基于人工蜂群算法的直流电机pid控制器设计与仿真本科论文.doc

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. 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 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 & 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, 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 algorithm's 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 based on the work started.
Keywords: DC motor, PID controller, artificial bee colony algorithm
33

目 录
摘 要 II
ABSTRACT III
目 录 IV
第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 研究的背景和意义 1
1.2.1 研究背景 1
1.2.2 研究意义 1
1.3 课题的研究现状 2
1.3.1 国内外直流电机PID控制器技术的发展 2
1.3.2 现行PID控制存在的问题 2
1.4 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 5
2.1 直流电机PID控制器相关参数 5
2.1.1 比例控制P 5
2.1.2 积分控制I 5
2.1.3 微分控制D 6
2.2 人工蜂群算法的基本原理 7
2.2.1 初始化时期 8
2.2.2 雇佣蜂时期 8
2.2.3 观察蜂时期 8
2.2.4 侦查蜂时期 9
2.2.5 小结 9
第三章 直流电机PID控制器的选择与论证 10
3.1 PID控制简述 10
3.2 PID控制的分类 10
3.2.1 开环控制 10
3.2.2 闭环控制 11
3.2.3 阶跃相应 11
3.3 PID控制的特点 11
3.4 PID控制器的基本结构 12
3.4.1 比例作用 12
3.4.2 积分作用 13
3.4.2 微分作用 14
第四章 双闭环直流电机控制系统的设计 16
4.1 控制系统的结构选择 16
4.2 控制系统的设计 16
4.2.1 设计图 16
4.2.2 设计基本要求 17
4.2.3 设计前应考虑的问题 17
4.2.4 回顾控制器设计史 18
4.2.5 理论上系统运行的过程分析 19
4.2.6 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 20
5.1 直流电机双闭环PID控制系统仿真图 20
5.2 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 20
6.1 PID基本算法 20
6.2 人工蜂群算法优化双闭环控制系统 21
6.3 人工蜂群算法优化双闭环控制系统的仿真及结果 21
6.3.1 对比仿真结果的曲线1和曲线2 12
6.3.2 对比仿真结果的曲线3和曲线4 13
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。
1.3.2 现行PID控制存在的问题
PID中P是比例的缩写、I是积分的缩写、D是微分的缩写。
P调节作用：是按比例反应系统的偏差,当系统出现了偏差,为了使系统可靠，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大,可以加快调节,减少误差,但是比例越大,系统的稳定性越低,甚至造成系统崩溃。所以单一的比例调节只是一种机械化的调节，没有达到智能化的要求。I调节是一种提高无差度的调节方式，它的调节目的是使系统消除稳态误差。所以积分调节开始于体统有误差,并不断地缩小系统误差，终止于系统无误差,积分调节是系统可靠性的保证。积分作用与积分时间常数Ti呈现负相关,即Ti越小,积分作用就越强，反之，Ti大则积分作用弱。由于加入积分调节降低了系统稳定性和动态响应的速度。于是，积分调节往往要配合比例调节组成PI调节或组合比例和微分成为PID调节。D作用主要针对输入信号为非定常量的调节方式。因为微分反应了输入信号的变化率，对系统各部分将如何响应输入信号具有一定的预见性。所以，微分调节能产生超前控制作用，但是由于微分作用依赖于输入信号的变化率，当噪声干扰输入系统时，微分作用反而会将其放大。过分强调微分调节，会降低系统的抗干扰能力，我们使用微分调节必须加入比例调节或者加入比例和积分调节组成PD控制器或者PID控制器。在调节系统中，传感器将被测量的温度、压力等信号进行量化为统一标准送入调节器，在调节器中，与给定值进行比较，然后把比较出的差值进行PID运算。
所谓PID运算就是比例、积分、微分运算。
P调节就是调节器不断地定常比例输出进入调节器的输入信号。I调节就是当系统出现偏差时，不断地向执行器输出进入控制器偏差量的积分，由执行器不断地进行被控量的校正，直到系统不再有偏差。因此，只要偏差一直存在，积分过程在调节器内就不会终止。所以有了积分调节器就会消除稳态偏差。但要注意单独的积分调节往往是不能工作的。所谓整定积分时间就是调积分的快慢，这要取决于对象的特性。D调节就是微分调节，基于其输出的是输入的微分量能反映出输入变化趋势。所以微分调节具有超前性，这是比例和积分调节没有的优势。所以，在控制器中加入微分调节，可以使得被控量得到提前校正，再通过P、I校正后，整个校正时间缩短，有利于提高调节器的调节质量。目前衡量各行业现代化水平的一个重要标志就是工业自动化水平。
同时，控制理论经历了三个发展阶段：古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论。智能控制在许多家电中就有应用实例：比如温控烤箱、全自动洗衣机、智能电饭煲等等。根据控制结构，我们将自动控制系统分为开环控制和闭环控制两类。控制器、传感器、变送器、执行器、I/O接口构成控制系统的基本单元。被控系统连接传感器再连接变送器加载到控制器，而控制器连接输入输出接口和执行器。由于控制系统不同，其传感器、变送器、执行器的不同有所体现，比如，恒温箱需要温控传感器，电子体重计需要压力传感器。
由于仅仅依靠生产工艺的更新和制造材料的升级，直流电机控制器的各个性能指标总会提高至一个临界值，当达到了这个临界值的时候，我们无法再进行优化，或者说，再进行优化越加困难。所以，我们换一种渠道，应用新的算法去提高直流控制系统的性能指标或许可以收到事半功倍的效果。
1.4 本论文的主要内容
本论文对直流电机PID控制器进行了总体的描述，并且使用人工蜂群算法加以优化设计于仿真，以实现稳定，高效，便利的直流电机控制。论文详细介绍了可编程序控制器的背景发展，论文提出了一个方案，并且介绍了它的硬件电路，编程及实现方法。

