直流電機位置控制器參數(shù)優(yōu)化研究

周國慶 孫丹睿 吳 江 王 鋒 趙為平

（1.沈陽航空航天大學，遼寧 沈陽 110136；2.北京郵電大學信息與通信工程學院，中國 北京 100876）

直流電機控制器通常是由串級進行控制，分為位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)，可以有效保證這個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應速度。當電流環(huán)內(nèi)部和速度環(huán)的參數(shù)發(fā)生受到擾動時，它們就能起到很好的抑制作用，減少對位置環(huán)的影響，從而可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定[1]。對直流電機控制參數(shù)進行優(yōu)化設計,可以在滿足要求的前提下,進一步提高性能。但采用傳統(tǒng)的優(yōu)化設計方法,已很難解決這種全局最優(yōu)化問題。近幾年，作為全局優(yōu)化算法之一的遺傳算法，得到了廣泛的應用，本文針對無刷直流電機的PID控制器采用遺傳算法進行優(yōu)化設計[2]。

1 直流電機位置控制系統(tǒng)

直流電機位置控制系統(tǒng)由位置調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器串級連接[3]。直流電機位置控制系統(tǒng)結構圖如圖1所示。

已知某直流電機控制回路及直流電機主要參數(shù)計算如下：

表1 電機參數(shù)

采用經(jīng)典整定方法得到的控制器的超調(diào)量比較大，未達到實際工藝的要求。如果要得到滿足要求的控制器，需要在此基礎上進一步手工整定。并且，控制器的效果是否最優(yōu)，也沒有明確的答案。因此，本文采用遺傳算法進行直流電機位置跟蹤系統(tǒng)控制器參數(shù)的尋優(yōu)。

針對直流電機位置跟蹤系統(tǒng)的特點，本文選擇系統(tǒng)的上升時間，穩(wěn)態(tài)誤差和超調(diào)量所占比重的組合作為優(yōu)化的目標函數(shù)。同時，為了保證控制器的控制效果，減少系統(tǒng)的震蕩，引入系統(tǒng)的振蕩次數(shù)τ，并乘以懲罰函數(shù)λ3[4]。這樣目標函數(shù)最終變?yōu)椋?/p>

式中：λ1，λ2—加權系數(shù)；e（t）—系統(tǒng)誤差。

Simulink仿真圖如圖2所示。

2 優(yōu)化條件及結果

采用遺傳算法尋優(yōu)中使用的樣本個數(shù)為50，本文中在遺傳操作時pc和pm參數(shù)取值為0.25和0.1。控制參數(shù)Ki的取值范圍統(tǒng)一為[0，50]，權值步長0.01s。采用二進制編碼，經(jīng)過500代尋優(yōu)。由于電機的積分特性，位置環(huán)控制器采用PD控制器。因此，遺傳算法尋優(yōu)中需要同時整定6個控制器參數(shù)。

在上述條件下最后得到電流、轉(zhuǎn)速和位置三個控制器參數(shù)分別為：[10 10.05][420.10][4 1.12]，仿真結果如圖4。仿真結果表明：由于整個系統(tǒng)花費的上升時間更快，改進的算法所需達到穩(wěn)定的時間顯然小于采用經(jīng)典法的控制器，抖動更小，超調(diào)量滿足實際工藝要求，基于遺傳算法整定后的控制器控制參數(shù)更優(yōu)于經(jīng)典控制器的效果。

3 結論

經(jīng)典的整定方法不但過程繁瑣，而且還不能保證整定的控制器是最優(yōu)的。因此，為了獲得滿意的系統(tǒng)性能，本文將遺傳算法尋優(yōu)引入到直流電機位置跟蹤系統(tǒng)控制問題中。采用遺傳算法進行控制器參數(shù)的全局尋優(yōu)，同時整定電流、轉(zhuǎn)速和位置控制器的參數(shù)。仿真結果：采用遺傳算法設計的PID控制器能使控制系統(tǒng)的輸出響應跟蹤更快及無超調(diào)量，在保障系統(tǒng)穩(wěn)定的基礎上能夠保證系統(tǒng)的控制效果，提高了系統(tǒng)性能，達到了實際工藝要求。

［1］魏林.無人機直流無刷電動舵回路控制技術研究[D].南京航空航天大學,2008.

［2］劉金琨.先進PID控制及其MATLAB仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社,2003,1.

［3］黃仲林.自動控制原理的MATLAB實現(xiàn)[M].北京：國防工業(yè)出版社,2009.

［4］薛定宇.控制系統(tǒng)仿真與計算機輔助設計[M].北京：機械工業(yè)出版杜,2005：145-240.