求越来越高，使得直流电机的制造要求和控制要求及其性能指标必须提高。

1.3.2现行PID控制存在的问题

PID中P是比例的缩写、I是积分的缩写、D是微分的缩写。

P调节作用：

是按比例反应系统的偏差,当系统出现了偏差,为了使系统可靠，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。

比例作用大,可以加快调节,减少误差,但是比例越大,系统的稳定性越低,甚至造成系统崩溃。

所以单一的比例调节只是一种机械化的调节，没有达到智能化的要求。

I调节是一种提高无差度的调节方式，它的调节目的是使系统消除稳态误差。

所以积分调节开始于体统有误差,并不断地缩小系统误差，终止于系统无误差,积分调节是系统可靠性的保证。

积分作用与积分时间常数Ti呈现负相关,即Ti越小,积分作用就越强，反之，Ti大则积分作用弱。

由于加入积分调节降低了系统稳定性和动态响应的速度。

于是，积分调节往往要配合比例调节组成PI调节或组合比例和微分成为PID调节。

D作用主要针对输入信号为非定常量的调节方式。

因为微分反应了输入信号的变化率，对系统各部分将如何响应输入信号具有一定的预见性。

所以，微分调节能产生超前控制作用，但是由于微分作用依赖于输入信号的变化率，当噪声干扰输入系统时，微分作用反而会将其放大。

过分强调微分调节，会降低系统的抗干扰能力，我们使用微分调节必须加入比例调节或者加入比例和积分调节组成PD控制器或者PID控制器。

在调节系统中，传感器将被测量的温度、压力等信号进行量化为统一标准送入调节器，在调节器中，与给定值进行比较，然后把比较出的差值进行PID运算。

所谓PID运算就是比例、积分、微分运算。

P调节就是调节器不断地定常比例输出进入调节器的输入信号。

I调节就是当系统出现偏差时，不断地向执行器输出进入控制器偏差量的积分，由执行器不断地进行被控量的校正，直到系统不再有偏差。

因此，只要偏差一直存在，积分过程在调节器内就不会终止。

所以有了积分调节器就会消除稳态偏差。

但要注意单独的积分调节往往是不能工作的。

所谓整定积分时间就是调积分的快慢，这要取决于对象的特性。

D调节就是微分调节，基于其输出的是输入的微分量能反映出输入变化趋势。

所以微分调节具有超前性，这是比例和积分调节没有的优势。

所以，在控制器中加入微分调节，可以使得被控量得到提前校正，再通过P、I校正后，整个校正时间缩短，有利于提高调节器的调节质量。

目前衡量各行业现代化水平的一个重要标志就是工业自动化水平。

同时，控制理论经历了三个发展阶段：

古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论。

智能控制在许多家电中就有应用实例：

比如温控烤箱、全自动洗衣机、智能电饭煲等等。

根据控制结构，我们将自动控制系统分为开环控制和闭环控制两类。

控制器、传感器、变送器、执行器、I/O接口构成控制系统的基本单元。

被控系统连接传感器再连接变送器加载到控制器，而控制器连接输入输出接口和执行器。

由于控制系统不同，其传感器、变送器、执行器的不同有所体现，比如，恒温箱需要温控传感器，电子体重计需要压力传感器。