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
2.1 直流电机PID控制器相关参数
PID调节器包括三个基本参数：比例调节P、积分调节I以及微分调节D。
2.1.1 比例控制P
P（比例）控制是一种非智能化控制方式，这种控制方式中，控制器输出正比于输入。用单一的比例控制势必会造成系统输出的稳态误差。因而这是一种最简单的控制方式。
2.1.2 积分控制I
引入积分控制主要是为了消除系统的稳态误差。积分控制就是将输入信号积分后由比例控制调比之后再输出。当系统进入稳态后存在稳态误差，这样的系统就叫做有差系统，需要积分控制来控制其稳态误差。
由于积分项是误差对时间的积分，时间越长，积分项越大。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。当积分控制和比例控制相结合，我们就可以使得系统顺利进入稳态，并且进入稳态后没有稳态误差。这就是PI控制器。
2.1.3微分控制D
将输入误差进行微分运算后，经过放大后输出。这就是微分控制。有的元件惯性较大或者滞后作用较强，容易抑制误差。这样控制变化滞后，误差变化超前。使得系统调节出现振荡甚至失稳。为了解决这个问题我们将微分控制引入控制器。再配合比例控制就能提前将消除抑制误差的控制，这样就避免了控制中出现很大的超调量。所以PD控制器适用于大惯性滞后性质的被控系统，起到稳定系统动态特性的作用。

2.2 人工蜂群算法的基本原理
 诺贝尔奖得主奥地利人K.Von Frish发现，在自然界中，虽然各社会阶层的蜜蜂只能完成单一的任务，但是蜜蜂通过摇摆舞气味等多种信息交流方式，使得整个蜂群总是能很自如地发现优良蜜源(或花粉) ，实现自组织行为。Seely于1995年提出了蜂群的自组织模拟模型。土耳其Erciyes大学的D.Karaboga于2005年首先将人工蜂群算法应用于多峰值函数的数值优化上。
关联食物源的雇用蜂，选择食物源的观察蜂，探索新食物源的侦查蜂是工蜂蜂群的几种不同的工种。当我们运用人工蜂群算法的时候，最开始先模仿侦查蜂找到目标，随后，模仿雇用蜂和观察蜂对目标进行开发利用。当目标没有利用价值的时候，对应的雇佣蜂又变成新的侦查蜂。这种算法里面，目标位置叫做一个可行解，目标数量表示解的质量。雇用蜂和目标之间总是一一对应的函数关系。
蜂群算法在运行中分为四个时期，分别为初始化时期、雇佣蜂时期、观察蜂时期、侦查蜂时期。

