一種伺服系統(tǒng)滑模控制器參數(shù)整定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明為一種伺服系統(tǒng)滑?？刂破鲄?shù)整定方法，屬于運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 滑?？刂疲⊿lidingModeControl)，由前蘇聯(lián)學(xué)者于上世紀(jì)50年代提出。其本質(zhì) 上是一種不連續(xù)的非線性控制方法，最大的特點(diǎn)便是使控制器結(jié)構(gòu)隨時(shí)間變化，在系統(tǒng)的 動(dòng)態(tài)過(guò)程中，根據(jù)設(shè)定好的當(dāng)前狀態(tài)（例如偏差，輸出及不同階次的導(dǎo)數(shù)），按照預(yù)設(shè)的算 法改變控制器的結(jié)構(gòu)和輸出，保證系統(tǒng)待控制量在預(yù)設(shè)條件下在期望的狀態(tài)軌跡上做小幅 度往復(fù)運(yùn)動(dòng)，可以保證系統(tǒng)在參數(shù)變化以及外加擾動(dòng)時(shí)具有優(yōu)良的魯棒性。
[0003] 在復(fù)雜伺服系統(tǒng)中，存在諸如驅(qū)動(dòng)飽和，外力干擾，電機(jī)推力波動(dòng)等非線性因素， 對(duì)于負(fù)載及溫度變化敏感，會(huì)有參數(shù)的變化，機(jī)械諧振以及測(cè)量噪聲，這些因素?zé)o法精確的 建模?；？刂破鹘鉀Q了這個(gè)問(wèn)題，滑?？刂破骺箶_動(dòng)抗參數(shù)變化的特性優(yōu)良，適合用于復(fù) 雜伺服系統(tǒng)中。但是由于系統(tǒng)中存在著時(shí)間、空間滯后，測(cè)量不精確，慣性環(huán)節(jié)，使得采用滑 模控制的系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)抖振現(xiàn)象，合理選擇參數(shù)抑制抖振和優(yōu)化系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)對(duì)于滑模控制 器在工程中的應(yīng)用具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種伺服系統(tǒng)滑模控制器參數(shù)整定方法，是為了解決滑?？?制器的抖振問(wèn)題和優(yōu)化滑?？刂破鞯膭?dòng)態(tài)性能的問(wèn)題。
[0005] 所述的目的是通過(guò)以下方案實(shí)現(xiàn)的：所述的一種伺服系統(tǒng)滑模控制器參數(shù)整定方 法，它的方法步驟為：
[0006] 步驟一：根據(jù)伺服系統(tǒng)的機(jī)械和電氣結(jié)構(gòu)建立伺服系統(tǒng)傳遞函數(shù)模型，獲取模型 中所需的參數(shù)，所述參數(shù)包括：電機(jī)所受阻力，電機(jī)負(fù)載大小，電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩 常數(shù)，電樞回路電阻，電樞電感，根據(jù)實(shí)際被控制電機(jī)的結(jié)構(gòu)選擇上述相對(duì)應(yīng)的參數(shù)；
[0007] 步驟二：根據(jù)伺服系統(tǒng)模型和采用的滑?？刂破鞔罱ㄏ鄳?yīng)的系統(tǒng)simulink仿真 模型，留出粒子群優(yōu)化算法所需的輸入和輸出接口；
[0008] 步驟三：根據(jù)位置跟蹤誤差和速度跟蹤誤差需求，選用合適的適應(yīng)度函數(shù)，設(shè)為 i-JXd+.W，，其中參數(shù)1和k3為不小于0的數(shù)，表示速度誤差和位置誤差的權(quán)重，ev 表示速度誤差，6；3表示位置誤差，t。為適應(yīng)度函數(shù)評(píng)估的起始時(shí)刻，ti為適應(yīng)度函數(shù)評(píng)估的 終止時(shí)刻；
[0009] 步驟四：結(jié)合simulink模型的接口和適應(yīng)度函數(shù)，在matlab中編程對(duì)粒子群進(jìn) 行優(yōu)化，初始化粒子群的粒子數(shù)m，最大迭代次數(shù)N，搜索空間的維數(shù)D設(shè)為3,對(duì)應(yīng)3個(gè)待 優(yōu)化參數(shù)c,k和e,空間搜索范圍對(duì)應(yīng)到3個(gè)參數(shù)分別為[cmin,cmax]、[kmin,kmax]和[emin, e_]，學(xué)習(xí)因子Cl、c2的值都設(shè)為2,習(xí)慣性權(quán)重w取0. 6,粒子位置矢量和速度矢量初始值 由隨機(jī)過(guò)程得到，粒子位置矢量的三個(gè)維度分別對(duì)應(yīng)三個(gè)待優(yōu)化參數(shù)c，k和e，局部及全 局最優(yōu)位置矢量初始值P,由粒子初始位置代入適應(yīng)度函數(shù)計(jì)算得到；
[0010] 步驟五：將位置矢量對(duì)應(yīng)的c，k和e傳入simulink仿真模型得到系統(tǒng)的位置誤 差和速度誤差響應(yīng)，根據(jù)適應(yīng)度函數(shù)計(jì)算粒子的適應(yīng)度值，如果該粒子的適應(yīng)度值小于粒 子之前的適應(yīng)度值，則用該粒子的當(dāng)前位置替換p1;如果該粒子適應(yīng)度值小于粒子群全局 最優(yōu)的適應(yīng)度值，則用該粒子的位置替換pg;
