專利名稱：一種超聲波電機(jī)混沌控制系統(tǒng)及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超聲波電機(jī)，尤其涉及超聲波電機(jī)的驅(qū)動控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
超聲波電機(jī)(USM)是ー種新型的運動控制執(zhí)行元件，具有不同于傳統(tǒng)電磁電機(jī)的工作原理與結(jié)構(gòu)。USM的特點使其在高端及普通運動控制領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景。超聲波電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)在一定的參數(shù)范圍內(nèi)會出現(xiàn)混沌行為，從而影響超聲波電機(jī)的穩(wěn)定運行。為了抑制超聲波電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中的混沌行為，需要進(jìn)行混沌控制。延時反饋控制方法結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，是傳統(tǒng)電磁電機(jī)常用的混沌控制方法，關(guān)于延時反饋控制方法，屬于現(xiàn)有成熟技術(shù)，在此不再贅述。將延時反饋控制方法用于超聲波電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的混沌控制時，由于超聲波電機(jī)不同于傳統(tǒng)電磁電機(jī)的非線性特征及更為復(fù)雜的混 沌特性，現(xiàn)有的延時反饋控制方法不易得到良好效果。延遲時間τ是延時反饋控制中最重要的ー個控制參數(shù)，其取值直接決定混沌控制的效果。通常有兩種方法確定延遲時間τ，ー是使τ等于第i個不穩(wěn)定周期軌道(UPO)的周期，ニ是使τ等于輸出信號兩個極大值之間的時間間隔。這兩種方法在選擇延遲時間τ時，只是令延遲時間τ接近或等于某個周期值，而沒考慮周期值鄰域以外的取值，故兩種方法所確定的τ可能不是最佳延遲時間；而且，由于超聲波電機(jī)明顯的時變非線性及強(qiáng)耦合特性，這個“最佳延遲時間”也會是變化的。如果能夠在線調(diào)整τ的取值，可能得到更適用于超聲波電機(jī)這類復(fù)雜非線性對象的延時反饋混沌控制策略?；谏鲜鰳?gòu)思，本發(fā)明給出了基于模糊邏輯的延時反饋混沌控制器，其延遲時間通過模糊邏輯推理來在線自適應(yīng)調(diào)節(jié)。驗證結(jié)果表明，該方法既有效地減小了電機(jī)轉(zhuǎn)速和驅(qū)動電壓的振蕩幅值，又明顯縮短了從混沌到周期或固定點的過渡過程時間。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種新穎的超聲波電機(jī)混沌控制方案及具體系統(tǒng)，用以提高超聲波電機(jī)混沌控制的有效性和可靠性。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的系統(tǒng)方案是一種超聲波電機(jī)混沌控制系統(tǒng)，包括電壓-轉(zhuǎn)速控制器、頻率轉(zhuǎn)速控制器和混沌控制器，混沌控制器為采用延時反饋控制方法的混沛控制器，以電機(jī)驅(qū)動電壓幅值為輸入，輸出作為施加于電壓-轉(zhuǎn)速控制器輸入端的擾動信號，所述混沌控制器中還設(shè)有一個用于在線調(diào)節(jié)延遲時間的模糊調(diào)節(jié)器。所述模糊調(diào)節(jié)器為雙輸入單輸出的模糊調(diào)節(jié)器，輸入變量為電機(jī)驅(qū)動電壓幅值的延遲變化量e = u(t-T)-u(t)及其導(dǎo)數(shù)ec ;其中，u(t)和u(t_T)分別為t、t_T時刻的驅(qū)動電壓幅值；模糊調(diào)節(jié)器輸出變量為延遲時間的增量值ΛΤ，經(jīng)積分環(huán)節(jié)得到延遲時間；延遲時間初值取為O。