1、本科毕业设计（20届）直流电动机双闭环控制系统设计与分析所在学院专业班级电气工程及其自动化学生姓名学号指导教师职称完成日期年月摘要【摘要】随着现代工业过程控制系统的日益复杂和控制精度的日益提高，传统的PID控制器参数整定的方法越来越不能满足工业需求，针对这一现况，提出了一种利用粒子群PSO优化算法对PID参数进行整定的改进策略。通过PSO算法和传统工程设计方法对直流双闭环调速系统的工业典型被控对象一系列的仿真分析、比较、研究，发现PSO算法能获得更好的动态性能指标，有更快的跟随性与更好的鲁棒性，体现了PSO算法在PID控制器参数整定的优越性。【关键词】PSO算法；双闭环控制系统；PID；SIM
2、ULINK。IIABSTRACT【ABSTRACT】WITHTHEINCREASINGOFTHEMODERNINDUSTRIALPROCESSCONTROLSYSTEMSSCOMPLEXITYANDTHECONTROLLINGACCURACY,THETRADITIONALPIDCONTROLLERPARAMETERTUNINGHASMOREANDMOREDIFFICULTIESTOMEETINDUSTRIALDEMANDFORTHISSITUATION,AMODIFIEDPARTICLESWARMOPTIMIZATIONAPPLIEDTOPIDPARAMETERTUNINGISPUTFORWA
3、RDTHROUGHASERIESOFSIMULATIONANALYSIS,COMPARISON,RESEARCHONTHEINDUSTRIALTYPICALCONTROLLEDOBJECTOFADCMOTORDOUBLECLOSEDLOOPSPEEDREGULATIONSYSTEMBYTHEPSOALGORITHMANDTHETRADITIONALENGINEERINGDESIGNMETHOD,ITTURNSOUTTHATTHEPSOALGORITHMMETHODOBTAINSBETTERDYNAMICPERFORMANCEINDICATORS,FASTERFOLLOWINGPERFORMAN
4、CEANDBETTERROBUSTNESSSOTHEPSOALGORITHMMETHODHASBETTERPERFORMACEONTHEPIDCONTROLLERPARAMETERSTUNING【KEYWORDS】PSOALGORITHM；DOUBLECLOSEDLOOPCONTROLSYSTEM；PID；SIMULINKIII目录1绪论111选题背景112课题基本内容1121研究对象1122课题的主要工作22双闭环直流调速的工作原理321调速系统系统的性能指标3211调速系统的稳态性能3212调速系统的动态性能322开环调速系统323转速单闭环调速系统324转速电流双闭环直流调速系统4241
5、稳态结构图和静特性4242双闭环调速系统的起动过程5243双闭环调速系统的动态扰动性能分析63PID控制器831PID控制器简介8311PID控制器的产生8312PID整定的现状832PID控制器的基本原理833PID控制器参数对控制性能的影响9331比例系数对系统性能的影响9332积分时间对系统性能的影响9333微分时间对系统性能的影响94粒子群优化PSO算法介绍1041PSO算法的背景1042基本PSO算法1043PSO算法的设计步骤1144PSO整定PID参数的目标函数选取1145改进PSO算法11IV5双闭环直流调速设计与分析1351双闭环直流调速设计1352电流调节器的工程设计135
6、21电流环动态结构图的化简13522电流调节器的设计14523电流调节器的参数计算1553转速调节器的工程设计16531转速环动态结构图的化简16532转速调节器的设计17533转速调节器的参数计算18534电流和转速调节器的参数2054MATLAB仿真双闭环控制系统模型20541MALAB发展和介绍20542SIMULINK简介20543ASR限幅工程设计法双闭环控制系统仿真21544ASR线性工程设计法双闭环控制系统仿真24545PSO优化算法双闭环控制系统仿真2855MATLAB仿真双闭环控制系统结果分析326总结34参考文献35致谢错误未定义书签。附录3611绪论11选题背景直流电动机
