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基于群智能算法的分数阶控制器参数优化研究

作　者: 于天皓
导　师: 盛贤君
学　校: 大连理工大学
专　业: 电机与电器
关键词: 分数阶PI~αD~β控制器群智能优化改进蜂群算法 DSP28335 双闭环调速
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

工业生产过程中,控制器的性能对于工艺参数要求和系统的稳定运行有着重要影响。传统PID控制器结构简单、工作稳定、鲁棒性强,在工业控制领域得到了广泛的应用。然而对于非线性、时变、耦合剂参数和机构不确定的复杂系统,传统PID控制难以获得令人满意的效果。论文利用分数阶PIαDβ控制器完成实际系统的控制任务,满足控制性能要求,进而研究分数阶PIαDβ控制器的特性和优势。研究围绕分数阶控制器特性及实现方法、基于群智能算法的控制器参数优化方案以及分数阶调速控制系统实验三个方面展开。论文首先对分数阶控制器及其相关问题进行研究。包括分数阶微积分理论和分数阶控制器的发展与应用,比较分数阶控制器与整数阶控制器的异同,并应用滤波器算法对分数阶PIαDβ控制器进行建模。分数阶PIαDβ控制器对两个分数阶次的引入,使得其具有比传统控制器更加灵活的调节策略以及更广阔的应用前景。由于多出两个阶次参数,使得分数阶PIαDβ控制器的参数调节更为复杂。为获得最优控制器性能,论文引入群智能算法进行控制器五维参数优化。研究遗传算法、粒子群算法、蜂群算法原理,提出各算法的改进方案；分析不同算法之间的区别和联系,并以Matlab/Simulink为仿真平台,对无刷直流电机双闭环控制系统各部分建模,应用不同的群智能优化算法进行控制器参数优化。实验结果证明,采用改进蜂群算法优化参数的分数阶PIαDβ控制器具有更优异的控制性能,且其优化效率明显优于其它优化算法。将分数阶PIαDβ控制器应用于以DSP28335为控制核心的无刷直流电机转速控制系统,完成转速、电流双闭环调速系统的硬件电路以及键盘、显示等人机交互模块的设计；软件方面,基于CCS4.0平台编写程序实现各模块功能以及分数阶控制器的数字化；通过对整个系统进行实验调试,详细分析控制系统在不同运行情况下的瞬态和稳态性能。实验结果表明,经优化的分数阶PIαDβ控制器能够出色地完成无刷直流电机稳速调节控制任务,且控制效果明显优于传统PID控制器,体现出广阔的应用前景。最后结合分数阶PIαDβ控制器的发展趋势指出该控制器设计的优缺点以及今后的研究方向。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
1 绪论  10-15
  1.1 论文选题背景  10-11
  1.2 国内外研究情况  11-13
    1.2.1 分数阶微积分学与分数阶控制器研究现状  11-12
    1.2.2 群智能算法应用于分数阶控制器参数优化  12-13
  1.3 论文的研究意义及内容  13-15
    1.3.1 论文的研究意义  13
    1.3.2 论文的研究内容  13-15
2 分数阶PID控制器  15-22
  2.1 分数阶微积分  15-16
  2.2 分数阶控制器  16-19
  2.3 分数阶PI~αD~β控制器的数字化研究  19-21
  2.4 本章小结  21-22
3 群智能算法与分数阶PI~αD~β控制器参数整定  22-46
  3.1 遗传算法  22-30
    3.1.1 传统遗传算法  22-23
    3.1.2 传统遗传算法缺陷及发展  23-24
    3.1.3 多方面改进遗传算法  24-26
    3.1.4 算法实现  26-27
    3.1.5 仿真结果分析  27-30
  3.2 粒子群算法  30-37
    3.2.1 基本粒子群算法  30-32
    3.2.2 粒子群算法缺陷与发展  32-33
    3.2.3 并行粒子群优化  33
    3.2.4 多相粒子群优化算法  33-35
    3.2.5 算法实现及仿真结果分析  35-37
  3.3 蜂群算法  37-44
    3.3.1 基于采蜜行为的蜂群算法及其发展  37-39
    3.3.2 人工蜂群算法(ABC)  39
    3.3.3 混合蜂群算法  39-43
    3.3.4 算法实现与仿真结果分析  43-44
  3.4 本章小节  44-46
4 群智能算法性能分析  46-52
  4.1 无刷直流电机带载优化模型  46-48
    4.1.1 PWM模块  47
    4.1.2 无刷直流电机  47-48
    4.1.3 磁粉制动器  48
  4.2 适应度函数  48
  4.3 限制条件  48-49
  4.4 仿真实验与结果分析  49-51
  4.5 本章小结  51-52
5 基于分数阶PI~αD~β控制器的实验平台系统  52-73
  5.1 系统设计方案  52-53
  5.2 系统硬件电路设计  53-62
    5.2.1 数字处理器DSP28335  53-58
    5.2.2 反相隔离电路  58-59
    5.2.3 全桥逆变MOSFET驱动电路  59-60
    5.2.4 霍尔信号调理电路  60-61
    5.2.5 母线电流传感电路  61
    5.2.6 键盘输入和液晶显示模块  61-62
  5.3 系统软件设计  62-68
    5.3.1 系统程序设计  62-66
    5.3.2 分数阶PI~αD~β控制器控制算法设计  66-68
  5.4 系统性能对比测试  68-72
    5.4.1 系统静态性能测试  69-70
    5.4.2 系统动态性能测试  70-72
  5.5 本章小结  72-73
结论  73-75
参考文献  75-80
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  80-81
致谢  81-82

基于群智能算法的分数阶控制器参数优化研究

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