[0011]步驟六：對(duì)每個(gè)粒子的速度和位置進(jìn)行更新，第k次循環(huán)時(shí)，此時(shí)的第i個(gè)粒子位 置矢量為彳，飛行速度為v; ，當(dāng)前粒子個(gè)體最優(yōu)位置為Pl= (PuPu，. . .，piD)，當(dāng)前全局最優(yōu)位置為pg=(pgl，pgl，. . .，pgD)，則第k+l次循環(huán)時(shí)，第i個(gè) 粒子速度各維可由以下方程確定：4+1 = + -xf,)，位置矢量迭代 各維為：1 =x,X+1，其中巧和r2為0到1之間的隨機(jī)數(shù)，d為維數(shù)，取值從0到D;
[0012] 步驟七：當(dāng)k達(dá)到設(shè)定的最大迭代次數(shù)后，結(jié)束迭代過(guò)程，輸出優(yōu)化結(jié)果，否則返 回步驟五；
[0013] 步驟八：將優(yōu)化得到的最佳參數(shù)即迭代結(jié)束后的全局最優(yōu)位置矢量代入伺服系統(tǒng) 滑?？刂破?，將伺服系統(tǒng)滑?？刂破鲬?yīng)用到伺服系統(tǒng)，檢查系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)是否滿足 要求，如果性能指標(biāo)滿足則整定過(guò)程結(jié)束，否則，進(jìn)入下一輪優(yōu)化直到滿足為止。
[0014] 本發(fā)明能實(shí)現(xiàn)抖振的幅值最小或者抖振完全消除，跟蹤誤差達(dá)到最小。經(jīng)過(guò)充分 優(yōu)化過(guò)后的參數(shù)為給定模型在給定適應(yīng)度函數(shù)下的最優(yōu)參數(shù)。
【附圖說(shuō)明】
[0015] 圖1是本發(fā)明方法涉及的采用滑?？刂破鞯乃欧到y(tǒng)框圖。
【具體實(shí)施方式】
【具體實(shí)施方式】 [0016] 一：結(jié)合圖1所示，說(shuō)明本的技術(shù)方案，它的方法步驟 為：
[0017] 步驟一：根據(jù)伺服系統(tǒng)的機(jī)械和電氣結(jié)構(gòu)建立伺服系統(tǒng)傳遞函數(shù)模型，獲取模型 中所需的參數(shù)，所述參數(shù)包括：電機(jī)所受阻力，電機(jī)負(fù)載大小，電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩 常數(shù)，電樞回路電阻，電樞電感，根據(jù)實(shí)際被控制電機(jī)的結(jié)構(gòu)選擇上述相對(duì)應(yīng)的參數(shù)；
[0018] 步驟二：根據(jù)伺服系統(tǒng)模型和采用的滑模控制器搭建相應(yīng)的系統(tǒng)simulink仿真 模型，留出粒子群優(yōu)化算法所需的輸入和輸出接口；
[0019] 步驟三：根據(jù)位置跟蹤誤差和速度跟蹤誤差需求，選用合適的適應(yīng)度函數(shù)，設(shè)為 __/ = ，其中參數(shù)1和k3為不小于0的數(shù)，表示速度誤差和位置誤差的權(quán)重，ev l0. 表示速度誤差，6；3表示位置誤差，t。為適應(yīng)度函數(shù)評(píng)估的起始時(shí)刻，ti為適應(yīng)度函數(shù)評(píng)估的 終止時(shí)刻；
[0020] 步驟四：結(jié)合simulink模型的接口和適應(yīng)度函數(shù)，在matlab中編程對(duì)粒子群進(jìn) 行優(yōu)化，初始化粒子群的粒子數(shù)m，最大迭代次數(shù)N，搜索空間的維數(shù)D設(shè)為3,對(duì)應(yīng)3個(gè)待 優(yōu)化參數(shù)c,k和e,空間搜索范圍對(duì)應(yīng)到3個(gè)參數(shù)分別為[cmin,cmax]、[kmin,kmax]和[emin, e_]，學(xué)習(xí)因子Cl、c2的值都設(shè)為2,習(xí)慣性權(quán)重w取0. 6,粒子位置矢量和速度矢量初始值 由隨機(jī)過(guò)程得到，粒子位置矢量的三個(gè)維度分別對(duì)應(yīng)三個(gè)待優(yōu)化參數(shù)c，k和e，局部及全 局最優(yōu)位置矢量初始值？,及P,由粒子初始位置代入適應(yīng)度函數(shù)計(jì)算得到；
[0021] 步驟五：將位置矢量對(duì)應(yīng)的c，k和e傳入simulink仿真模型得到系統(tǒng)的位置誤 差和速度誤差響應(yīng)，根據(jù)適應(yīng)度函數(shù)計(jì)算粒子的適應(yīng)度值，如果該粒子的適應(yīng)度值小于粒 子之前的適應(yīng)度值，則用該粒子的當(dāng)前位置替換p1;如果該粒子適應(yīng)度值小于粒子群全局 最優(yōu)的適應(yīng)度值，則用該粒子的位置替換pg;
[0022] 步驟六：對(duì)每個(gè)粒子的速度和位置進(jìn)行更新，第k次循環(huán)時(shí)，此時(shí)的第i個(gè)粒子位 置矢量為彳=(4名，…4)，飛行速度為< …<)，當(dāng)前粒子個(gè)體最優(yōu)位置為Pi = (PuPu，. . .，piD)，當(dāng)前全局最優(yōu)位置為pg=(pgl，pgl，. . .，pgD)，則第k+1次循環(huán)時(shí)，第i個(gè) 粒子速度各維