所述模糊調(diào)節(jié)器的模糊規(guī)則的基本原則如下1)如果e和ec均為0，則保持目前控制量不變，即Λ τ =0；2)如果e不為零，但卻以理想的速度接近零，保持目前控制量不變，g卩Λ τ =0；3)如果e為正值，ec為正值，說明e逐漸遠(yuǎn)離O，延遲時間τ的取值偏大，控制器輸出Λ τ <0;4)如果e為負(fù)值，ec為負(fù)值，說明e逐漸遠(yuǎn)離O，延遲時間τ的取值偏小，控制器輸出Λ τ > O。本發(fā)明的方法方案是ー種混沌控制方法，對基于延時反饋的混沌控制方法，通過模糊邏輯推理來在線自適應(yīng)調(diào)節(jié)混沌控制的延遲時間；根據(jù)模糊規(guī)則的基本原則，得到初始模糊規(guī)則表；然后對模糊規(guī)則、量化因子及歷史函數(shù)進(jìn)行調(diào)整。模糊調(diào)節(jié)輸入變量為電機(jī)驅(qū)動電壓幅值的延遲變化量e = u(t-T)-u(t)及其導(dǎo)數(shù)ec ;其中，u(t)和u(t-T)分別為t、t-T時刻的驅(qū)動電壓幅值；模糊調(diào)節(jié)輸出變量為延遲時間的增量值ΛΤ，經(jīng)積分環(huán)節(jié)得到延遲時間；延遲時間初值取為O。
所述模糊調(diào)節(jié)器的模糊規(guī)則的基本原則如下1)如果e和ec均為0，則保持目前控制量不變，即Λ τ =0；2)如果e不為零，但卻以理想的速度接近零，保持目前控制量不變，g卩Λ τ =0 ；3)如果e為正值，ec為正值，說明e逐漸遠(yuǎn)離0，延遲時間τ的取值偏大，控制器輸出Λ τ <0;4)如果e為負(fù)值，ec為負(fù)值，說明e逐漸遠(yuǎn)離0，延遲時間τ的取值偏小，控制器輸出Λ τ > O。根據(jù)權(quán)利要求5所述的混沌控制方法，其特征在于，所述調(diào)整過程如下1)首先初步給定各個變量的模糊集合和隸屬函數(shù)形狀，使隸屬函數(shù)在零附近比較密集；2)給定和kec初值，并暫時保持不變，調(diào)節(jié)心τ，任意給定心τ 一個值，保持心τ為積分步長的整數(shù)倍，根據(jù)輸出電壓幅值的波形和τ的變化曲線，對其進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)1 Λτ取值較小吋，τ的增量值較小，加入控制器后，在較長的時間內(nèi)電壓幅值波形變化不明顯，τ的調(diào)節(jié)過程較長；
的取值偏大吋，τ的増量值變大，較大的增量值會跳過最佳延時時間值，不能實現(xiàn)從混沌到固定點的控制。根據(jù)以上經(jīng)驗選擇ー個合適的心τ，使從混沌到固定點的過渡時間最短。し，確定后，保持1 Λτ和!^不變，調(diào)節(jié)ke，與1 Λτ的調(diào)節(jié)過程相似，以試探的方式，在匕初值的兩側(cè)選取不同的值進(jìn)行探究，觀察輸出波形，然后選擇ー個電壓幅值的振蕩幅值減小明顯且τ收斂的匕值，并保持不變；3)如果找不到合適的量化因子達(dá)到以上要求，則適當(dāng)調(diào)整隸屬函數(shù)的形狀及模糊集合的分布，然后再重復(fù)步驟2)，直到尋找到滿足上述條件的量化因子為止；4)如果通過步驟2)、3)，仍不能實現(xiàn)從混沌到固定點的控制，此時需要適當(dāng)調(diào)節(jié)模糊規(guī)則。根據(jù)τ和電壓幅值的輸出波形，確定模糊規(guī)則使τ收斂，即當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入周期區(qū)域吋，τ值在ー個很小的區(qū)域內(nèi)保持不變。模糊規(guī)則更改后，可能仍要更改各個變量的量化因子，以保證從混沌狀態(tài)到固定點的過渡時間較最短，電壓幅值的振蕩幅值最小。此時就要重復(fù)步驟2)、3)。本發(fā)明設(shè)計了基于模糊延時反饋的超聲波電機(jī)混沌控制系統(tǒng)，其延遲時間通過模糊邏輯推理來在線自適應(yīng)調(diào)節(jié)，使延遲時間的取值不僅僅局限于周期值或周期值的鄰域范圍內(nèi)，從而得到了更有效的超聲波電機(jī)混沌控制系統(tǒng)。


圖I是本發(fā)明的超聲波電機(jī)模糊混沌控制系統(tǒng)框圖；圖2是具體化的模糊混沌控制器；圖3是模糊調(diào)節(jié)器輸出變量Λ τ的隸屬函數(shù)；圖4是模糊控制方法的固定點控制結(jié)果；
