直流電機位置控制器參數優化研究

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、速度環和電流環，可以有效保證這個系統的穩定性和響應速度。當電流環內部和速度環的參數發生受到擾動時，它們就能起到很好的抑制作用，減少對位置環的影響，從而可以保證系統的穩定[1]。對直流電機控制參數進行優化設計,可以在滿足要求的前提下,進一步提高性能。但采用傳統的優化設計方法,已很難解決這種全局最優化問題。近幾年，作為全局優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化設計[2]。

1 直流電機位置控制系統

直流電機位置控制系統由位置調節器、電流調節器和轉速調節器串級連接[3]。直流電機位置控制系統結構圖如圖1所示。

已知某直流電機控制回路及直流電機主要參數計算如下：

表1 電機參數

采用經典整定方法得到的控制器的超調量比較大，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，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控制器參數的尋優。

針對直流電機位置跟蹤系統的特點，本文選擇系統的上升時間，穩態誤差和超調量所占比重的組合作為優化的目標函數。同時，為了保證控制器的控制效果，減少系統的震蕩，引入系統的振蕩次數τ，并乘以懲罰函數λ3[4]。這樣目標函數最終變為：

式中：λ1，λ2—加權系數；e（t）—系統誤差。

Simulink仿真圖如圖2所示。

2 優化條件及結果

采用遺傳算法尋優中使用的樣本個數為50，本文中在遺傳操作時pc和pm參數取值為0.25和0.1?？刂茀礙i的取值范圍統一為[0，50]，權值步長0.01s。采用二進制編碼，經過500代尋優。由于電機的積分特性，位置環控制器采用PD控制器。因此，遺傳算法尋優中需要同時整定6個控制器參數。

在上述條件下最后得到電流、轉速和位置三個控制器參數分別為：[10 10.05][420.10][4 1.12]，仿真結果如圖4。仿真結果表明：由于整個系統花費的上升時間更快，改進的算法所需達到穩定的時間顯然小于采用經典法的控制器，抖動更小，超調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更優于經典控制器的效果。

3 結論

經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的。因此，為了獲得滿意的系統性能，本文將遺傳算法尋優引入到直流電機位置跟蹤系統控制問題中。采用遺傳算法進行控制器參數的全局尋優，同時整定電流、轉速和位置控制器的參數。仿真結果：采用遺傳算法設計的PID控制器能使控制系統的輸出響應跟蹤更快及無超調量，在保障系統穩定的基礎上能夠保證系統的控制效果，提高了系統性能，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：電子工業出版社,2003,1.

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

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