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1、开题报告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一、选题的背景与意义变压调速是异步电动机调速方法中比较简便，使用广泛的一种。它结构简单，便于控制，相比起变频调速，技术更加完善和成熟。而变压调速中的控制器，大多采用PID控制器。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
2、参数时，最适合用PID控制技术。但传统的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。二、研究的基本内容与拟解决的主要问题：1. 寻找异步电动机的数学模型，掌握它的变压调速原理 2. 在异步电动机的闭环控制中引入PID控制，观察PID参数对系统性能的影响3. 研究PSO算法，掌握PSO算法是如何寻找最优参数的4. 利用PSO算法来寻找PID控制中的最优参数，
3、分析记录下结果，并与传统的PID控制进行比较，总结PSO-PID方法的优点5. 考虑改进PSO算法的可能性，进一步与原闭环系统进行比较，最大可能的完善电机的性能。三、研究的方法与技术路线：1. 异步电动机的变压闭环控制1.1 异步电动机改变电压时的机械特性异步电动机的稳态等效电路如图1所示图1 异步电动机的稳态等效电路Rs、Rr定子每相电阻和折合到定子侧的转子每相电阻Lls、Llr定子每相漏感和折合到定子侧的转子每相漏感Lm定子绕组产生气隙主磁通的等效电感，即空载实验得的励磁电感Us、1定子相电压和供电角频率S转差率由图可以导出 （1）其中， （2）令电磁功率Pm=3Ir2Rr/s，同步机械角
4、转速m1=1/np,np为极对数，则异步电动机的电磁转矩为（3）式（3）就是异步电动机的机械特性方程式。它表明，当转速或转差率一定时，电磁转矩与定子电压的平方成正比。这样，不同电压下的机械特性便如图2所示由图2可见，带恒转矩负载TL工作时，普通笼型异步电动机变电压时的稳定工作点为A、B、C，转差率s的变化范围为0Sm，调速范围有限。为了能在恒转矩负载下扩大调速范围，并使电动机能在较低速下动行而不致过热，就要求电动机转子有图2 异步电动机在不同电压下的机械特性 较高的电阻值，这样的电动机在变电压的机械特性如图3所示。图3 高转子电阻电动机在不同电压下的机械特性1.2 闭环变压调速系统的近似动态结
5、构框图N（s）图4 异步电动机闭环变压调速系统结构框图异步电动机的动态过程是由一组非线性微分方程描述的，要用一个传递函数来准确地表示它的输入-输出关系是不可能的。所以，要用稳态工作点附近的微分线性化方法求出一个近似的传递函数。这个近似的传递函数为 （4）式中，KMA异步电动机的传递系数， ; Tm异步电动机拖动系统的机电时间常数，1.3 异步电机的PID控制 所谓PID控制，就是指比例（P），积分（I）和微分（D），这三个控制的特性分别如下：比例（P）控制 比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state e
6、rror）。 积分（I）控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 微分（D）控制 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差
7、的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入 “比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调
8、节过程中的动态特性。2PSO算法 PSO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=(,)，i=1,2,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值。用(i=1,2,m )记录第i个粒子自身搜索到
9、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i=1,2,m;k为迭代的次数；学习因子c1和c2是两个正常数，一般取值为2;r1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。3改进的PSO优化算法 微粒群算法中微粒的飞行速度相当于搜索步长，其大小直接影响着算法的全局收敛性。当微粒的飞行速度较大时，可以保证微粒以较快的速度飞向全局最优解
10、所在的区域。但是当逼近最优解时，由于微粒的飞行速度过快，又很容易飞越最优解。由式(2)可知，惯性权重是影响算法收敛性和收敛速度重要参数。在算法的初期，希望算法有较快的收敛速度，此时值不能太小。在算法的后期，希望算法有较好的收敛精度，即需要较小的变化步长，此阶段值应相应取小，易于算法收敛。基于以上分析，提出一种改进PSO算法。算法按照式(4)实现惯性权重的非线性调整，从而保证在算法的前期有较大的收敛速度，而在后期能以较大概率收敛到全局最优。式中仅称为调节因子，t及t+1表示迭代次数。 (4)四 研究的总体安排与进度：第1-3周（2010.11.27-2010.12.19）：在广泛查阅中外文献与资
11、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（2010.12.20-2010.12.26）：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5-8周（2010.12.27-2011.1.16）：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9-12周（2011.02.17-2011.03.13）：2010学年上学期第1-4周毕业实习。 第13-18周（2011.03.14-2011.04.24）：继续设计阶段、实验、设计、编程、调试、结果分析、
12、撰写论文。期间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19-21周（2011.04.25-2011.05.15）：毕业设计资料整理，提交完整的毕业设计（论文）资料。 第22-23周（2011.05.16-2011.05.27）：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 Chengzhi Cao, Bo Zhou, Min Li, Jing Du，Digital Implementation of DTC Basedon PSO for Induction Motors，Proceedings of the 6th World Co
13、ngress on Intelligent Controland Automation, June 21-23, 2006, Dalian, China2 Mythili, Thyagarajah, Direct Torque Control (DTC) of Multi-phase Induction Motor using TMS320F2407 Digital Signal Processor，IEEE PEDS 20053 Katsuhiko Ogata，Modern Control Engineering(Fourth Edition)，清华大学出版社 2009年4 Muhammad
14、 Rashid，Power Electronics Circuits,Devices,and Applications (Third Edition)，人民邮电出版社2007年5Stephen Chapman, Electric Machinery Fundamentals，清华大学出版社 2009年6 胡寿松，自动控制原理，科学出版社，2007年7 陈伯时，电力拖动自动控制系统-运动控制系统，机械工业出版社，2010年7月8 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9 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10 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11 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12 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