圖5是從混沌到固定點運行狀態(tài)過程中的延遲時間變化過程。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)ー步詳細(xì)的說明。本發(fā)明設(shè)計了超聲波電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)如圖I所示。下面逐一介紹該圖中的各個環(huán)節(jié)及其相互作用關(guān)系。該系統(tǒng)包含兩個轉(zhuǎn)速控制器，分別采用電壓幅值和頻率作為控制變量。頻率-轉(zhuǎn)速控制器用來快速完成轉(zhuǎn)速的大范圍調(diào)節(jié)，提高響應(yīng)速度。電壓-轉(zhuǎn)速控制器調(diào)節(jié)電壓幅值，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)控制，消除穩(wěn)態(tài)誤差。這里，頻率-轉(zhuǎn)速控制器和電壓-轉(zhuǎn)速控制器均采用PI控制?；煦缈刂破饕噪姍C(jī)驅(qū)動電壓幅值為輸入，輸出為施加于電壓-轉(zhuǎn)速控制器輸入端的微擾信號，用以消除混沌。圖I中，旋轉(zhuǎn)編碼器E與電機(jī)同軸剛性連接，給出頻率與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比的方波信號，該信號經(jīng)處理后，給出轉(zhuǎn)速值，作為轉(zhuǎn)速反饋信號提供給“轉(zhuǎn)速控制器”。為了適應(yīng)超聲波電機(jī)的混沌控制特點，本發(fā)明提出了基于模糊邏輯的延時反饋混沌控制器，其延遲時間τ通過模糊邏輯推理來在線自適應(yīng)調(diào)節(jié)?；镜难舆t反饋控制是常用方法，這里不再詳述。下面說明基于模糊邏輯的延遲時間在線自適應(yīng)調(diào)節(jié)方法。將圖I重畫如圖2，其中細(xì)致描述了用于調(diào)節(jié)延遲時間的模糊調(diào)節(jié)器及其與延時反饋混沌控制器的關(guān)系。模糊調(diào)節(jié)器對延遲時間進(jìn)行在線調(diào)節(jié)，并希望通過這ー調(diào)節(jié)作用將超聲波電機(jī)轉(zhuǎn)速的混沌狀態(tài)穩(wěn)定到固定點上。模糊調(diào)節(jié)器設(shè)計為雙輸入單輸出形式。輸入變量為電機(jī)驅(qū)動電壓幅值的延遲變化量e = u(t- τ )-u(t)及其導(dǎo)數(shù)ec。其中，u(t)和u(t-T)分別為t.t-τ時刻的驅(qū)動電壓幅值。模糊調(diào)節(jié)器輸出變量為延遲時間的增量值Δ τ，經(jīng)積分環(huán)節(jié)得到延遲時間。延遲時間初值取為O。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，輸入變量e的實際論域為[-15，20]，ec的實際論域為[-1000，800]。對其分別進(jìn)行量化處理，得到単位模糊論域[-1，I]。e和ec的量化因子！^、ke。初歩 給定為ke = O. 05,kec = O. 001。輸出變量Λ τ的量化因子心τ在仿真過程中確定。模糊調(diào)節(jié)器的模糊推理采用Mamdani方法，解模糊方法為重心法。輸入變量e和ec均取3個模糊語言值N (負(fù))、Z (零)、P (正)，輸出變量Λ τ取5個模糊語言值NB (負(fù)大)、NS (負(fù)小)、Z (零)、PS (正小)、PB (正大)。所有模糊語言值的隸屬函數(shù)均取為三角形，其分布如圖3所示。模糊規(guī)則是模糊調(diào)節(jié)器的核心。根據(jù)混沌控制的基本經(jīng)驗，可得制定模糊規(guī)則的基本原則I)如果e和ec均為0，則保持目前控制量不變，即Λ τ = O ;2)如果e不為零，但卻以理想的速度接近零，保持目前控制量不變，即Λ τ = 0;3)如果e為正值，ec為正值，說明e逐漸遠(yuǎn)離0，延遲時間τ的取值偏大，控制器輸出Λ τ < O ；4)如果e為負(fù)值，ec為負(fù)值，說明e逐漸遠(yuǎn)離0，延遲時間τ的取值偏小，控制器輸出Λ τ > O。根據(jù)上述原則，可以得到初始的模糊規(guī)則表。在設(shè)計過程中，還需要不斷對模糊規(guī)貝1J、量化因子及隸屬函數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，以獲得更好的控制效果。