直流电机位置控制器参数优化研究

周国庆 孙丹睿 吴 江 王 锋 赵为平

（1.沈阳航空航天大学，辽宁 沈阳 110136；2.北京邮电大学信息与通信工程学院，中国 北京 100876）

直流电机控制器通常是由串级进行控制，分为位置环、速度环和电流环，可以有效保证这个系统的稳定性和响应速度。当电流环内部和速度环的参数发生受到扰动时，它们就能起到很好的抑制作用，减少对位置环的影响，从而可以保证系统的稳定[1]。对直流电机控制参数进行优化设计,可以在满足要求的前提下,进一步提高性能。但采用传统的优化设计方法,已很难解决这种全局最优化问题。近几年，作为全局优化算法之一的遗传算法，得到了广泛的应用，本文针对无刷直流电机的PID控制器采用遗传算法进行优化设计[2]。

1 直流电机位置控制系统

直流电机位置控制系统由位置调节器、电流调节器和转速调节器串级连接[3]。直流电机位置控制系统结构图如图1所示。

已知某直流电机控制回路及直流电机主要参数计算如下：

表1 电机参数

采用经典整定方法得到的控制器的超调量比较大，未达到实际工艺的要求。如果要得到满足要求的控制器，需要在此基础上进一步手工整定。并且，控制器的效果是否最优，也没有明确的答案。因此，本文采用遗传算法进行直流电机位置跟踪系统控制器参数的寻优。

针对直流电机位置跟踪系统的特点，本文选择系统的上升时间，稳态误差和超调量所占比重的组合作为优化的目标函数。同时，为了保证控制器的控制效果，减少系统的震荡，引入系统的振荡次数τ，并乘以惩罚函数λ3[4]。这样目标函数最终变为：

式中：λ1，λ2—加权系数；e（t）—系统误差。

Simulink仿真图如图2所示。

2 优化条件及结果

采用遗传算法寻优中使用的样本个数为50，本文中在遗传操作时pc和pm参数取值为0.25和0.1。控制参数Ki的取值范围统一为[0，50]，权值步长0.01s。采用二进制编码，经过500代寻优。由于电机的积分特性，位置环控制器采用PD控制器。因此，遗传算法寻优中需要同时整定6个控制器参数。

在上述条件下最后得到电流、转速和位置三个控制器参数分别为：[10 10.05][420.10][4 1.12]，仿真结果如图4。仿真结果表明：由于整个系统花费的上升时间更快，改进的算法所需达到稳定的时间显然小于采用经典法的控制器，抖动更小，超调量满足实际工艺要求，基于遗传算法整定后的控制器控制参数更优于经典控制器的效果。

3 结论

经典的整定方法不但过程繁琐，而且还不能保证整定的控制器是最优的。因此，为了获得满意的系统性能，本文将遗传算法寻优引入到直流电机位置跟踪系统控制问题中。采用遗传算法进行控制器参数的全局寻优，同时整定电流、转速和位置控制器的参数。仿真结果：采用遗传算法设计的PID控制器能使控制系统的输出响应跟踪更快及无超调量，在保障系统稳定的基础上能够保证系统的控制效果，提高了系统性能，达到了实际工艺要求。

［1］魏林.无人机直流无刷电动舵回路控制技术研究[D].南京航空航天大学,2008.

［2］刘金琨.先进PID控制及其MATLAB仿真[M].北京：电子工业出版社,2003,1.

［3］黄仲林.自动控制原理的MATLAB实现[M].北京：国防工业出版社,2009.

［4］薛定宇.控制系统仿真与计算机辅助设计[M].北京：机械工业出版杜,2005：145-240.