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1、HUBEI UNIVERSITY FOR NATIONALITIES学士学位论文论文题目 基于人工蜂群算法的直流电机 PID控制器设计与仿真 郑重声明 本人的毕业论文为基于人工蜂群算法的直流电机PID控制器设计与仿真，该论文是在指导老师的帮助和我查阅很多相关资料下独立完成的。本人谨守学术道德，从不弄虚作假，文中引用的部分已经标明。本论文的知识产权归属于学校，学校享有借阅，发表，申请专利等的权利。特此声明 论文作者： 签字日期： 年 月 日摘 要随着人类在电力电子领域的不断深入，直流电机及其控制器得到了越来越广泛的使用。我们在享受其带来的便利的同时也越来越多地发现了它们的不足。或者说，现行的直流
2、电机PID控制器的稳定性、鲁棒性等性能指标由于日益增长的电力电子等行业的生产要求的提高而逐渐跟不上要求。这时候我们为了提高控制器的各个性能指标，我们必须将新的算法引入控制系统中，来达到提升控制器的各个性能指标。可是，现如今，由于控制器的各个性能指标之间有着相互约束的关系，以及由于实际生产过程中的研发、生产成本带来的性价比等因素，使得PID控制器的设计迈向新的台阶产生了重重困难。考虑到这些因素的存在，我们须找到一种能在权衡所有因素之后找到一个最优解决方案来解决这个问题。这时候，我们想到了人工蜂群算法。所谓人工蜂群算法，就是将蜜蜂采蜜人工化。蜜蜂采蜜时，将局部内所有食物源进行优劣对比，找到局部最佳
3、值。而蜂群工作则可以将各个局部最优叠加产生整体最优。这样的一种算法的优势在于，不知道被控对象的精确函数模型也能完成控制。它完成控制的方式，仅仅只是不断的将问题的优劣性做对比来完成整个控制器的控制过程。于是，基于人工蜂群算法的直流电机PID控制器设计的工作开始了。关键词: 直流电机，PID控制器，人工蜂群算法 ABSTRACT With the continuous deepening of the human in the field of power electronics, DC motor and its controller are used more and more widely.
4、 We enjoy the convenience it brings is also increasingly found their deficiency. Or say, stability, robustness and performance index of PID controller for DC motor current due to power electronics industry growing production requirements increase gradually with no requirements. At this moment we are
5、 in order to improve the performance index of the controller, we must make the new algorithm is introduced into the control system, to achieve the promotion of each performance index of the controller. However, nowadays, due to the relation between each performance index of the controller, and the R
6、 & D, production in the process of production costs caused by price and other factors, makes the PID controller design to a new level have many difficulties. Considering these factors, we must find a can find an optimal after weighing all the factors of solution to solve this problem. At this time,
7、we think of the artificial bee colony algorithm. The so-called artificial bee colony algorithm, is the bee is artificial. Bees, all the food source locally in on pros and cons, find a local optimum value. The bee work can will produce the best overall each local optimal superposition. In such an alg
8、orithms advantage, do not know the precise function model of controlled object can complete control. It completes the control mode, control process is just continuing to do comparison problem to complete the entire controller. So, artificial bee colony algorithm design of DC motor PID controller bas
9、ed on the work started.Keywords: DC motor, PID controller, artificial bee colony algorithm34目 录摘 要IIABSTRACTIII目 录IV第一章 绪论11.1 引言11.2 研究的背景和意义11.2.1 研究背景11.2.2 研究意义11.3 课题的研究现状21.3.1 国内外直流电机PID控制器技术的发展21.3.2 现行PID控制存在的问题21.4 本论文的主要内容4第二章 基于人工蜂群算法的直流电机PID控制器相关基础理论52.1 直流电机PID控制器相关参数52.1.1 比例控制P52.1.2
10、 积分控制I52.1.3 微分控制D62.2 人工蜂群算法的基本原理7 2.2.1 初始化时期82.2.2 雇佣蜂时期82.2.3 观察蜂时期82.2.4 侦查蜂时期92.2.5 小结9第三章 直流电机PID控制器的选择与论证103.1 PID控制简述10 3.2 PID控制的分类103.2.1 开环控制103.2.2 闭环控制11 3.2.3 阶跃相应113.3 PID控制的特点11 3.4 PID控制器的基本结构123.4.1 比例作用123.4.2 积分作用133.4.2 微分作用14第四章 双闭环直流电机控制系统的设计164.1 控制系统的结构选择164.2 控制系统的设计164.2.