2.2.1 初始化时期 
初始化时期: 利用侦察蜂初始化所有代表食物源的向量()，M为雇佣蜂的数量，设定控制参数。每个食物源都含有n个待优化变量()这些向量将要被优化，从而使得目标函数最小化。可以利用下式进行初始化：
(2-1)
其中和是参数取值的上下限。
2.2.2 雇佣蜂时期 
雇佣蜂时期：雇佣蜂对记忆中的食物源进行定位，然后在食物源附近搜索通过比对，找到更好的食物源。当雇佣蜂找到一个食物源之后，会对这个食物源进行量化评估，即评估适应值。此处，它们可以采用下述公式来确定邻居食物源：
(2-2)
其中是一个随机选择的食物源，i是随机选择的一个位置索引，是一个[-a,a]之间的一个随机数，a决定了临域搜索的区间度。当产生新的食物源之后，会计算出它的适应值，并且在和之间应用贪心法做出选择。解的适应值应保持非负，如果有负值的情况，可以通过下式转化为最小化问题来求解：
(2-3)
其中是待解问题的目标函数值(对应蜜源的适应度值)。
2.2.3 观察蜂时期
观察蜂时期：观察蜂是非雇佣蜂的其中一种。观察蜂会进入巢穴中分享等待他们的雇用蜂的食物源信息。观察蜂会根据这些信息进行一种随机的选择。为此，需要一种基于适应值的选择方法，如轮盘赌。被选中的概率可以用下述表达式计算：
(2-3)
或 (2-4)
当食物源被一只观察蜂选中后，利用(2-2)式产生邻居食物源，再计算其适应值。在雇佣蜂时期，在和之间用贪心法来做出选择。因此，更多的观察蜂会选择富源并反馈回积极信号。

2.2.4 侦查蜂时期
侦查蜂时期：侦察蜂是另一种非雇用蜂。这种蜜蜂是的工作就是随机搜索食物源。如果雇佣蜂通过实现给定的尝试次数之后，仍然未能提高解的质量，则雇佣蜂就变成为侦察蜂，其拥有的解就会被放弃。（尝试次数是由ABC使用者事先给定的，称为 “放弃阈值”（abandonment criteria））转换后的侦察蜂开始随机搜索新的解，比如，如果被放弃了，那么原来拥有的雇佣蜂就会利用（2-1）式来产生新的解。因此那些随机产生的贫源或者近期形成的贫源就会被放弃，产生消极的信号，以来平衡积极的信号。
2.2.5 小结
蜂群智慧的形成有以下几个步骤：1.评估食物源适应度，2.对适应度进行广播，即相互交换适应度信息。3.根据适应度对应一个正比概率选择食物源。其中第二个过程是极为关键的。这个过程中，雇用蜂起到记忆作用，观察蜂起到筛选作用，侦查蜂起到探索作用。基于这样的分工，就很容易达到局部最优，进而达到整体最优。这类似于牛顿迭代法，通过无限次的迭代，找到最终的最正确的解。同样，用人工来模拟这个过程，就很容易找到最优的控制参数。
第三章 直流电机PID控制方案的选择与论证
3.1 PID控制及部分参数指标简述
PID控制就是比例积分微分控制。工业实际中的比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。至今，PID控制问世已经长达七十年之久，由于它的结构相对简单、相对较为稳定、工作相对可靠、调整相对方便，于是成为了主要的工业控制技术之一。如果当我们无法完全掌握被控对象的结构和参数，或者，我们无法得到其精确的数学模型，这时，其它控制技术的理论难以采用，那么，我们只能依靠经验和现场调试来完成对系统控制器的结构和参数的确定工作，而此时最方便的方式就是运用PID控制。也就是说即使我们不能完全了解被控对象及其控制系统，或者说没有有效的测量方式来确定控制系统的参数和结构时，PID控制技术成为不二选择。PID控制，在实际中分为PI和PD控制两种。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
3.1.1 阶跃响应
将一个阶跃信号输入系统，经过系统内一系列的传递函数之后的输出就叫阶跃响应。
3.1.2 稳态误差
既然是说系统的稳态误差，首先必须是系统进入了稳态。而这个误差就是实际的输出与预先期望值的距离。
3.1.3 上升时间
系统从启动开始到进入稳态终止，这一个时间段称为上升时间。
3.1.4 控制系统性能
稳定性：阶跃响应是否具有收敛性，是控制系统是否具有稳定性的判定依据。
准确性：稳态误差值可以用来作为评判控制系统准确性的量化标准。
快速性：系统所用的上升时间和其快速性能成反比。