具體的調(diào)整過程如下。I)首先初步給定各個變量的模糊集合和隸屬函數(shù)形狀，使隸屬函數(shù)在零附近比較S集；2)給定ke和!^初值，并暫時保持不變，調(diào)節(jié)1 Λτ，任意給定1 Λτ —個值，保持1 Λτ為積分步長的整數(shù)倍，根據(jù)輸出電壓幅值的波形和τ的變化曲線，對其進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)し，取值較小吋，τ的増量值較小，加入控制器后，在較長的時間內(nèi)電壓幅值波形變化不明顯，τ的調(diào)節(jié)過程較長；1 Λτ的取值偏大吋，τ的増量值變大，較大的增量值會跳過最佳延時時間值，不能實現(xiàn)從混沌到固定點的控制。根據(jù)以上經(jīng)驗選擇ー個合適的心τ，使從混沌到固定點的過渡時間最短。し，確定后，保持1 Λτ和!^不變，調(diào)節(jié)ke，與1 Λτ的調(diào)節(jié)過程相似，以試探的方式，在！^初值的兩側(cè)選取不同的值進(jìn)行探究，觀察輸出波形，然后選擇ー個電壓幅值的振蕩幅值減小明顯且τ收斂的！^值，并保持不變；3)如果找不到合適的量化因子達(dá)到以上要求，則適當(dāng)調(diào)整隸屬函數(shù)的形狀及模糊 集合的分布，然后再重復(fù)步驟2)，直到尋找到滿足上述條件的量化因子為止；4)如果通過步驟2)、3)，仍不能實現(xiàn)從混沌到固定點的控制，此時需要適當(dāng)調(diào)節(jié)模糊規(guī)則。根據(jù)τ和電壓幅值的輸出波形，確定模糊規(guī)則使τ收斂，即當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入周期區(qū)域吋，τ值在ー個很小的區(qū)域內(nèi)保持不變。模糊規(guī)則更改后，可能仍要更改各個變量的量化因子，以保證從混沌狀態(tài)到固定點的過渡時間較最短，電壓幅值的振蕩幅值最小。此時就要重復(fù)步驟2)、3)。最后確定模糊規(guī)則如表I所示。表I模糊控制規(guī)則表
權(quán)利要求
1.一種超聲波電機(jī)混沌控制系統(tǒng)，包括電壓-轉(zhuǎn)速控制器、頻率轉(zhuǎn)速控制器和混沌控制器，混沌控制器為采用延時反饋控制方法的混沌控制器，以電機(jī)驅(qū)動電壓幅值為輸入，輸出作為施加于電壓-轉(zhuǎn)速控制器輸入端的擾動信號，其特征在于，所述混沌控制器中還設(shè)有一個用于在線調(diào)節(jié)延遲時間的模糊調(diào)節(jié)器。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種超聲波電機(jī)混沌控制系統(tǒng)，其特征在于，所述模糊調(diào)節(jié)器為雙輸入單輸出的模糊調(diào)節(jié)器，輸入變量為電機(jī)驅(qū)動電壓幅值的延遲變化量e =u(t-T)-u(t)及其導(dǎo)數(shù)ec ;其中，u(t)和u(t-T)分別為t、t_T時刻的驅(qū)動電壓幅值；模糊調(diào)節(jié)器輸出變量為延遲時間的增量值ΛΤ，經(jīng)積分環(huán)節(jié)得到延遲時間；延遲時間初值取為O。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的ー種超聲波電機(jī)混沌控制系統(tǒng)，其特征在于，所述模糊調(diào)節(jié)器的模糊規(guī)則的基本原則如下I)如果e和ec均為O，則保持目前控制量不變，S卩Λ τ =O；2)如果e不為零，但卻以理想的速度接近零，保持目前控制量不變，即Δ τ = 0；3)如果e為正值，ec為正值，說明e逐漸遠(yuǎn)離O，延遲時間τ的取值偏大，控制器輸出Λ τ < O ;4)如果e為負(fù)值，ec為負(fù)值，說明e逐漸遠(yuǎn)離O，延遲時間τ的取值偏小，控制器輸出Λ τ >O0
