外文翻譯——-免疫pi控制器在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用研究（中文）

1、<p><b>　　中文2830字</b></p><p>　　免疫PI控制器在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用研究</p><p><b>　　Wang Sue</b></p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　根據(jù)生物免疫系統(tǒng)的調(diào)節(jié)規(guī)律，比較控制系統(tǒng)和

2、免疫系統(tǒng)，本文提出了并行免疫PI控制器?；陔p閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的傳統(tǒng)控制策略和控制要求，本文提出了應(yīng)用免疫PI控制的控制模式，速度環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器控制電流回路。仿真結(jié)果表明，該研究方法與傳統(tǒng)PI控制的直流調(diào)速系統(tǒng)相對比，具有超調(diào)量小和穩(wěn)態(tài)精度高的優(yōu)點(diǎn)，并且能夠全面的提高動態(tài)性能的穩(wěn)定，因此它具有一定的應(yīng)用前景。</p><p>　　關(guān)鍵字：直流調(diào)速系統(tǒng) 轉(zhuǎn)速環(huán) 電流環(huán) 免疫PI控制</p>

3、<p><b>　　正文：</b></p><p><b>　　I. 簡介</b></p><p>　　直流電動機(jī)具有良好的起動和制動性能，它適合在很寬的調(diào)速范圍內(nèi)平滑調(diào)速。它已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于控制性能較高的大功率電力拖動領(lǐng)域，如軋鋼機(jī)，礦山卷揚(yáng)機(jī)，挖掘機(jī)，造紙機(jī)等。在直流調(diào)速系統(tǒng)里，常規(guī)控制模式是在速度環(huán)和電流環(huán)中應(yīng)用PI調(diào)節(jié)器，雖

4、然PID控制在電力拖動領(lǐng)域一直是相當(dāng)成熟的控制方案，但其不能夠適應(yīng)參數(shù)變化和非線性的控制對象，所以很難獲得滿意的控制效果。在對生物系統(tǒng)深入分析后，發(fā)現(xiàn)了生物系統(tǒng)的很多特征，應(yīng)用生物系統(tǒng)有用的特征到工程當(dāng)中就是當(dāng)前的一個(gè)研究課題，在這個(gè)研究課題中處理控制問題出現(xiàn)的免疫控制器應(yīng)用了生物免疫系統(tǒng)的反饋機(jī)制。本文提出了一種在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用免疫PI調(diào)節(jié)器控制轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)的控制模式，并利用MATLAB仿真。研究結(jié)果表明這種控制方式比傳統(tǒng)

5、控制方式更好。</p><p>　　II. 免疫PI控制器</p><p>　　生物免疫系統(tǒng)是一個(gè)具有較好的魯棒性和自適應(yīng)性的系統(tǒng)。如果沒有免疫系統(tǒng)的保護(hù)生物不可避免地會被感染，然后就會死亡。免疫反應(yīng)是免疫系統(tǒng)的抗原識別、激活、分化和反應(yīng)的一個(gè)過程。有體液免疫和細(xì)胞免疫兩種方式。以體液免疫反應(yīng)為例，抗原被抗原呈遞細(xì)胞（APC）消化的過程中首先激活Th（輔助T細(xì)胞）細(xì)胞并釋放淋巴因子，然后激

6、活B細(xì)胞產(chǎn)生抗體，抗原呈遞細(xì)胞APC可以激活TS（抑制T細(xì)胞）細(xì)胞，激活的TS細(xì)胞可以抑制Th細(xì)胞和B細(xì)胞使免疫系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定。體液免疫的反應(yīng)過程如圖1所示。在免疫反應(yīng)的不同階段，T細(xì)胞的調(diào)節(jié)功能是不同的。在免疫反應(yīng)的初期階段中，抗原的濃度很高，而抗體的濃度很低，TH起主導(dǎo)作用的，免疫反應(yīng)過程被促進(jìn)；而在免疫反應(yīng)的后期階段中，抗原的濃度很低，抗體的濃度很高，TS起主導(dǎo)作用的，免疫反應(yīng)被抑制以保證免疫系統(tǒng)的穩(wěn)定性。如果抗原和抗體的濃度都很低

