基于PSO-GSA算法的分数阶控制器设计及其在无刷直流电机中的应用

摘要

无刷直流电机具有输出效率高、成本低等优点，在诸多领域得到了广泛应用，但是由于电子换向器的控制方式以及性能造成了其存在固有转矩脉动、转速调节精度不高的问题。为了无刷直流电机能够在更高精度、更广阔领域的应用，设计一种新型控制器，具有非常重要意义。将分数阶微积分理论和模糊逻辑理论融合到控制器中可以设计出分数阶模糊控制器，该控制器较传统控制器相比具有更好的控制性能。本文主要研究基于新型PSO-GSA算法的分数阶模糊控制器设计及其在无刷直流电机上的应用，主要内容分为以下几个部分：　　第一部分，主要研究了无刷直流.电机的基本运行.原理，建立起相应的数学模型，根据其转矩脉动问题建立了直接转矩控制模块，详细介绍了定子磁链计算模块、扇区划分与选择模块、空间电压矢量选择模块等模块的数学原理与建模过程，通过仿真实验进行了验证，此仿真模型为下文设计的控制器实验奠定了基础。　　第二部分，介绍了新型PSO-GSA算法，以粒子群算法和引力算法为基础将两个优化算法融合为PSO-GSA算法，对PSO-GSA算法的参数进行了优化改进。经过验证新型PSO-GSA算法的寻优速度、全局探索能力和局部搜索能力都有所提高，此算法为下文中控制器的优化和参数整定提供了方法。　　第三部分，阐述了分数阶PIλDμ控制器及其在无刷直流电机中的应用。分数阶PIλDμ控制器比PID控制器多了两个可调整的变量，故分数阶PIλDμ控制器的控制范围有了大幅度提升，但是参数整定变得更加复杂。为了提高参数整定的方便性和有效性，采用了文中设计的新型PSO-GSA算法对分数阶PIλDμ控制器的5个参数进行寻优整定。选取三种被控制对象，验证基于新型PSO-GSA算法整定的参数具有优越的控制品质。随后以无刷直流电机为控制对象，进行转速响应实验和抗干扰实验，验证基于新型PSO-GSA算法整定的分数阶PIλ控制器较PI控制器拥有更好的控制能力。　　第四部分，介绍了模糊PI控制器和分数阶模糊PIλ控制器的设计及其在无刷直流电机中的应用，详细说明了模糊控制器分别与PI控制器和分数阶PIλ控制器相结合的过程，形成了可以在控制过程中自适应调整的两种融合控制器，使用本文提出的新型PSO-GSA算法整定两种控制器的参数以及优化其比例因子和量化因子。通过仿真实验和半实物仿真实验研究，对两种控制器性能进行验证，证明了本文提出的模糊PI控制器和分数阶模糊PIλ控制器具有较好的控制性能。　　最后，对于文中设计的模糊PI控制器和分数阶模糊PIλ控制器以及参数整定、优化的方法进行总结，并对新型控制器设计和应用进行展望。

目录

声明

变量注释表

1 绪 论

1.1 研究背景及意义（Research background and significance）

1.2 国内外研究现状（Research status at home and abroad）

1.3 本文的主要工作（The main work of this thesis）

2 无刷直流电机的直接转矩控制

2.1 无刷直流电机运行原理（Operation principle of BLDCM）

2.2 无刷直流电机的模型分析（Model analysis of BLDCM）

2.3 直接转矩控制系统（Direct torque control system）

2.4 仿真实验与分析（Simulation experiment and analysis）

2.5 本章小结（Summary）

3 新型PSO-GSA算法

3.1 粒子群算法（Particle swarm algorithm）

3.2 引力算法（Gravitational search algorithm）

3.3 新型PSO-GSA算法（New PSO-GSA algorithm）

3.4 仿真实验与分析（Simulation experiment and analysis）

3.5 本章小结（Summary）

4 分数阶PIλDμ控制器的设计

4.1 分数阶PIλDμ控制器的基础（Basis of fractional order PIλDμcontroller）

4.2 分数阶PIλDμ控制器参数的整定方法概述（Overview of the tuning method for fractional order PIλDμcontroller）

4.3 基于PSO-GSA算法分数阶PIλDμ控制器参数的整定方法（Tuning method of fractional PIλDμbased on PSO-GSA algorithm）

4.4 仿真实验与分析（Simulation experiment of fuzzy controller）

4.5 本章小结（Summary）

5 分数阶模糊PIλ控制器的设计

5.1 模糊控制的结构（Structure of fuzzy control）

5.2 模糊PI控制器（Fuzzy PI controller）

5.3 分数阶模糊PIλ控制器（Fractional-order fuzzy PIλcontroller）

5.4 仿真实验与分析（Simulation experiment of fuzzy controller）

5.5 本章小结（Summary）

6 无刷直流电机控制器实验

6.1 系统整体结构（Overall system structure）

6.2 控制系统的硬件设计（Design of control system hardware）

6.3 控制系统的软件设计（Control system software design）

6.4 实验结果与分析（Experimental results and analysis）

6.5 本章小结（Summary）

7 总结与展望

7.1 总结（Conclusion）

7.2 展望（Prospect）

参考文献

作者简历

致谢

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