3.2 PID控制的分类
从控制系统的结构上来分，可以将PID控制系统分为以下两类：开环控制、闭环控制。
3.2.1开环控制
没有反馈回路的控制叫做开环控制。由于被控对象的输出量没有经过回路反馈进行二次输入，所以不会影响到控制器的输入量。
3.2.2闭环控制
有反馈的控制系统叫做闭环控制系统。分为正反馈和负反馈。经反馈后与输入信号产生叠加的叫做正反馈，反之，为负反馈。有正反馈的控制系统叫正反馈系统，反之亦然。一般的反馈都是负反馈，比如说，恒温箱，检测到箱内温度高，就降低温度，检测到箱内温度低，就升高温度。
下面举个几个简单的例子:
1.老师让学生做练习，学生练习了。
2.老师让学生做作业，学生做完了。老师收上来改，发现做的很好，就表扬了他，于是这个同学越学越好。
3.老师让学生做作业，学生做完了。老师收上来改，发现做的很好，就表扬了他，于是这个同学开始飘飘然，之后的成绩一落千丈。
4. 老师让学生做作业，学生做完了。老师收上来改，发现做的很差，就批评了他，于是这个同学开始发奋学习，之后的越学越好成为优等生。

5.老师让学生做作业，学生做完了。老师收上来改，发现做的很差，就批评了他，于是这个同学开始觉得老师故意刁难他，就更加不愿意学习了。
例1就是没有反馈属于开环控制，后面4个就是有反馈属于闭环控制。其中，例2例5中，学生做完作业，这一个反应，带来的老师表扬或批评的反应，再次引起的学生的反应和原先学生的学习态度正相关，这就是正反馈；例3例4中，学生做完作业，这一个反应，带来的老师表扬或批评的反应，再次引起的学生的反应和原先学生的学习态度负相关，这就是负反馈。
3.3 PID控制的特点
普通开关的合闸开闸只能完成电机的启动和结束的过程，而应用PID控制可以使电机保持恒定转速，并且能在完成启动后快速达到恒定转速。这样，在工业生产过程中，我们运用PID控制技术可以更加充分的达到电机的稳定和高效。
3.4 PID控制器的基本结构
PID实质上是一种为工业电机控制而设计的控制器。主要包括比例环节（P），积分环节（I），微分环节(D)，被控对象、加法器、存储器以及输入输出设备等。
如图3-1，常规PID的基本结构。

图3-1 常规PID控制器结构原理图

上图即常规PID控制器结构原理图，系统的主要部分分为PID控制部分（包括比例环节P、积分环节I、微分环节D）和被控对象组成。这是一种线性控制器，根据设定值 和实际输出值 构成偏差 ，将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量 ,对被控对象进行控制。控制器的输入输出关系可描述为：

式中 ， 为比例系数， 为积分时间常数， 为微分时间常数。
3.4.1比例作用
控制系统中存在这一个偏差信号 ，若不及时控制这个偏差信号将会引发超调问题。为了控制这样一个超调问题，我们在控制器中加入比例作用，这样就能及时的反映偏差信号，以使控制速度达到最快，这样偏差信号将会逐渐衰减。图3.2(受控目标的传递函数均为：1/ ，)反映了 增大，误差减小，振荡加剧，超调量变大。针对这个问题，我们对控制器做一个修正。
针对设定值控制中的超调问题，Hang CC.等人提出了一种关于比例控制的改进算法。通过在比例控制中引入设定值加权系数b，将PID控制器修正为

