自适应分数阶PID交流伺服控制系统研究

摘要

伺服控制一直是工业生产控制的重要方式，交流伺服控制更是我国工业现代化的重要内容。为了提高交流伺服控制系统的动态性能，精确的系统模型、最优的控制器设计、最先进的控制方式都是必要条件。随着分数阶系统理论和分数阶控制器的不断发展和应用，可以期待用分数阶为伺服系统建立精确的数学模型，并设计分数阶控制器，从而提高伺服控制过程，获得更好性能。本文在已有的分数阶系统模型经验基础上，改进分数阶控制器设计的寻优算法，设计了一款参数自适应的分数阶控制器，并实现整个伺服控制过程。
　　在系统建模方面，根据永磁同步电机的结构和整数阶数学模型，在已有模型的基础上，参照机理建模和数值建模结合的方法，分别从电流环和机械环两方面对永磁同步电机进行分数阶建模，根据分数阶数学模型设计程序，并在MATLAB/Simulink仿真系统中实现分数阶永磁同步电机的模块封装，为后文仿真验证做好基础。
　　在控制器设计方面，首先分析了分数阶PID控制器结构，研究了各个参数对整个控制过程的影响，并基于向量法重点分析了分数阶控制器的设计过程。然后提出了基于人工蜂群的改进算法来整定分数阶PID控制器，并进一步设计了一种基于人工蜂群算法的参数自适应分数阶PID控制器设计方法。该方法提出了基于误差变化的自适应因子，通过自适应因子实现控制器参数寻优过程步长和选择概率自动随环境变化。最后在MATLAB/Simulink系统上进行实验仿真，分别从阶跃响应和正弦跟随响应上进行分析验证，证明了所提方法的有效性和优良性。
　　在仿真分析方面，为了验证本文算法，在MATLAB/Simulink系统上搭建了自适应分数阶PID控制器模块，分别在本文设计的整数阶PID控制器和分数阶PID控制器下进行了系统仿真，并对结果进行分析，验证了分数阶控制器下的控制效果性能良好。
　　在系统设计方面，为达到更好的控制效果，本文设计了一款具有较高精度的硬件驱动电路。该电路主要包括市电整流部分、供电电路部分、空间矢量算法逆变部分、控制检测部分以及保护电路部分等，在过压、欠压、过流、短路、过温等情况下都可以实现对电路的保护，而且整个系统的滤波转换电路设计精密，能满足具有高性能要求的控制过程。最后基于CCS6.0编写了配套程序，实现了对永磁同步电机的空间矢量法控制。

目录

摘要

1 绪论

1．1 交流伺服控制系统的研究背景意义

1．2 交流伺服控制系统的研究现状

1．2．1 国外发展状况

1．2．2 国内发展状况

1．3 分数阶系统概况

1．3．1 分数阶系统的发展

1．3．2 分数阶在控制中的意义

1．4 参数自适应寻优概况

1．4．1 自适应控制的发展

1．4．2 参数自适应寻优的意义

1．5 本文研究内容和结构安排

1．5．1 论文的核心内容

1．5．2 论文的章节安排

2 基础理论

2．1 分数阶微积分理论基础

2．1．1 分数阶微积分定义

2．1．2 分数阶微积分基本变换

2．1．3 分数阶微积分的性质及特点

2．2 分数阶系统

2．2．1 分数阶系统

2．2．2 分数阶系统的稳定性

2．2．3 系统的时域性能

2．2．4 分数阶系统的频域性能

2．3 分数阶系统的数值实现

2．3．1 理论分析

2．3．2 分数阶数值实现与分析

2．4 参数自适应寻优基本理论

2．4．1 传统自适应控制理论及结构

2．4．2 自适应控制理论

2．4．3 自适应在参数寻优的应用

2．5 本章小结

3 永磁同步电机结构分析与模型设计

3．1 永磁同步电机的物理建模

3．2 空间矢量变换

3．3 永磁同步电机的整数阶和分数阶数模型研究

3．4 永磁同步电机三闭环控制

3．5 分数阶永磁同步电机Simulink模块封装

3．6 本章小结

4 参数自适应的分数阶PID控制器设计

4．1 分数阶PID控制器的结构

4．2 分数阶PID控制器的设计

4．2．1 分数阶PID参数整定方法

4．2．2 基于向量法的分数阶PID控制器设计方法

4．3 一种改进人工蜂群的分数阶PID控制器优化算法

4．3．1 人工蜂群算法原理

4．3．2 人工蜂群算法改进

4．3．3 控制器算法迭代步骤流程图

4．3．4 实验仿真分析

4．4 参数自适应的人工蜂群分数阶PID控制器设计

4．4．1 基本人工蜂群算法

4．4．2 自适应人工蜂群算法

4．4．3 参数自适应的人工蜂群分数阶PID控制器

4．4．4 实验仿真分析

4．5 永磁同步电机分数阶PID控制器设计

4．6 本章小结

5 交流伺服控制系统仿真分析

5．1 交流伺服系统的自适应分数阶控制

5．1．1 基于空间矢量法的交流伺服控制系统

5．1．2 基于自适应分数阶控制的伺服系统模型

5．2 仿真结果及分析

5．3 本章小结

6 交流伺服控制系统软硬件设计

6．1 伺服控制系统硬件设计

6．1．1 供电电路设计

6．1．2 主控电路设计

6．1．3 驱动电路设计

6．1．4 检测电路设计

6．2 伺服控制系统软件设计

6．2．1 集成开发环境介绍

6．2．2 控制系统主程序

6．2．3 系统初始化程序

6．2．4 中断服务子程序

6．2．5 矢量控制程序

6．3 实验及结果分析

6．4 本章小结

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢

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