《基于simulink的双闭环直流调速系统的设计与仿真》毕业设计的英文翻译.docx

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1、免疫PI控制器在双闭环直流调速系统的应用研究摘要根据生物免疫系统的调节规律，比较控制系统和免疫系统，本文提出了并行免疫PI控制器。基于双闭环直流调速系统的传统控制策略和控制要求，本文提出了应用免疫PI控制的控制模式，速度环采用PI调节器控制电流回路。仿真结果表明，该研究方法与传统PI控制的直流调速系统相对比，具有超调量小和稳态精度高的优点，并且能够全面的提高动态性能的稳定，因此它具有一定的应用前景。关键字：直流调速系统 转速环 电流环 免疫PI控制正文：I. 简介直流电动机具有良好的起动和制动性能，它适合在很宽的调速范围内平滑调速。它已经被广泛应用于控制性能较高的大功率电力拖动领域，如轧钢机，

2、矿山卷扬机，挖掘机，造纸机等。在直流调速系统里，常规控制模式是在速度环和电流环中应用PI调节器，虽然PID控制在电力拖动领域一直是相当成熟的控制方案，但其不能够适应参数变化和非线性的控制对象，所以很难获得满意的控制效果。在对生物系统深入分析后，发现了生物系统的很多特征，应用生物系统有用的特征到工程当中就是当前的一个研究课题，在这个研究课题中处理控制问题出现的免疫控制器应用了生物免疫系统的反馈机制。本文提出了一种在双闭环直流调速系统中应用免疫PI调节器控制转速环和电流环的控制模式，并利用MATLAB仿真。研究结果表明这种控制方式比传统控制方式更好。II. 免疫PI控制器生物免疫系统是一个具有较好

3、的鲁棒性和自适应性的系统。如果没有免疫系统的保护生物不可避免地会被感染，然后就会死亡。免疫反应是免疫系统的抗原识别、激活、分化和反应的一个过程。有体液免疫和细胞免疫两种方式。以体液免疫反应为例，抗原被抗原呈递细胞（APC）消化的过程中首先激活Th（辅助T细胞）细胞并释放淋巴因子，然后激活B细胞产生抗体，抗原呈递细胞APC可以激活TS（抑制T细胞）细胞，激活的TS细胞可以抑制Th细胞和B细胞使免疫系统达到稳定。体液免疫的反应过程如图1所示。在免疫反应的不同阶段，T细胞的调节功能是不同的。在免疫反应的初期阶段中，抗原的浓度很高，而抗体的浓度很低，TH起主导作用的，免疫反应过程被促进；而在免疫反应的

4、后期阶段中，抗原的浓度很低，抗体的浓度很高，TS起主导作用的，免疫反应被抑制以保证免疫系统的稳定性。如果抗原和抗体的浓度都很低，则免疫力达到稳态状态，免疫反应停止。在免疫反应的调节过程中，T细胞的功能是促进和抑制免疫系统的快速反应并保证足够的稳定性。虽然这种免疫反应机制需要作进一步的研究，但它可以用来有效地提高控制系统的性能。图1 体液免疫反应的过程示意图A 免疫控制器 3 4 在上述免疫反应的T细胞功能的基础上，从K的分裂得到了B细胞的浓度表达式： （1）如果： (2) （3）是子代抗原的浓度： K1是TH细胞的促进因子；K2是TS细胞的抑制因子： B(k)是B细胞的浓度变化，： B(k -

5、 d) = B(k - d) -B(k- d-1) ， d是免疫反应拖延时间：f是B细胞非线性功能变化的相关浓度，(k-d)是B细胞免疫作用间相互作用的抗体和抗原的分泌代。从我们得到的关系表达式(1)(3)，可以得到B细胞中抗原浓度为：（）其中K=K1；=K1/K2，这样也就可以求出TS比例系数和TH比例系数。把免疫系统和控制系统作类比，我们会发现在动态调整过程中控制系统必须在保证系统稳定的前提下有更好的动态性能，这就是说它要具有非常小的超调而且快速反应消除偏差，这样的控制要求与免疫系统的控制目标是相同的。表一 免疫系统与控制系统的比较免疫系统控制系统繁衍代k（抗原、抗体等）离散系统的采样时间