7、在起、制动等方面具有良好性能，能在比较广泛的范围内平滑调速，在现代工业控制中，其调速控制系统占有重要的地位，而转速电流双闭环调速系统在直流调速控制系统中是最典型一种调速系统。虽然直流调速理论现在理论上和实际上都比较成熟,但是设计好双闭环调速系统并应用于工程设计却不是易事。以偏差比例P、积分I和微分D进行控制的PID控制器是最早提出的反馈控制器之一，在工业过程工程中,因其结构简单、易于实现、鲁棒性好和性价比高等优点,所以得到广泛的应用。控制系统设计最主要的是对PID控制器参数进行整定,根据各个被控过程的特点来确定PID控制器的参数的取值。目前存在许多传统的PID参数整定方法，如飞升曲线法、临界比
8、例法、经验整定法和衰减曲线法等等，虽然这些方法在实际的工业控制中普遍使用，但是整定的控制性能指标并非很理想，随着现代智能计算科学的迅速发展，在PID参数整定中智能优化算法取得了传统优化算法无法比拟的结果，如采用蚁群算法、遗传算法进行参数寻优取得了较好的结果，但是蚁群算法算法编程复杂，所以应用不广；遗传算法存在早熟、参数依赖性强的缺点1。粒子群算法PSO是1995年由KENNEDY和EBERHART共同提出的。PSO算法来源于对鸟群的觅食过程中的迁徙和聚集的模拟，更确切地说是简单个体组成的群体与环境以及个体的互动行为，利用粒子间的互相作用寻求复杂搜索区间的最优区域。PSO算法具有计算快速收敛、所
9、需参数少而且易于实现和不易陷入局部最优等优点，在国际上引起来人相关领域众多学者的关注和研究2。12课题基本内容121研究对象本课题主要研究直流电动机双闭环控制系统设计与分析，并通过改进的粒子群优化算法PSO算法应用于双闭环PID调节控制的方法对系统进行设计和仿真。双闭环调速控制系统具有转速调节器ASR和电流调节器ACR,分别用来调节转速和电流,两者实行嵌套连接,并且都有输出限幅电路。由于双闭环调速系统的最重要被控量是转速,所以把转速环设置为外环,把由电流环设置为内环。这样就构成了转速、电流双闭环系统。直流电动机双闭环控制系统原理见图11所示。2图11直流电动机双闭环控制系统原理其中ASR转速调
10、节器ACR电流调节器TG测速发电机TA电流互感器UPE电力电子变化器NU转速给定电压NU转速反馈电压IU电流给定电压IU电流反馈电压PSO整定PID控制器原理图如图12所示PID控制器PSO优化算法被控对象图12PSOPID控制器结构图122课题的主要工作本课题主要需要解决以下问题1要求在不同信噪比下比较控制的结果。如控制精度，过度过程时间，鲁棒性等性能差异。2讨论各个参数的选择的要求及其对控制结果的影响。3给出算法的具体步骤和流程图，并提供MATLAB或SIMULINK源程序及说明。32双闭环直流调速的工作原理21调速系统系统的性能指标211调速系统的稳态性能每台需要控制转速的设备，它的生产
11、工艺对调速性能都有一定的要求。对于调速时，在最高转速和最低转速范围内，分有级无级调速；对于稳速时，要确保在各种干扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量；在加、减速方面，起、制动频繁的设备要求加、减速迅速，不宜剧烈速度变化的设备则要求起、制动性能平稳。为了进行定量分析，将前两项要求定义为调速范围和静差率。这两个指标都属于调速系统的稳态性能指标。1调速范围MAXMINNDN，其中MAXN和MINN指的是电动机额定负载时最高和最低转速；2静差率0NNSN，其中NN是指负载由理想空载增加到额定值所对应的转速降落，0N为理想空载的转速4。212调速系统的动态性能动态性能指标可以通过生产工艺对控制系统
12、动态性能的要求转换所得。跟随性能指标和抗绕性都属于能指标控制系统的动态性能指标。1跟随性能指标在给定信号RT的作用下，控制系统输出CT的变化可以通过跟随性能指标来描述。具体的指标主要包括上升时间RT，调节时间ST和超调量。2抗扰性能指标此项性能指标表现为控制系统的抗扰动的能力，主要包括动态降落MAXC和恢复时间VT。22开环调速系统在开环调速系统中，调节控制电压可改变电动机的转速。如果负载的生产过程中的静差率要求不高，开环调速系统可以在一定范围内实现无级调速，然而，许多需要调速的设备经常对静差率有一定的要求，在负载扰动或者突变等情况下要保证静差率在一定的范围内；在这些情况下，开环调速系统常常不