7、，則免疫力達(dá)到穩(wěn)態(tài)狀態(tài)，免疫反應(yīng)停止。在免疫反應(yīng)的調(diào)節(jié)過程中，T細(xì)胞的功能是促進(jìn)和抑制免疫系統(tǒng)的快速反應(yīng)并保證足夠的穩(wěn)定性。雖然這種免疫反應(yīng)機(jī)制需要作進(jìn)一步的研究，但它可以用來有效地提高控制系統(tǒng)的性能。</p><p>　　圖1 體液免疫反應(yīng)的過程示意圖</p><p>　　A 免疫控制器[ 3 ] [ 4 ]</p><p>　　在上述免疫反應(yīng)的T細(xì)胞功能的基

8、礎(chǔ)上，從K的分裂得到了B細(xì)胞的濃度表達(dá)式：</p><p><b>　?。?）</b></p><p><b>　　如果：</b></p><p><b>　　(2)</b></p><p><b>　　（3）</b></p><p&g

9、t;　　是子代抗原的濃度： K1是TH細(xì)胞的促進(jìn)因子；K2是TS細(xì)胞的抑制因子： △B(k)是B細(xì)胞的濃度變化，：△?B(k ??d) ??B(k ??d) ?B(k??d?1) ， d是免疫反應(yīng)拖延時(shí)間：f是B細(xì)胞非線性功能變化的相關(guān)濃度，(k-d)是B細(xì)胞免疫作用間相互作用的抗體和抗原的分泌代。從我們得到的關(guān)系表達(dá)式(1)～(3)，可以得到B細(xì)胞中抗原濃度為：</p><p><b>　　（４）&l

10、t;/b></p><p>　　其中K=K1；η=K1/K2，這樣也就可以求出TS比例系數(shù)和TH比例系數(shù)。</p><p>　　把免疫系統(tǒng)和控制系統(tǒng)作類比，我們會發(fā)現(xiàn)在動態(tài)調(diào)整過程中控制系統(tǒng)必須在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下有更好的動態(tài)性能，這就是說它要具有非常小的超調(diào)而且快速反應(yīng)消除偏差，這樣的控制要求與免疫系統(tǒng)的控制目標(biāo)是相同的。</p><p>　　表一 免疫

11、系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的比較</p><p>　　基于表（1）和(4)，我們得到免疫控制器的表達(dá)為：</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　其中，λ表示免疫反應(yīng)不同階段的免疫調(diào)節(jié)作用。假設(shè)是閾值較大的偏差、是閥值較小的偏差。如果| e(k) |??e ， 這意味著他們的反應(yīng)是在初始階段，偏差很大，控制作用很小，如果λ=-1，

12、調(diào)節(jié)器的增益是：</p><p>　　如果 e 1???e(k)| ??e0，這意味著在中后期階段系統(tǒng)的響應(yīng)偏差小，調(diào)節(jié)器的作用是相當(dāng)大的，為了避免超調(diào)量很大， 可以使λ=1以及f [△u(k ??d)] ??1，此時(shí)調(diào)節(jié)器的增益為：</p><p>　　如果 |e(k) |??e1，這意味著在后期階段系統(tǒng)的響應(yīng)偏差小，調(diào)節(jié)器的輸出也很小。如果λ=0，控制器增益是：</p>

13、<p>　　其中e(k) ??r (k) ?c (k) ， r (k)是控制系統(tǒng)的輸出設(shè)置值、c (k)是控制系統(tǒng)實(shí)際輸出值。免疫調(diào)節(jié)器如圖2所示。</p><p>　　圖2 免疫調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　圖3 T細(xì)胞的調(diào)節(jié)功能</p><p>　　B T細(xì)胞的調(diào)節(jié)功能</p><p>　　T細(xì)胞調(diào)節(jié)不僅關(guān)系到抗原

14、的濃度而且對抗體的濃度也有關(guān)系。在控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器的輸出變化Δu ( k?d )等于抗體的濃度?；赥細(xì)胞的調(diào)節(jié)，我們選擇以下的非線性函數(shù)：</p><p>　　其中，a是抗體的濃度系數(shù)，對于不同值的a其非線性函數(shù)如圖3所示。</p><p>　　C 免疫PI調(diào)節(jié)器器</p><p>　　使免疫調(diào)節(jié)器和積分調(diào)節(jié)器并聯(lián)，形成一個(gè)比例系數(shù)可調(diào)的PI調(diào)節(jié)器。按照系統(tǒng)響

15、應(yīng)的不同階段對，比例系數(shù)KP可以設(shè)置為不同的價(jià)值；因此，我們改善了系統(tǒng)的控制性能。免疫PI調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。</p><p><b>　　其中，</b></p><p>　　圖4 免疫PI調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　III. 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真分析</p><p>　　經(jīng)過多年的研究，雙閉環(huán)直流調(diào)