（3-2）
其中： 。从这个表达式可以看出通过调节设定值信号的比例增益，减小相应的动态相应以克服超调问题。

图3-2 比例控制的系统相应
3.4.2积分作用
积分作用的引入主要是为了保证实际输出值 在稳态时对设定值 的无静差跟踪。假设闭环系统已经处于稳定状态，则此时控制输出量 和控制偏差量 ，都将保持在某个常数值上，为了不失一般性，我们分别用 和 来表示。根据PID控制器的基本结构式（3-1），有

（3-3）

在已知 和 的情况下， 为常数当且仅当 。即对于一个带积分作用的控制器，如果它能够使闭环系统稳定并存在一个稳定状态，则此时对设定值的跟踪一定是无静差的。从图3-3可以看出随着积分时间常数 减小，静差在减小；但过于小的 会加剧系统的震荡，严重时甚至使系统失去稳定。

图3-3比例积分控制的系统相应（ =1）
3.4.3微分作用
微分作用的引入，主要是为了改善闭环系统的稳定性和动态响应速度。PD控制器的结构为：

（3-4）

的泰勒级数为 ……，则

（3-5）

控制信号与 时刻以后的偏差成比例。从图3-4可看出比例微分能够预报未来的输出。另外，从图3-5可以看出微分时间常数 增加有利于减小超调量。

图3-4 微分的预测作用

图3-5 比例积分微分控制的相应

第四章 双闭环直流电机控制系统的设计
4.1 控制系统的结构选择
在控制系统中，开环控制控制的静态、动态性能不够理想。而闭环系统控制相对开环控制可以提高电机的静态、动态性能，双闭环系统，比闭环系统的静态、动态性能更强，同理，三闭环系统在静态、动态性能上又优于双闭环系统。即闭环系统控制在静态、动态性能上优于开环系统，高环数闭环系统控制静态、动态性能上优于低环数闭环系统控制。然而，在闭环系统中，闭环环数越多，对应在应用上的设计和研发成本也就越高，也就是说，这样会让控制器的经济性越低。
因此，从①静态、动态性能②设计过程的简约性③产品研发的经济性，这三个方面考虑，我们选择双闭环系统作为最终的控制系统。
4.2 控制系统的设计
4.2.1 设计图

图4-1 双闭环直流电机控制系统设计图

图4-2双闭环系统启动过渡过程时域图
4.2.2 设计基本要求
PID控制有相当广泛的应用，针对不同的被控系统，控制器也往往各异。总的来说这些PID控制器的共同点在于：它们都是基于已知或可知其运行过程的知识，且能通过设计达到相应的性能指标同时具备满足要求的计算能力。
① 快速启动
根据设计图4-1所示需要设计双闭环直流电动机控制系统中的电流调节器和速度调节器，控制的一个重要目的就是要获得接近于理想的起动过程。即快速达到恒定转速。
② 保持系统稳定
设计图4-2则表示当我们从外界突然加给定电压于双闭环调速系统，使系统由静止状态起动时，转速和电流的瞬态过程。由此可知，这样就达到了PID控制中的“使电机保持恒定转速”的要求。

4.2.3 设计前应考虑的问题

当理论运用于实践的时候，我们必须根据实际情况对问题加以分析，应当以求真务实、实事求是的精神去解决实际问题，要杜绝运用与事实存在问题不相符或者并不类似的理论解决问题。设计步骤应分为发现问题、提出问题、分析问题、和解决问题四步走。
发现问题：当我们设计一个控制器，去控制实际的电机时，首先应当弄清楚控制的主要目的，找出问题最关键的地方，也就是重点问题。另外，应当注意设计产品的性价比，也就是把稳定性约束、鲁棒性约束等约束指标和研发成本的问题进行综合考虑。这也是一种人工蜂群算法的考虑方式。
提出问题：由于PID控制器的结构形式各异，各性能指标均受到不同程度的制约。例如，利用传统的单自由度控制器就无法同时满足设定值跟踪和负载扰动抑制的要求。线性积分器在提高系统稳态精确度的同时，也引发了 的相位滞后，恶化了控制系统的品质，时常引起系统快速性于稳定性之间不可调和的矛盾。因此，结合更优势的算法，加上对控制器结构的深入研究，对控制器加以改进，兴许能够提高产品性价比。
后文中将分析设计上的理论过程以及叙述本文如何用人工蜂群算法来提升控制器的控制品质。