13、能很好的满足要求4。23转速单闭环调速系统转速单闭环控制系统是一种最简单的反馈控制系统，具有反馈控制系统的一般规律，采用转速负反馈的闭环调速系统结构图如图21所示；转速单闭环控制系统是按照转速的偏差来进行控制，只要转速出现偏差，它就会自动纠正转速偏差，所以说引进转速闭环可以让调速系统大幅度的减少转速降落4。4图21采用转速负反馈的闭环调速系统24转速电流双闭环直流调速系统在保证系统稳定的前提下，采用PI调节器的转速单闭环的调速系统的确可以实现转速无静差。但是，如果控制系统需要比较高的的动态性指标，如突加负载时动态转速降小、实现快速起制动等等，转速单闭环的调速系统就会显现出它的不足。然而，转速、
14、电流双闭环直流调速系统很好的解决了这个问题4。241稳态结构图和静特性双闭环调速系统稳态结构图如图32所示。图22双闭环直流调速系统的稳态结构图其中转速反馈系数电流反馈系数SK电力电子变换器的电压放大系数限幅作用存在两种情况1饱和输出值达到限幅值，当调节器饱和时，输出就恒定不变，输出不再随输入量的变化而变化，一直到出现反向的输入信号使调节器退出饱和；2不饱和输出值没有达到限幅值，当调节器不饱和时，由于PI的作用，在稳态时输入偏差电压一直是零4。5实际工作中，电流调节器饱和状态一般是不会达到的。所以，对于控制系统的静特性来说，只存在转速调节器的饱和与不饱和。双闭环直流调速系统的静特性如图33所示
15、，图23双闭环直流调速系统的静特性其中0N理想空载转速DMI最大电流。转速调节器不饱和NN0IID,UUNNUUI21由21第一个关系式可得N0UNN，描述的是图23双闭环直流调速系统静特性的RS段。此时，由于ASR不饱和，IU105YSS,N1ENDENDT1TOUTICSLENGTHTOUTJCS1N0WHILEN0JJ1IFJ1N1ELSEIFYOUTJT240TST1ENDELSEIFT2T1TST2ELSETST1ENDENDENDW102W2089W3001权重因子FW1EW2TSW3SYS_OVERSHOOT适应度函数END3PLTMFUNCTIONSIGMA,TP,TSPLTP
16、IDKPPID1KIPID2SIMOPTSIMSETSRCWORKSPACE,CURRENTTOUT,XOUT,YOUT,YOUT1SIMPSOB,010,SIMOPTMP,TFMAXYOUT峰值和所在的时间CSLENGTHTOUT时间长度YSSYOUTCS稳态值SIGMAMPYSS/YSS计算超调量TPTOUTTF计算峰值时间计算上升时间I1N0WHILEN0II1IFYOUTI09YSSN1ENDEND41TRTOUTI计算调节时间ICS1N0WHILEN0II1IFI1N1ELSEIFYOUTI105YSS；选择5的误差带N1ENDENDT1TOUTICSLENGTHTOUTJCS1N0
17、WHILEN0JJ1IFJ1N1ELSEIFYOUTJT2TST1ENDELSEIFT2T1TST2ELSETST1ENDEND42END画出转速和电流图形PLOTTOUT,YOUT,R,TOUT,YOUT1,BAXISOFFAXISONAXIS0201550XLABELTYLABELID/NTITLE双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形GRIDONEND4START_GCSJMCLEARCLCWARNINGOFFSIMOPTSIMSETSRCWORKSPACE,CURRENTTOUT,XOUT,YOUT,YOUT1SIMGCSJ,010,SIMOPTMP,TFMAXYOUTCSLENG
18、THTOUTYSSYOUTCS稳态值SIGMAMPYSS/YSS计算超调量TPTOUTTF计算峰值时间I1N0WHILEN0II1IFYOUTI0,N1ENDENDIDLYOUT1II1N0WHILEN0II1IFYOUTI09YSSN1END43ENDTRTOUTI计算调节时间ICS1N0WHILEN0II1IFI1N1ELSEIFYOUTI105YSS,N1ENDENDT1TOUTICSLENGTHTOUTJCS1N0WHILEN0JJ1IFJ1N1ELSEIFYOUTJT2TST1ENDELSEIFT2T1TST2ELSETST1END44ENDEND描绘转速和电流的波形图PLOTTOUT,YOUT,R,TOUT,YOUT1,BAXISOFFAXISONAXIS0202000XLABELTYLABELID/NTITLE双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形GRIDONSIGMA超调量TP峰值时间TS调节时间
