差分进化算法在交流电机矢量控制系统中的仿真研究

摘要

电机的调速系统的发展是依赖于电力电子技术、现代控制理论、计算机控制、微电子以及电动机原理等技术的发展。交流电机作为一个多变量、非线性、强耦合的系统,通常被广泛的用在各个领域中,是我们日常生活中不可或缺的一部分对它进行控制所采用的控制算法以及得出的结论对其它工程的控制问题具有一定的指导意义。本文对基于差分进化算法的PID的交流电机矢量控制调速系统进行了研究。主要研究了传统PID控制器、DE-Dol算法自适应PID控制器的影响,分析了被控对象受到外界干扰时的自适应性能。论文的主要研究内容如下:首先,分别基于Simulink/SimPowerSystems和矢量控制理论建立了交流电机调速系统的模型,能很好地模拟真实系统行为。设计了完整的交流电机矢量控制系统,对该系统分别进行了常规PID的实时控制,并取得了一定的控制效果。接着,本文借鉴蚁群分工的原理,模仿蚂蚁影响其他蚂蚁的刺激行为,结合差分进化算法的特点,提出了一种基于蚁群分工的自适应差分进化算法(DE-Dol, Division of Labor in Differential Evolution)。我们将个体选择了成功或者失败的策略分别看作是此策略对这个个体的正、负刺激。在该算法中,对于在当前种群中的每个目标向量,根据它对前几代中产生的改善的解决方案的刺激,从策略候选池中选择一个实验向量。这样,3个控制参数(缩放因子F,交叉概率CR和种群数量NP)和变异策略都是根据与策略相关的正、负刺激逐渐自适应的。将DE-Dol算法通过25组CEC2005标准测试函数进行测试。实验结果验证了该方法的有效性和实用性。然后,提出了DE-Dol算法整定PID控制器的系统结构,PID参数整定性能指标中的IAE指标作为该算法的适应度函数。DE-Dol算法拥有多个变异策略组成的策略候选池,使其不仅具有多样性,还具备快速收敛的优点,寻优性能大大超出了策略单独作用时的性能。DE-Dol算法充分利用差分进化算法的寻优优势和PID控制器的简单方便,使控制器在系统的运行过程中进行自适应和自优化[17]。最后,基于GUIDE,设计了交流电机系统模型的人机交互界面,该界面可以实时控制仿真模型的起停,并实现实时控制数据的制图功能。在GUIDE的界面上输入仿真时间、负载转矩、定子电阻等参数,得到交流电机系统的响应曲线和转速曲线。将标准的PID的响应曲线图和采用DE-Dol算法的自适应PID控制器的响应曲线图做出详细的比较,以此来说明DE-Dol算法的自适应PID的优越性。

目录

摘要

ABSTRACT

1 绪论

1.1 引言

1.2 研究意义

1.3 研究现状

1.3.1 国际研究现状

1.3.2 国内研究现状

1.4 研究内容

1.5 论文结构安排

2 三相异步电机矢量控制模型及其仿真

2.1 引言

2.2 三相异步电动机在两相坐标系上的数学模型

2.3 异步电动机在两相坐标系上的状态方程

2.4 矢量控制的实现

2.4.1 矢量控制的基本思路

2.4.2 按转子磁链定向的矢量控制方程及其解耦作用

2.5 基于MATLAB的交流电机模型仿真

2.5.1 矢量控制仿真结构框图

2.5.2 Simulink仿真模型

2.6 小结

3 差分进化算法的基本原理和方法

3.1 引言

3.2 差分进化算法概述和发展

3.2.1 差分进化算法简介

3.2.2 差分进化算法的发展

3.3 差分进化算法原理

3.3.1 差分进化算法基本思想

3.3.2 差分进化算法基本步驟

3.3.3 差分进化算法的流程图

3.4 差分进化算法的改进

3.4.1 控制参数的改进

3.4.2 变异策略的改进

3.4.3 各种改进的差分进化算法

3.5 DE-DOL差分进化算法

3.5.1 DE-Dol算法的基本思想

3.5.2 算法的基本步骤

3.5.3 算法流程图

3.5.4 实验研究

3.6 小结

4 基于差分进化算法的PID参数整定

4.1 引言

4.2 PID控制器基本原理

4.2.1 PID控制器

4.2.2 PID控制器系统的性能指标

4.3 PID参数整定

4.3.1 PID参数整定的性能指标

4.3.2 PID参数整定方法

4.4 基于DoL-DE的PID参数差分进化

4.4.1 系统结构

4.4.2 适应度函数

4.4.3 算法流程

4.5 小结

5 仿真设计及用户界面

5.1 引言

5.2 整体框架

5.2.1 DE-Dol的m函数

5.2.2 交流电机矢量控制的simulink仿真

5.2.3 GUI的用户界面设计

5.3 DOL-DE的M函数设计

5.3.1 程序流程图

5.3.2 变异操作程序部分

5.3.3 交叉操作程序部分

5.3.4 选择操作程序部分

5.4 交流电机矢量控制的SIMULINK仿真设计

5.4.1 整体框架

5.4.2 基于DE-Dol算法的PID控制器

5.5 GUI对话框设计

5.5.1 GUI界面设计

5.5.2 程序设计

5.5.3 运行仿真结果

5.6 仿真结果分析

5.6.1 矢量控制系统的响应曲线

5.6.2 负载转矩变化情况下的适应性

5.6.3 电动机定子电阻变化情况下的鲁棒性

5.7 小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

附录

攻读学位期间的研究成果

致谢