基于人工蜂群算法的直流雙閉環(huán)PID電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)研究*

徐 建 黃 華 董杰楚 廖紅華

1.湖北民族學(xué)院科技學(xué)院，湖北恩施 4450002.四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川成都 610065

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基于人工蜂群算法的直流雙閉環(huán)PID電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)研究*

徐 建1,2黃 華2董杰楚1廖紅華1

1.湖北民族學(xué)院科技學(xué)院，湖北恩施 4450002.四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川成都 610065

以直流雙閉環(huán)模型為基礎(chǔ)，針對現(xiàn)行直流雙閉環(huán)PID控制器參數(shù)整定與優(yōu)化的困難，通過將人工蜂群算法引入直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，實現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速及其PID控制器參數(shù)的自整定，采用系統(tǒng)的階躍響應(yīng)等對人工蜂群算法的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行對比分析，表明改進(jìn)的人工蜂群算法比傳統(tǒng)工程設(shè)計法能獲得更好的動態(tài)性能指標(biāo)，以及更快的跟隨性與魯棒性，為PID參數(shù)優(yōu)化提供了一個綜合性較好的實用方法。

人工蜂群算法；直流電機(jī)雙閉環(huán)；PID控制；參數(shù)優(yōu)化

直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在理論和實踐上都比較成熟，是一種常見的調(diào)速控制系統(tǒng)，目前廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制中，其具有良好的起、制動性能，易于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，且調(diào)速后的效率較高。針對直流雙閉環(huán)PID控制器參數(shù)整定與優(yōu)化的問題，國內(nèi)外學(xué)者已做了很多研究，但大部分研究都集中在控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)[1]。針對直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)時變性和不確定性，本文通過將人工蜂群算法引入直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，實現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速及其PID控制器參數(shù)的自整定與優(yōu)化，通過系統(tǒng)仿真可以看出，改進(jìn)的人工蜂群算法比傳統(tǒng)工程設(shè)計法性能指標(biāo)更好，可以廣泛應(yīng)用于雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中。

1 直流電機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真

此仿真實例來自文獻(xiàn)[2]，在三相橋式晶閘管整流裝置控制雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，直流電動機(jī)的相關(guān)參數(shù)：UN=220V，IN=136A，nN=1460r/min，電動機(jī)的電動勢系數(shù)Ce=0.132Vmin/r，允許過載的倍數(shù)λ=1.5，電樞回路的總電阻R=0.5Ω，晶閘管裝置的放大系數(shù)Ks=40，電樞回路電磁時間常數(shù)Tl=0.03s，電力拖動系統(tǒng)機(jī)電時間常數(shù)Tm=0.18s，電流的反饋系數(shù)β=0.05V/A，轉(zhuǎn)速的反饋系數(shù)α=0.005Vmin/r。通過仿真計算可知：Ckp=0.5067，CKi=16.89，SKp=11.7，SKi=134.48。Ckp和Cki為電流環(huán)的PI參數(shù)，Skp和Ski為轉(zhuǎn)速環(huán)的PI參數(shù)。Simulink模塊如圖1，其中step為給定轉(zhuǎn)速輸入，step2為負(fù)載電流Id階躍；out1，out2分別為轉(zhuǎn)速和電流環(huán)輸出數(shù)據(jù)到workspace的端口。

圖1 直流雙閉環(huán)PID調(diào)速系統(tǒng)

2 人工蜂群算法優(yōu)化雙閉環(huán)PI參數(shù)的實現(xiàn)

傳統(tǒng)的直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的ASR和ACR一般使用結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠的帶限幅PI調(diào)節(jié)器。在實際生產(chǎn)現(xiàn)場，由于種種原因，比如控制系統(tǒng)的抽象傳遞函數(shù)和實際有偏差，電機(jī)是一個非線性模型，很多拖動帶載也含有間隙或彈性等非線性擾動，使得控制器的參數(shù)設(shè)計往往難以達(dá)到最優(yōu)[2-3]。因此本文采用基于生物模型的蜂群算法對雙閉環(huán)的PI參數(shù)進(jìn)行整定。用人工蜂群算法進(jìn)行PI控制器參數(shù)的整定，即找出參數(shù)θ：