6、kk代抗原浓度k采样时刻设置值与实际输出的偏差e(k) k代B细胞浓度k采样时刻控制器输出(k)基于表（1）和(4)，我们得到免疫控制器的表达为：（5）其中，表示免疫反应不同阶段的免疫调节作用。假设是阈值较大的偏差、是阀值较小的偏差。如果| e(k) | e ， 这意味着他们的反应是在初始阶段，偏差很大，控制作用很小，如果=-1， 调节器的增益是：如果 e 1| e(k)| e0，这意味着在中后期阶段系统的响应偏差小，调节器的作用是相当大的，为了避免超调量很大， 可以使=1以及f u(k - d) = 1，此时调节器的增益为：如果 |e(k) | e1，这意味着在后期阶段系统的响应偏差小，调节

7、器的输出也很小。如果=0，控制器增益是：其中e(k) = r (k) -c (k) ， r (k)是控制系统的输出设置值、c (k)是控制系统实际输出值。免疫调节器如图2所示。图2 免疫调节器的结构图图3 T细胞的调节功能B T细胞的调节功能T细胞调节不仅关系到抗原的浓度而且对抗体的浓度也有关系。在控制系统中，调节器的输出变化u ( kd )等于抗体的浓度。基于T细胞的调节，我们选择以下的非线性函数：其中，a是抗体的浓度系数，对于不同值的a其非线性函数如图3所示。C 免疫PI调节器器使免疫调节器和积分调节器并联，形成一个比例系数可调的PI调节器。按照系统响应的不同阶段对，比例系数KP可以设置为

8、不同的价值；因此，我们改善了系统的控制性能。免疫PI调节器的结构图如图4所示。其中，图4 免疫PI调节器的结构图III. 双闭环直流调速系统的仿真分析经过多年的研究，双闭环直流调速系统的结构基本形成，如图52所示。在工程设计中，ACR(电流调节器)和ASR(速度调节器)全部采用PI调节器。获得的可视化仿真结果，我们选择了以下仿真实例。双闭环直流调速系统的供电电源由可控硅整流器(SCR)所提供，整流装置采用三相桥整流电路。基本参数如下。直流电机： 220V，136A ，1460r /min ，C e = 0.132V r/min， 允许过载能力 = 1.5 ， 可控硅整流装置SCR的放大系数KS

9、 = 40，电枢总电阻R = 0.5 ， 时间常数Tl = 0.03 ，Tm = 0.18 ，电流反馈系数： = 0.05V / A， 转速反馈系数： = 0.007V min/ r 。从工程设计中，我们得到了电流环和速度环调节器调的传递函数。电流环转速环图5 双闭环直流调速系统的动态结构图根据经典的双闭环直流调速系统的结构，考虑到转速环是控制系统的关键部分，转速环控制电流环，而电流环主要用于改变电机运行性能。在建立双闭环直流调速系统的控制模型时，速度环采用免疫PI调节器，而电流环仍然采用常规的PI调节器。由于文章篇幅的限制，本文只画了额定负载条件下的MATLAB仿真曲线。这两种控制方法的仿真

10、结果图6和7所示。图6 两种控制方法的电流仿真曲线(1：免疫PI控制 2：常规PI控制)图7 两种控制方法的转速仿真曲线(1：免疫PI控制 2：常规PI控制)为了直观地对比了这两种控制方法的优点和缺点，我们总结了两种控制方法的系统动态性能参数，如下表2所示。表2 常规PI控制和免疫PI控制方法的动态性能仿真结果分析：从表2中，我们可以看到在额定负载下免疫PI控制具有稳定，响应速度快，超调量小，静差小的特点，无论是动态性能还是静态性能免疫PI控制都比常规PI控制要好。在系统参数的调试与仿真过程中，常规PI控制非常敏感，而免疫PI控制得变化不是很明显。这说明转速环采用免疫PI控制后系统具有较强的鲁

11、棒性和抗干扰能力。IV 结论将生物免疫系统的响应机制运用到控制系统中，并在控制系统中建立了免疫PI调节器，仿真结果表明转速环采用免疫PI控制的直流调速系统具有很多优点，如超调量小、稳态精度高等优点。这样的控制系统可以全面提高直流调速系统的动态和稳态性能，因此免疫PI控制在双闭环直流调速系统中具有很大的应用前景。参考文献：1 黄忠林. 控制系统的计算及MATLAB仿真 M. 北京：国防工业出版社,2001.2 陈伯时. 电气传动控制系统 M. 北京：机械工业出版社,2002.3 Takahashi K，Yamada T，Application of an immune feedback mechanism to mechanism to control system，JSME Int J， Series C， vol. 41， pp. 184191， February 1998.4 唐英姿，沈炯. 免疫PID控制器在温度控制（STC）系统的应用 J. 电力系统自动化，第一卷22，第148-152页，2002年10月。 （中国）5 Dasgupta D. 人工免疫系统及其应用 M. 柏林：斯普林格出版社，1999