1、毕业设计开题报告电气工程与自动化直流电动机双闭环控制系统设计与分析一、选题的背景与意义随着现代工业的快速发展，在调速领域中，双闭环的控制理念已经得到了越来越广泛的认同。由于其动态响应快,静态性能良好,抗干扰能力强,因而在工程设计中被广泛地采用1。现在直流调速理论发展得比较成熟,但要真正设计好一个双闭环调速系统并应用于工程设计却有一定的难度2。PID（即比例积分微分）控制器是最早发展起来的控制理论之一，由于它具有算法结构简单、鲁棒性好、可靠性高等优点，在工业控制中90是采用PID控制系统3。然而，在越来越复杂的工业过程中，常常难以确定其精确数学模型，无法从理论上准确设计PID控制器的相应参数。此
2、外，在实际的生产现场过程中，由于受到现场环境及运行工况的变化等因素的困扰，常规的PID设计方法往往整定欠佳，性能不良，对运行工况的适应性较差，很难满足对生产过程的控制性能和产品质量的要求。群体智能算法SWARMINTELLIGENCEALGORITHM4是近十几年发展起来的智能仿生算法，其基本思想是模拟自然界生物的群体行为来构造随机优化算法。其中由美国学者KENNEDY和EBERHA提出的粒子群优化算法PARTICLESWARILLOPTIMIZATION，PSO计算快速收敛，不易陷入局部最优，而且所需参数少且易于实现。因此，粒子群及改进的粒子群优化算法在PID参数整定中的应用近几年也得到了极
3、大关注和重视。二、研究的基本内容与拟解决的主要问题1、基本内容本课题主要研究直流电动机双闭环控制系统设计与分析，并通过粒子群优化算法（PSO）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PID控制系统设置了转速调节器ASR和电流调节器ACR,分别调节转速和电流,两者实行串级连接,且都带有输出限幅电路。由于调速系统的主要被控量是转速,故把转速环作为外环,以抑制电网电压扰动对于转速的影响,把由电流环作为内环,以实现在最大电流约束下的转速过渡过程最快最优控制。直流电动机双闭环控制系统原理见图1所示。图1直流电动机双闭环控制系统原理其中ASR转速调节器ACR电流调节器TG测速发电机TA电
4、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电流反馈电压标准PSO算法的基本思想是模拟自然界生物的群体行为来构造的随机优化算法。设在D维空间中，有M个粒子组成一个群落，其中12,IIIIDXXXX,表示第I个粒子在D维空间的当前位置，第I粒子的当前速度用12,IIIIDVVVV,表示；粒子I所经历的最好位置称为BESTP，记作12,IIIIDPPPP,，即个体最好位置；全局极值BESTG，记为12,GGGGDPPPP,，则PSO算法的进化方程描述为11122,NNNNNNIDIDIDIDGDIDVWVCRANDPXCRANDPX（1）11,NNNIDIDID
5、XXV（2）其中1RAND和2RAND表示为0,1范围内变化的随机数；1C和2C为加速度常数，用来调节每次迭代的步长，一般设置为2；N为迭代次数；W为惯性权重，起着调整算法局部和全局的搜索能力的作用；此外为了减少在进化过程中，粒子离开搜索空间的可能性，粒子的速度IDV被一个最大的速度MAXV限制，即当前对粒子的加速导致其在某维的速度超过最大的速度MAXV，则速度就被限制在MAXV。其中最大速度取决于当前位置与最好位置之间区域的分辨率，如果最大速度太大，可能会飞过最优解，如果最大速度太小，又不能在局部好区间之外进行搜索。惯性权重参数W具有维护全局和局部搜索能力的平衡作用。在解决实际问题时，往往需
6、要先采用全局搜索，以使搜索空间快速收敛到一个较小的区域，然后再采用局部搜索，从而在提高算法优化时间的同时避免了算法较早陷入局部最优，提高了搜索结果的精确度。通常设定为09到04的范围内线性减少，即MAXMINMAXMAX,WWWWITERITER（3）其中MAXITER是最大的进化代数，ITER是当前的进化代数，MAXW，MINW分别代表W的变化范围的上界和下界。2、拟解决问题要求在不同信噪比下比较控制的结果（1）、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，提供MATLAB或SIMULINK源程序及说明。
