基于人工蜂群分数阶PID算法的电磁搅拌控制系统研究

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电磁搅拌系统能有效的提高金属凝固过程的控制效果,是金属材料质量保证的关键环节。钢铁铸坯冶炼的品质取决于系统模型的准确性、控制器设计及控制方式的合理性。现有电磁搅拌控制系统大多使用PID(Proportion Integral Derivative)控制器来控制电流和频率,其调节环节响应速度慢、超调大,不利于系统的精确控制。随着分数阶微积分理论及其控制器的不断完善,本文提出了一种基于人工蜂群(Artificial bee colony,ABC)分数阶λ(Fractional-order PID,FOPID)控制器的三相电磁搅拌控制系统,使系统能在有干扰的情况下快速达到稳定,且超调小,稳态效果好。首先,建立了三相旋转磁场式电磁搅拌控制系统的数学模型。通过对电磁搅拌控制系统物理结构上的分析,建立基于SVPWM脉宽调制的电磁搅拌控制系统数学模型,通过FOPID控制器调节SVPWM调制器的调制比及角度,完成对电磁搅拌器频率和电流的解耦。其次,提出了自适应混沌搜索人工蜂群寻优算法。针对FOPID控制器参数多、整定难度大等问题,设计了一种改进的人工蜂群算法。在搜索前期加入自适应步长,后期加入混沌搜索,实现蜂群随环境变化自适应调整搜索步长,提高收敛速度;利用混沌算法的遍历性,解决在搜索后期易陷入局部最优解的问题;采用标准测试函数开展了仿真寻优实验,验证了算法的可靠性。最后,设计了基于改进ABC-FOPID算法的三相旋转磁场式电磁搅拌控制系统。在MATLAB/Simulink仿真软件上搭建了PID、FOPID及ABC-FOPID控制器模块,结合电磁搅拌模型对三种控制器进行了系统对比仿真。结果表明,基于ABC-FOPID控制算法的电磁搅拌系统响应速度快、超调小、稳定性好。
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