θ={SKp，SKi，CKp，CKi}

(1)

其中，SKp，SKi為ASR環(huán)PI參數(shù)，CKp和CKi為ACR環(huán)PI參數(shù)，使控制系統(tǒng)的動態(tài)過程指標(biāo)滿足要求，其實質(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。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模塊得到out1和out2的輸出，將此輸出作為ABC算法的適應(yīng)度評估的輸入。蜂群算法通過修改SKp，SKi，CKp和CKi參數(shù)的值獲取不同的輸出響應(yīng)，評估這些響應(yīng)值來判斷輸入?yún)?shù)的優(yōu)劣[4]。

適應(yīng)度函數(shù)的選擇是算法最核心的部分，為使電機(jī)轉(zhuǎn)速環(huán)及電流環(huán)具有快速、平穩(wěn)和超調(diào)量小的目標(biāo)，使用ITAE作為系統(tǒng)性能評價指標(biāo)。相對應(yīng)的適應(yīng)度函數(shù)為[5]：

(2)

式中，0～ta為空載啟動時間段，tb～tc為加載時間段。s為轉(zhuǎn)速環(huán)的最大超調(diào)量。α，β，γ為3個權(quán)重系數(shù)，調(diào)節(jié)這3個參數(shù)可以控制性能指標(biāo)的傾向。本文選擇α=0.6，β=0.4，γ=2.0。es(t)和ec(t)分別為按照額定轉(zhuǎn)速和額定電流歸一化后的速度誤差和電流誤差。在歸一化中，轉(zhuǎn)速環(huán)額定轉(zhuǎn)速設(shè)為1500r/min。電流環(huán)由于受到斜坡反電動勢的擾動而存在靜差，設(shè)計電流環(huán)的最大電流為200A，但是在恒流升速階段因為靜差的存在電流值并不能達(dá)到200A，于是將空載啟動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。本文在啟動過程中加載的電流為100A，即tb～tc時間段內(nèi)的額定電流值為100A[6]。

為了觀察算法的穩(wěn)定性，仿真時進(jìn)行了30次(每一次運(yùn)行執(zhí)行60代)算法的執(zhí)行，從中挑出最終全局適應(yīng)度居中的參數(shù)值。最終30次試驗全部找到了使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的參數(shù)，挑出適應(yīng)度居中對應(yīng)的參數(shù)為：Ckp= 1.9419，CKi=17.5172，SKp=36.7219，SKi=643.7838。算法優(yōu)化過程中的適應(yīng)度變化如圖2(數(shù)值放大1000倍，便于觀察適應(yīng)度變化趨勢)所示，y軸是ITAE指標(biāo)下速度與電流的和值，用于評價系統(tǒng)的優(yōu)良程度，越小性能越好，x軸為優(yōu)化算法的代數(shù)。從圖2可看出，人工蜂群算法具有優(yōu)秀的尋優(yōu)能力，在整個算法運(yùn)行過程中一直保持著尋優(yōu)能力，沒有在某一個極值點(diǎn)處逗留過長的時間。本文只是使用60代的優(yōu)化次數(shù)來優(yōu)化PI控制器參數(shù)，按照目前的趨勢看算法并沒有陷入到某個點(diǎn)，如果設(shè)置更多的優(yōu)化代數(shù)蜂群算法將有更好的表現(xiàn)，只是會因此增加優(yōu)化時間。

圖2 適應(yīng)度變化趨勢圖

3 轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)的對比仿真

空載下的啟動響應(yīng)反應(yīng)了控制器最原始的設(shè)計性能，為了比較非理想空載啟動下的響應(yīng)，在啟動過程加入負(fù)載電流為100A的負(fù)載啟動，對應(yīng)帶載啟動轉(zhuǎn)速響應(yīng)如圖3所示。對應(yīng)帶載啟動電流環(huán)響應(yīng)如圖4所示。

圖3 帶載啟動轉(zhuǎn)速環(huán)響應(yīng)

圖4 帶載啟動電流環(huán)響應(yīng)