7、三、研究的方法与技术路线PID控制器的设计就是对IK，PK和DK，即比例、积分、微分三个参数的调整来达到控制器性能的要求。PSO算法优化PID控制器参数的基本思路为首先确定算法的维数，进化常数，并根据控制性能的要求，确定优化评价指标，再将PID参数编码成如下粒子编码串,IPDKKK，粒子中每个变量都用实数表示，取值范围根据要求确定，通过粒子群优化算法在该范围内寻求比例、积分微分三个参数的最优解。比例积分微分被控对象RTYT图2PID控制系统框图控制规律为0TPIDDETUTKETKETDTKDT其中ETRTYT，/IPIKKT，DPDKKT具体流程如下第1步确定种群维数、种群规模、进化常数和控
8、制器参数IK，PK和DK变量取值范围的上下界。随机初始化粒子群，即粒子的初始位置、速度，粒子的个体最优值BESTP和种群的群体最优值BESTG；第2步根据关于IK，PK和DK的适应度评价函数计算粒子群中每一个粒子的适应度；第3步将每个粒子的当前适应度与个体最优值BESTP比较，如果当前适应度值更优，则用当前的值更新；第4步将每个粒子的当前适应度与群体最优值BESTG比较，如果当前适应度值更优，则用当前的值更新；第5步根据式（1）和（2）更新每个粒子速度和位置，惯性权重参数按式（3）或者其它优化设置变化；当寻优过程中粒子跑出限定寻优范围，则将其放回边界继续参与寻优；第6步迭代次数TT1，如果达到
9、最大迭代次数或者优化的终止条件，循环终止，否则返回第2步继续执行。寻优完成后，输出的BESTG中保存的参数，即为控制器参数的最优结果。在MATLAB软件中，用SIMULINK建双闭环直流电动机调速系统模型。对于电流内环设计，希望电流无静差，在突加控制时，电流不能有太大的超调，可以选择典型型系统，采用PI调节。对于转速环的设计，可以选择典型II型系统，在实现转速无静差的同时又能满足动态抗干扰性能的要求，采用抗饱和调节器（PID）。在软件仿真中建立PSO优化的系统模型，然后进行系统性能分析，记录数据，然后对PSO优化后的系统和传统工程设计得到的性能进行对比。四、研究的总体安排与进度第13周（201
10、0112720101219）在广泛查阅中外文献与资料的基础上，完善课题研究方案，完成文献综述2000字以上和翻译外文文献2篇以上，（每篇外文文献翻译的中文字数一般要求2000字以上）。第4周（2010122020101226）在文献查阅的基础上，完成课题综述，完成开题报告，完成开题报告答辩。第58周（201012272011116）毕业设计（论文）的设计主要实施阶段，按本课题的技术路线与总体方案具体实施。第912周（2011021720110313）2010学年上学期第14周毕业实习。第1318周（2011031420110424）继续设计阶段、实验、设计、编程、调试、结果分析、撰写论文。期间
11、还将组织毕业设计的中期检查，执行“毕业设计（论文）中期黄牌警告制度”。第1921周（2011042520110515）毕业设计资料整理，提交完整的毕业设计（论文）资料。2223周（2011051620110527）毕业设计（论文）答辩准备、答辩、毕业设计成绩评定。五、主要参考文献1祁佳，罗琦，王德强，基于改进粒子群算法的PID控制器参数整定J计算机与现代化,2009年第1期（总第161期）2CHAOOU,WEIXINGLIN,COMPARISONBETWEENPSOANDGAFORPARAMETERS,PROCEEDINGSOFTHE2006IEEEINTERNATIONALCONFERENC
12、EONMECHATRONICSANDAUTOMATIONJUNE2528C,2006,LUOYANG,CHINA3王伟，张晶涛，柴天佑PID参数先进整定方法综述J自动化学报，2000年第26卷第3期4KENNEDYJ，EBERHARTRC，SHIYSWARMINTELLIGENCEMSANFRANCISCOMORGANKAUFMANPUBLISHERS，20015韩璐，直流电动机双闭环调速系统及其SIMULINK的仿真J船海工程，2008年第2期总第153期6陈贵敏，贾建援，韩琪粒子群优化算法的惯性权值递减策略研究J西安交通大学学报，2006年第40卷第1期7李立礼，王强，王晓霄改进粒子群优化
13、算法在PID参数整定中的研究J计算机工程与应用，2009年第45卷第25期8陈伯时，电力拖动自动控制系统第3版M机械工业出版社，20049陈俊强俊，基于粒子群算法的PID控制研究J自动化与仪器仪表,2009年第3期（总第143期）10刘金琨，先进PID控制MATLAB仿真第2版M北京电子工业出版社，200411张兴华，李纬，周刘喜一种PID参数整定的粒子群优化算法J计算机工程与应用，2007年第43卷第33期12孔敦卫，张勇，张建化新型粒子群优化算法J控制理论与应用,2008年第25卷第1期13邵文，左信，张志新改进粒子群优化算法及其在PID参数整定中的应用研究J石油化丁自动化，2008年第44卷第5期
