双闭环直流调速系统的分数阶控制研究[范文]

摘要：电机调速系统的发展日新月异，对于不同的调速系统采用不同的控制方法，已成为各领域科学家的研究热门。本次设计引入了一种新的控制器：分数阶PI控制器，它是由分数阶控制器简化而来。为说明该控制器控制性能比普通PI控制器更加优越，本次设计选用较为稳定的双闭环直流调速系统作为研究对象，将外环PI控制器用分数阶控制器替代，分别用遗传算法对两种控制器寻优，编程运行，比较替代前后的动态性能。事实证明对于该系统而言，若想做到控制效果更为精良，使用分数阶控制器是比普通PI控制器更为明智的一种选择。

普通双闭环直流调速系统的大致结构图 

实验中使用了分数阶微积分、遗传算法、MATLAB编程、误差绝对值时间积分函数、调用的simulink模块等数学或程序工具，得到的曲线和具体数值取决于各参数范围及目标函数权值的选取，因个人水平有限，无法做到十全十美，希望以后有更多的专家学者对其进行更改完善。

第一章      绪论

1.1课题研究背景及意义：

等效的他励直流电机电路图

工业生产领域并存着两大电机调速系统：交流系统和直流系统，由于科学技术的发展导致它们所处的地位和所起的作用发生了变化。实际应用中，各类调速系统都各有优势。目前，高性能的调速系统在不断地发展和完善，而工业控制领域中对调速系统的稳定性、鲁棒性、跟随性等性能的要求在不断地提高。整数阶PID控制器具有操作简单、调整方便、具有一定鲁棒性等特点，能够满足大部分工业系统要求，在电机控制应用中更是处于主导地位。但是随着控制对象的结构、所需控制的参数越来越复杂，传统的整数阶PID控制通常较难得到令人满意的控制效果[2]。

电机作为工业控制领域的重要电气设备，不管是直流电机还是交流电机，均广泛应用于工业中的各个角落。电机调速系统是一个复杂的动力机械系统，这个系统中包含了很多非线性因素，如齿轮间的间隙和摩擦以及基础振动等。因此，系统的分数阶特性的地位正在提升，变得无法忽略，为了降低电机调速系统的噪声和振动，进一步扩展优化传统的整数阶控制方法，在电机调速系统中引入分数阶控制是可行和必要的，具有实际意义和使用价值。

文献[3]认为：“实际系统通常大都不是整数阶，而是分数阶的”，对于那些本身带有分数阶特性的对象，采用分数阶来进行描述时，揭示对象的本质特性及其行为显得更加完美了。为什么忽略系统的实际阶次（分数阶）呢？主要是因其复杂性以及缺乏相应的数学工 具。整数阶PID控制器有3个参数来调整系统性能，即kp、ki、kd。而分数阶控制器除了具有以上三个用来调整系统性能的参数外，又增加了两个参、，即积分阶次和微分阶次。这使分数阶控制器设计时多了两个自由度，控制器控制受控对象更加灵活，为系统获得更优性能提供了新的可能性，扩大了控制器调整范围，使系统有可能获得更好的控制效果，但控制器参数的增多也增加了参数整定难度，随着各个学者提出不同的整定方法，该项美中不足之处已被渐渐攻克。

近几年，分数阶控制理论得到了飞速的发展，分数阶控制器在不同领域获得了一定的成果[4–6]。在运动控制领域，分数阶控制器主要应用于永磁同步电动机、直流电动机的转速调节，在对直流电动机、交流电机调节中直接的对速度调节，并且已经有人将其运用于双闭环调速系统，取得了很多丰硕的成果。