在圖3和4中，曲線1為工程設(shè)計方法設(shè)計調(diào)節(jié)器的響應(yīng)曲線，曲線2為蜂群算法優(yōu)化控制器的響應(yīng)曲線。從圖3可看出，加載情況下可以有效緩解速度環(huán)超調(diào)的問題，經(jīng)過優(yōu)化后的控制器的穩(wěn)定速度和超調(diào)量好于傳統(tǒng)控制器。2種控制器的電流環(huán)在電流升到最大值過程中的穩(wěn)定過渡時間一樣，但在0.5s時優(yōu)化過的控制器在響應(yīng)速度方面優(yōu)于傳統(tǒng)控制器。加載后系統(tǒng)升速到額定轉(zhuǎn)速的時間變長，和理論分析一致[7]。

為了分析比較2種參數(shù)的穩(wěn)定性，先讓轉(zhuǎn)速空載達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，然后加入負(fù)載，比較2種控制器的穩(wěn)定性，如圖5和6所示。

圖5 轉(zhuǎn)速環(huán)加載的響應(yīng)

圖6 電流環(huán)加載的響應(yīng)

圖5和6中，曲線1為用工程設(shè)計方法設(shè)計調(diào)節(jié)器的響應(yīng)曲線，曲線2為用蜂群算法優(yōu)化控制器的響應(yīng)曲線，在1.2s時加入100A的負(fù)載，由圖5轉(zhuǎn)速環(huán)的響應(yīng)曲線對比可明顯看出，蜂群優(yōu)化控制器抗擾性能好。相應(yīng)的電流環(huán)情況如圖6所示，蜂群優(yōu)化調(diào)節(jié)器與傳統(tǒng)設(shè)計調(diào)節(jié)器比較，蜂群優(yōu)化控制器輸出響應(yīng)迅捷，穩(wěn)定性能優(yōu)良[8]。

4 總結(jié)

根據(jù)MATLAB仿真結(jié)果可以得到： 1)在階躍響應(yīng)的動態(tài)性能上，經(jīng)蜂群算法優(yōu)化的控制器響應(yīng)速度更快，具有更優(yōu)秀的階躍響應(yīng)能力；2)在穩(wěn)定性方面，蜂群算法優(yōu)化的PI控制器明顯優(yōu)于工程設(shè)計的PI控制器；3)在控制器的設(shè)計方面，構(gòu)建較好適應(yīng)度評價函數(shù)后，使用蜂群算法可在不知道控制系統(tǒng)具體參數(shù)的情況下設(shè)計出理想的控制參數(shù)。通過以上分析，可以得出采用蜂群算法優(yōu)化過的雙閉環(huán)控制器可以較好地改進(jìn)傳統(tǒng)PID控制器的不足，提高控制效果。

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[8] 張厚升，李素玲，于蘭蘭，等．基于 MATLAB 的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計與仿真分析[J]．山東理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2013，27(4)：49-53．(Zhang Housheng，Li Suling，Yu Lanlan，et al．The Design and Simulation Analysis of Double Closed Loop DC Motor Control System Based on MATLAB[J]．Journal of Shandong University of Technology(Natural Science Edition)，2013，27(4)：49-53．)

征 文 通 知

智能控制技術(shù)是自動控制技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，智能控制已在模式識別、決策支持、過程控制、故障診斷、預(yù)測建模等許多科學(xué)與工程領(lǐng)域得到了成功應(yīng)用，它的應(yīng)用已經(jīng)或?qū)⒔o工業(yè)制造體系和人們的生活方式帶來顛覆性變化。

為了交流智能控制技術(shù)新成果，促進(jìn)這一學(xué)科領(lǐng)域的創(chuàng)新與發(fā)展，增強(qiáng)科技人員之間的交流與合作，宇航智能控制技術(shù)實驗室、北京航天自動控制研究所和《航天控制》編輯部擬定于2017年下半年聯(lián)合舉辦“智能自主控制技術(shù)”學(xué)術(shù)研討會?，F(xiàn)將有關(guān)事項通知如下：

一、征文范圍

1.人工智能與仿生科學(xué)

2.智能傳感器與智能感知

3.智能計算與智能控制

4.智能規(guī)劃、決策與指揮

5.航天智能自主系統(tǒng)

