1、毕业设计文献综述电气工程与自动化闭环控制的变压异步机调速系统设计与分析摘要传统的PID控制器参数调整大多数采用人工经验指导下的实验试凑方式。这些方法可使系统性能有所改善，但有的不能在全局范围内达到最优，有的设计过于理论化，不适合工程应用。粒子群优化PSO算法是一种随机搜索全局优化新方法。将PSO算法应用于PID控制参数的寻优，解决电机控制系统中PID参数优化。直接转矩控制DTC交流变频调速，直接对电机定子磁链和电磁转矩进行控制，避免了矢量控制中复杂的变换和参数运算，使控制结构变得十分简单。应用MATLABSIMULINK进行了仿真，证明了上述方法的可行性，并且对仿真波形进行分析，验证系统的正确
2、性。关键词粒子群优化算法PID控制器直接转矩控制1背景在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根
3、据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。直接转矩控制（DIRECTTORQUECONTROLDTC），这种“直接自控制”的思想以转矩为中心来进行综合控制，不仅控制转矩，也用于磁链量的控制和磁链自控制。直接转矩控制与矢量控制的区别是，它不是通过控制电流、磁链等量间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量控制，其实质是用空间矢量的分析方法，以定子磁场定向方式，对定子磁链和电磁转矩进行直接控制的。1985年德国鲁尔大学的狄普布洛克（MDEPENBROCK）教授首先提出了基于六边形乃至圆形磁链轨迹的直接转矩控制理论，他称为DIRECTSELFCONTROLDSC。这种方法不需要复杂的坐标
4、变换，而是直接在电机定子坐标上计算磁链的模和转矩的大小，并通过磁链和转矩的直接跟踪实现PWM脉宽调制和系统的高动态性能。粒子群优化PARTICLESWARMOPTIMIZATION,PSO，又称微粒群算法，是由JKENNEDY和RCEBERHART等于1995年开发的一种演化计算技术,来源于对一个简化社会模型的模拟。PSO算法最初是为了图形化的模拟鸟群优美而不可预测的运动。而通过对动物社会行为的观察，发现在群体中对信息的社会共享提供一个演化的优势，并以此作为开发算法的基础。通过加入近邻的速度匹配、并考虑了多维搜索和根据距离的加速，形成了PSO的最初版本。之后引入了惯性权重W来更好的控制开发EX
5、PLOITATION和探索EXPLORATION，形成了标准版本。2观点与主张21标准PSO原理9PSO优化算法中，每个优化问题的解都是D维目标搜索空间中的一个粒子，由M个粒子组成一个群体。每个粒子性能优劣程度取决于待优化问题目标函数确定的适应值，每个粒子由一个速度决定其飞行的方向和速率的大小，粒子们追随当前的最优粒子在解空间中进行搜索。PSO初始化为一群随机粒子，通过迭代找到最优解。假定一个包含M个粒子的粒子群在D维目标空间中搜索，代表潜在问题解的M个粒子组成一个种群为（1）式中,，I1,2,M，表示第I个粒子在D维解空间的一个矢量点。将代入一个与求解问题相关的目标函数，即可计算出相应的适应
6、值。用I1,2,M记录第I个粒子自身搜索到的最优位置，用GBEST记录该种群搜索到的最优值。而每个粒子还有一个速度变量，可以用，表示第I速度。算个粒子的法采用以下公式对粒子的位置进行更新，即（2）（3）其中，粒子的标号I1,2,MK为迭代的次数；学习因子C1和C2是两个正常数，一般取值为2R1和R2是均匀分布在0，1之间的两个随机数。为了控制和在合理的区域内，需要指定VMAX和XMAX来限制。称为惯性因子，可以是正常数，也可以是以时间为变量的线性或非线性正整数。22PSO算法的PID参数整定流程STEP1输入系统数据，初始化粒子群。STEP2计算每个粒子的适应值，即目标函数值。STEP3记录两