16、速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)基本形成，如圖5[2]所示。在工程設(shè)計(jì)中，ACR(電流調(diào)節(jié)器)和ASR(速度調(diào)節(jié)器)全部采用PI調(diào)節(jié)器。獲得的可視化仿真結(jié)果，我們選擇了以下仿真實(shí)例。</p><p>　　雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的供電電源由可控硅整流器(SCR)所提供，整流裝置采用三相橋整流電路?；緟?shù)如下。</p><p>　　直流電機(jī)： 220V，136A ，1460r /min ，C e = 0.132V

17、r/min， 允許過載能力λ ??1.5 ， 可控硅整流裝置SCR的放大系數(shù)KS = 40，電樞總電阻R = 0.5 Ω， 時(shí)間常數(shù)Tl = 0.03 ，Tm = 0.18 ，電流反饋系數(shù)：β???0.05V / A， 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：α = 0.007V min/ r 。從工程設(shè)計(jì)中，我們得到了電流環(huán)和速度環(huán)調(diào)節(jié)器調(diào)的傳遞函數(shù)。</p><p><b>　　電流環(huán)</b></p>

18、<p><b>　　轉(zhuǎn)速環(huán)</b></p><p>　　圖5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　根據(jù)經(jīng)典的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，考慮到轉(zhuǎn)速環(huán)是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，轉(zhuǎn)速環(huán)控制電流環(huán)，而電流環(huán)主要用于改變電機(jī)運(yùn)行性能。在建立雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的控制模型時(shí)，速度環(huán)采用免疫PI調(diào)節(jié)器，而電流環(huán)仍然采用常規(guī)的PI調(diào)節(jié)器。由于文章篇幅的限制，

19、本文只畫了額定負(fù)載條件下的MATLAB仿真曲線。這兩種控制方法的仿真結(jié)果圖6和7所示。</p><p>　　圖6 兩種控制方法的電流仿真曲線(1：免疫PI控制 2：常規(guī)PI控制)</p><p>　　圖7 兩種控制方法的轉(zhuǎn)速仿真曲線(1：免疫PI控制 2：常規(guī)PI控制)</p><p>　　為了直觀地對比了這兩種控制方法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，我們總結(jié)了兩種控制方法的系統(tǒng)

20、動態(tài)性能參數(shù)，如下表2所示。</p><p>　　表2 常規(guī)PI控制和免疫PI控制方法的動態(tài)性能仿真結(jié)果</p><p>　　分析：從表2中，我們可以看到在額定負(fù)載下免疫PI控制具有穩(wěn)定，響應(yīng)速度快，超調(diào)量小，靜差小的特點(diǎn)，無論是動態(tài)性能還是靜態(tài)性能免疫PI控制都比常規(guī)PI控制要好。在系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)試與仿真過程中，常規(guī)PI控制非常敏感，而免疫PI控制得變化不是很明顯。這說明轉(zhuǎn)速環(huán)采用免疫P

21、I控制后系統(tǒng)具有較強(qiáng)的魯棒性和抗干擾能力。</p><p><b>　　IV． 結(jié)論</b></p><p>　　將生物免疫系統(tǒng)的響應(yīng)機(jī)制運(yùn)用到控制系統(tǒng)中，并在控制系統(tǒng)中建立了免疫PI調(diào)節(jié)器，仿真結(jié)果表明轉(zhuǎn)速環(huán)采用免疫PI控制的直流調(diào)速系統(tǒng)具有很多優(yōu)點(diǎn)，如超調(diào)量小、穩(wěn)態(tài)精度高等優(yōu)點(diǎn)。這樣的控制系統(tǒng)可以全面提高直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，因此免疫PI控制在雙閉環(huán)直流調(diào)

22、速系統(tǒng)中具有很大的應(yīng)用前景。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　[1] 黃忠林. 控制系統(tǒng)的計(jì)算及MATLAB仿真 [M]. 北京：國防工業(yè)出版社,2001.</p><p>　　[2] 陳伯時(shí). 電氣傳動控制系統(tǒng) [M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2002.</p><p>　　[3]

23、Takahashi K，Yamada T，Application of an immune feedback mechanism to mechanism to control system，JSME Int J， Series C， vol. 41， pp. 184–191， February 1998.</p><p>　　[4] 唐英姿，沈炯. 免疫PID控制器在溫度控制（STC）系統(tǒng)的應(yīng)用 [J]. 電力