11、1 设计图164.2.2 设计基本要求174.2.3 设计前应考虑的问题174.2.4 回顾控制器设计史184.2.5 理论上系统运行的过程分析194.2.6 控制器各部分功能简介19 4.2.7 设计思路总结20第五章 直流电机双闭环PID控制器的仿真205.1 直流电机双闭环PID控制系统仿真图205.2 直流电机双闭环PID控制系统仿真图各数据说明21第六章 人工蜂群算法优化双闭环PI参数的实现206.1 PID基本算法206.2 人工蜂群算法优化双闭环控制系统216.3 人工蜂群算法优化双闭环控制系统的仿真及结果216.3.1 对比仿真结果的曲线1和曲线2126.3.2 对比仿真结果的
12、曲线3和曲线413第七章 总结和展望20第八章 心得体会20参考文献27第一章 绪论1.1 引言人来在科学研究的时候，总会根据实际的某些生物的生活习惯或者体型来完成一些发明。比如，根据茅草发明了锯子，根据鱼的流线型身体完成了潜水艇的制造，根据蜘蛛织网使得互联网的普及和推广，根据蝙蝠的发声定位原理发明了雷达等等。这说明自然界中其他生物的特殊智慧为人类所用之后能给人们的生产发展带来很大的便利和实惠，也能给人类了物质生活带来享受。现行控制器的研究在分析其控制过程当中，总是会考虑到，如何获取被控目标的函数模型，这要根据不同的目标对症下药，往往更为尴尬的是，我们往往不能获得被控目标的函数模型。假如我们同
13、样能模仿前人利用其他生物的某些特征，制造一种不需要得到被控目标的精确函数模型就能完成控制的控制器，或者说用一种算法优化控制器使得我们在控制过程中不需要得到被控目标的精确函数模型就能完成控制。那么这样一件工作可以完成么？答案是肯定的。我们可以借助人工蜂群算法优化PID控制器。1.2 研究的背景和意义1.2.1 研究背景 人工蜂群算法是一门新兴的智能技术，如果能将其合理运用，一定能使其发挥巨大的作用。将人工蜂群算法应用于直流电机PID控制器当中，可能会有效的规避现行直流电机PID控制器的许多弊端。使得直流电机PID控制器更加安全、可靠、稳定、高效。1.2.2 研究意义 针对现行直流双闭环PID控制
14、器参数整定与优化过程中的困难，本文通过将一种基于采蜜行为的人工蜂群算法应用于双闭环直流调速系统，实现PID控制器参数的自整定与优化。采用阶跃响应对人工蜂群算法的优化结果与工程方法计算得出的结果进行对比分析，表明改进的人工蜂群算法比传统工程设计法能获得更好的动态性能指标，以及更快的跟随性与鲁棒性，为PID参数优化提供了一种综合性能较好的实用方法。1.3 课题的研究现状1.3.1 国内外直流电机PID控制器技术的发展 140年前人们研究并制造了直流电机。在这140年间，直流电机的设计和制造技术不断优化和完善。由于新的材料和新的技术不断出现，整流电源的问世, 越来越多的工业使用的直流电机不断的融入这些元素,也早就了更多种类的直流电机。从功率上看小功率的只有几瓦, 大功率的甚至达到万余千瓦,近几年计算机技术更加广泛的用于直流电机制造中，越来越多的工业部门开始广泛的运用直流电机，如：印刷、造纸、纺织等等。1940-1950年M-G发电机组为直流电机供电。从1960年开始水银整流器为其供电。快到1970年的时候出现了硅整流电源为其供电。这期间，因为直流电源不断的更迭，是的其最大功率和转速不断提高，高速大功率直流电机和小型轻量低惯量两个方向成为直流电机发展的主要方向。 由于制造材料越来越好，制造工艺越来越先进，工业生产要求越来越高，使得直流电机的制造要求和控制要求及其性能指标必须提高。 1.