4.2.4 回顾控制器设计史
控制领域长期坚定不移的追求对控制器的改进事业。在1930-1949年期间，从Black在反馈放大器上的研究有着重大发现开始，到后来Nyquist和Bode在稳定性理论做出空前的成就，这一系列重大研究将经典频域控制发展到一个空前的高度。这种经典设计方法基于模型的不确定性，在系统内引入负反馈增加了系统的稳定裕度、减少了噪声信号的干扰、提高了系统自动处理误差的灵敏度。
到了50年代初期，在解析法得到发展的基础上，科学家定义了瞬态性能指标。并成功的运用模拟计算机检测时域响应指标，从而使得检测更为方便。然而，此时的控制领域对灵敏度和鲁棒性的要求有所降低。
50年代中期，数字计算机的问世，使得科学家成功的应用了差分方程的方式来描述系统模型。
60年代，在解决各类设计问题上则是体现了最优化技术的优势。
在实际控制中运用现代控制理论，往往需要对应于过程对象所需的精确数学模型，而实际上很尴尬的是通常难以获得精确的数学模型。于是进入70年代后，控制领域的重心转到系统的鲁棒性，为近30年的控制设计重点考虑鲁棒性打下了基础。
4.2.5 理论上系统运行的过程分析
根据设计图4-2所示瞬态过程，可以将该过程分为三段：
① 过程
在这段时间内，系统可近似为受到零冲击响应，所以电机转速几乎不变，电
流迅速升高，这一阶段称为启动过程。
② 过程
在这段时间内电流保持恒定不变，而转速直线上升，这是恒流升速阶段，这一阶段称为过渡过程。
③ 过程
在 之后电流衰减至新的稳定值，同时转速经过一个短暂的上升逐渐又回到这一阶段的初始位置，并趋于稳定。这是转速调节阶段，这一阶段称为稳定过程。

4.2.6 控制器各部分功能简介
转速调节器作用为:
①使转速跟随给定电压变化，稳态无静差。
②抗负载变化扰动作用。其输出限幅值决定允许的最大电流。
电流调节器作用为：
①对电网电压波动起及时抗扰作用。
②起动时保证获得允许的最大电流。
③在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压变化。
④当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起到快速的安全保护作用。如果故障消失，系统能够自动恢复正常。
各调节器均提高了系统的鲁棒性。
4.2.7 设计思路总结
根据上文叙述的调节器，它的设计要先参考机器本身的参数设计电流调节器，后设计包括电流调节器在内转速调节器。明显的，如果我们不知道电动机参数或者参数不是定值，我们便无法设计这种调节器，而事实上，在多数情况下，这种调节器的设计前提都不能满足。由于电流和转速之间有一定相互制约的关系，而以上设计思想却没有没有充分体现出来，这势必会降低调节器的性能指标。
第五章 直流电机双闭环PID控制器的仿真
5.1 直流电机双闭环PID控制系统仿真图
图5-1为典型双闭环直流电机调速仿真模型

图5-1 典型双闭环直流电机调节系统仿真图

5.2 直流电机双闭环PID控制系统仿真图各数据说明
ASR为转速调节环节，ACR为电流调节环节。电流反馈时间常数为0.002，三相桥式电路平均失控时间为0.0017，电磁时间常数为0.03，机电时间常数为0.18，电动机电动势常数为0.132，晶闸管装置放大系数为40，电枢回路总电阻为0.5，转速反馈系数为0.005，电流反馈系数为0.05，Ui为给定电流调节器输入信号。Step1为给定转速输入，step2为负载电流Id阶跃。out1、out2分别为转速和电流环输出数据到workspace的端口。电流调节器给定一个电压值（Ui）由转速调节器输出，这是两个调节器唯一的联系。因此它们相互独立。这就是双闭环的特点。电动机中有一个电枢电流Id，它服从给定电压值，是由电流响应转速偏差产生的控制效果。当给定电压值不变时，这就是恒流调节。假设实际转速为N，给定转速值为N（F）。电流给定为I，电枢电流为Id。转矩变化量为Δ。电动机转速为n。那么，当N<N(F),由于ASR积分作用,I变大,Id升高，Δ>0，n变大；当N>N(F),由于ASR积分作用,I变小,Id降