二、論文要求

1.應(yīng)征論文內(nèi)容必須緊扣本次研討會的征文范圍，強(qiáng)調(diào)針對性、創(chuàng)新性、前瞻性。

2.論文字?jǐn)?shù)不超過6000字(包括摘要、圖表)，用A4標(biāo)準(zhǔn)紙打印，不超過6頁。上邊距：2.5cm，下邊距：2.5cm，左右邊距：2.5cm。正文行距均設(shè)為最小值16磅；一級題目為黑體，四號，且段前段后設(shè)為6磅；二、三級標(biāo)題同正文。

3.文章應(yīng)包括：文章題目(黑體二號，居中)；作者姓名(宋體四號，居中)；作者單位、地址、郵政編碼(宋體，五號，居中)；摘要(摘要為黑體五號，內(nèi)容為楷體五號)；關(guān)鍵詞(關(guān)鍵詞為黑體五號，內(nèi)容為楷體五號)；正文(宋體，五號)；參考文獻(xiàn)(宋體，小五號；應(yīng)為公開發(fā)表的最新文獻(xiàn))；作者簡介(宋體，五號；應(yīng)包括性別、出生年月、職稱、專業(yè)和研究方向、通信地址、郵編以及E-mail地址、聯(lián)系電話等)。

三、投稿方式：

網(wǎng)上投稿，網(wǎng)址為http://htkz.cn。來稿須保證內(nèi)容真實、未侵犯他人知識產(chǎn)權(quán)、無泄密，作者署名無爭議，未一稿多投。來稿須經(jīng)過保密審查，勿投寄涉密稿件，郵寄紙質(zhì)保密審查單。稿件請用WORD格式，請務(wù)必在文章標(biāo)題后面寫上“(征文投稿)”。

四、截稿日期

征文截止日期: 2017年5月30日

錄用通知日期: 2017年6月30日

五、聯(lián)系方式

聯(lián)系電話：(010)68388585；68762264

聯(lián)系人：楊 柳

通信地址: 北京142信箱402分箱《航天控制》編輯部

郵 編：100854

主辦單位: 宇航智能控制技術(shù)國家級重點(diǎn)實驗

2017年 2月

Research on DC Double Closed-Loop PID Motor Speed-Regulation System Based on Artificial Bee Colony Algorithm

Xu Jian1,2, Huang Hua2, Dong Jiechu1, Liao Honghua1

1.Science and Technology College of Hubei University for Nationalities, Enshi 445000,China2. School of Electrical Engineering and Information, Sichuan University , Chengdu 610065, China

Basedonthedoubleclosed-loopDCmodel,aimingatthedifficultyofcurrentDCdoubleclosed-loopPIDcontrollerparameterstuningandoptimization，accordingtotheartificialbeecolonyalgorithmwhichisintroducedintotheDCdoubleclosed-loopspeedregulationsystem,theDCmotorspeedandparametersofPIDcontrollerisrealizedandtheoptimalresultsofartificialbeecolonyalgorithmiscomparedandanalyzedbyusingthestepresponseofthesystem.Theresultsshowthatthedynamic-performance-index-improvedartificialbeecolonyalgorithmcanobtainbetterperformancethanthetraditionaldesignmethodandisfollowedfasterandrobust,Thus,abetteroverallperformanceandpracticalmethodisproposedforPIDparameteroptimization.

Artificialbeecolony(ABC)；DoubleloopDCmotor(DLM)；PIDcontrol；Parameteroptimization

*國家自然科學(xué)基金(61263030)；湖北民族學(xué)院科技學(xué)院科研項目(KJB201602)

2016-05-13

徐 建(1981-)，男，湖北英山人，博士研究生，講師，主要從事嵌入式與智能控制方面的研究；黃 華(1961-)，男，成都人，博士，教授，主要從事信號處理與自動控制方面的研究；董杰楚(1987-)，男，湖北恩施人，工程師，主要從事電氣自動化方面的研究；廖紅華(1972-)，男，湖北恩施人，博士，教授，主要從事信號檢測與自動控制方面的研究。

TP181

A

1006-3242(2017)01-0092-04