4.ー種混沌控制方法，其特征在于，對基于延時反饋的混沌控制方法，通過模糊邏輯推理來在線自適應(yīng)調(diào)節(jié)混沌控制的延遲時間；根據(jù)模糊規(guī)則的基本原則，得到初始模糊規(guī)則表；然后對模糊規(guī)則、量化因子及歷史函數(shù)進(jìn)行調(diào)整。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的混沌控制方法，其特征在干，模糊調(diào)節(jié)輸入變量為電機(jī)驅(qū)動電壓幅值的延遲變化量e = u(t-T)_u(t)及其導(dǎo)數(shù)ec ;其中，u(t)和u(t_T)分別為t、t_T時刻的驅(qū)動電壓幅值；模糊調(diào)節(jié)輸出變量為延遲時間的增量值ΛΤ，經(jīng)積分環(huán)節(jié)得到延遲時間；延遲時間初值取為O。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的混沌控制方法，其特征在于，所述模糊調(diào)節(jié)器的模糊規(guī)則的基本原則如下I)如果e和ec均為0，則保持目前控制量不變，S卩Λ τ = 0 ;2)如果e不為零，但卻以理想的速度接近零，保持目前控制量不變，即Λ τ =0；3)如果e為正值，ec為正值，說明e逐漸遠(yuǎn)離0，延遲時間τ的取值偏大，控制器輸出Λ τ <0;4)如果e為負(fù)值，ec為負(fù)值，說明e逐漸遠(yuǎn)離0，延遲時間τ的取值偏小，控制器輸出Λ τ > O。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的混沌控制方法，其特征在于，所述調(diào)整過程如下 1)首先初步給定各個變量的模糊集合和隸屬函數(shù)形狀，使隸屬函數(shù)在零附近比較密集; 2)給定和心初值，并暫時保持不變，調(diào)節(jié)心τ，任意給定心τ一個值，保持心τ為積分步長的整數(shù)倍，根據(jù)輸出電壓幅值的波形和τ的變化曲線，對其進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)1 Λτ取值較小吋，τ的増量值較小，加入控制器后，在較長的時間內(nèi)電壓幅值波形變化不明顯，τ的調(diào)節(jié)過程較長；1 Λτ的取值偏大吋，τ的増量值變大，較大的增量值會跳過最佳延時時間值，不能實現(xiàn)從混沌到固定點的控制。根據(jù)以上經(jīng)驗選擇ー個合適的心τ，使從混沌到固定點的過渡時間最短。し，確定后，保持1 Λτ和!^不變，調(diào)節(jié)ke，與1 Λτ的調(diào)節(jié)過程相似，以試探的方式，在！^初值的兩側(cè)選取不同的值進(jìn)行探究，觀察輸出波形，然后選擇ー個電壓幅值的振蕩幅值減小明顯且τ收斂的！^值，并保持不變； 3)如果找不到合適的量化因子達(dá)到以上要求，則適當(dāng)調(diào)整隸屬函數(shù)的形狀及模糊集合的分布，然后再重復(fù)步驟2)，直到尋找到滿足上述條件的量化因子為止；.4)如果通過步驟2)、3)，仍不能實現(xiàn)從混沌到固定點的控制，此時需要適當(dāng)調(diào)節(jié)模糊規(guī)則。根據(jù)τ和電壓幅值的輸出波形，確定模糊規(guī)則使τ收斂，即當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入周期區(qū)域吋，τ值在ー個很小的區(qū)域內(nèi)保持不變。模糊規(guī)則更改后，可能仍要更改各個變量的量化因子，以保證從混沌狀態(tài)到固定點的過渡時間較最短，電壓幅值的振蕩幅值最小。此時就要重復(fù)步驟2)、3)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種超聲波電機(jī)混沌控制系統(tǒng)及控制方法，其延遲時間通過模糊邏輯推理來在線自適應(yīng)調(diào)節(jié)，使延遲時間的取值不僅僅局限于周期值或周期值的鄰域范圍內(nèi)，從而得到了更有效的超聲波電機(jī)混沌控制系統(tǒng)。延遲時間通過模糊邏輯推理來在線自適應(yīng)調(diào)節(jié)，使延遲時間的取值不僅僅局限于周期值或周期值的鄰域范圍內(nèi)，從而得到了更有效的超聲波電機(jī)混沌控制系統(tǒng)。
文檔編號H02N2/14GK102694484SQ20121001137
公開日2012年9月26日 申請日期2012年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月14日
發(fā)明者劉博 , 史敬灼, 宋瀟, 李文娟, 趙福潔 申請人:河南科技大學(xué)