7、个极值，即当前的个体极值以及整体极值GBEST。STEP4更新，KK1。粒子根据式2更新飞行速度；根据式3更新粒子在解空间的位置；根据不同的初始权重分别计算。STEP5重新计算各个粒子此时的目标函数值，判断是否更新和GBEST。首先，对于粒子I，比较第K1次迭代中得到的函数值FI,K1与F。若FI,K1O，施加指向圆外的电压矢量，定子磁链的幅值增加。3|U|/2，SO，施加指向圆内的电压矢量，定子磁链的幅值减少定子电压空间矢量对电动机转矩的影响电动机的电磁转矩可以表示为定子磁链与转子磁链的形式（7）图2电压矢量与定子磁链的关系根据式（7）可以知道，电机转矩的大小不仅仅与定、转子磁链幅值有关还与
8、它们的夹角有关。在实际运行中，保持定子磁链幅值为额定值以充分利用电动机铁心；转子磁链幅值由负载决定；要改变电动机转矩的大小，可以通过改变磁通角大小来实现。通过空间电压矢量U的工作状态和零状态来控制定子磁链的旋转速度控制定子磁链走走停停，以改变定子磁链的平均旋转速度的大小从而改变磁通角的大小，以达到控制电动机转矩的目的。这也就是直接转矩控制的目的A24直接转矩控制系统的基本结构图3DTC下的异步电动机结构图图3展示了在DTC下的异步电机简化结构框图，异步电动机由三相换流器驱动，三相换流器包括6个由控制信号SA，SB，SC驱动的快速开关装置。换流器的直流输入电压是由一个全桥滤波器和一个LC滤波器提
9、供的。基本的DTC控制算法由两个滞回比较器组成，用于产生定子流量和电子转矩的误差。这些误差信号（ST和SF）合并为一个转换表。独立控制器的反馈信号来自于估值器，这个估值器能从定子电流和电压空间矢量中算出定子流量和电机转矩。电压空间矢量是从换流器中产生的，通过感应直流联接和换流器的驱动信号SA，SB，SC。4总结PID做为典型的电机闭环控制系统，具有很多优点，比如结构简单，稳定性好，工作可靠，调整方便，是工业控制的主要技术之一。然后，它的缺点也是很明显的，当PID的参数不合理时，很容易造成系统达不到理想的性能指标，而最优的PID参数计算有时十分复杂，也过于理论化。PSO优化算法，一种基于随机搜索
10、全局优化新方法，能很好的解决PID参数选择上的难题，而且算法并不繁锁，便于实现，是未来PID参数调整的一个很好的走向。主要参考文献1张静，异步电动机直接转矩控制系统的仿真研究，机械与电子2010年第23期2袁松贵，基于改进PSO算法的电机控制系统PID参数优化,农机化研究,2007年6月第六期3陈斌，异步电机矢量控制系统调速性能的仿真研究,机械与电子,2010年第21期4武德祥，张爱玲，许连丙，王建华，异步电机直接转矩控制系统起动方法的研究太原理工大学学报2010年7月第4期5李凌舟，陈利，基于改进PSO算法的PID参数优化研究，四川电力技术2009年10月第10期6CHENGZHICAO,B
11、OZHOU,MINLI,JINGDU，DIGITALIMPLEMENTATIONOFDTCBASEDONPSOFORINDUCTIONMOTORS，INFORMATIONSCIENCEANDENGINEERINGSHENYANGUNIVERSITYOFTECHNOLOGYSHENYANG,LIAONINGPROVINCE,CHINA7SMYTHILI,DRKTHYAGARAJAH,DIRECTTORQUECONTROLDTCOFMULTIPHASEINDUCTIONMOTORUSINGTMS320F2407DIGITALSIGNALPROCESSOR，IEEEPEDS20058KATSUHIKOOGATA，现代控制工程（第4版），清华大学出版社2009年9MUHAMMADHRASHID，电力电子学电路、器件及应用（第3版），人民邮电出版社2007年10STEPHENJCHAPMAN,电机原理及驱动电机学基础ELECTRICMACHINERYFUNDAMENTALS，清华大学出版社2009年11胡寿松，自动控制原理，科学出版社，2007年
