一种基于摩擦补偿的连续回转马达系统简化动态柔性变结构PD复合控制方法

一种基于摩擦补偿的连续回转马达系统简化动态柔性变结构pd复合控制方法
技术领域
1.本技术涉及智能控制领域，具体设计了一种针对连续回转马达系统简化动态柔性变结构pd复合控制方法。


背景技术：

2.连续回转电液伺服马达作为飞行模拟半实物仿真转台的重要驱动设备，具备高频响、高精度、超低速等良好的性能。由于马达系统在运行过程中存在摩擦力矩干扰等不确定非线性因素，影响连续回转电液伺服马达系统的控制性能。因此，本文针对摩擦力矩对系统性能的影响，结合变结构控制策略，进一步改善马达系统的性能。
3.目前摩擦力矩的补偿方式有三种：一是采用机械结构设计方法，改进执行机构的密封形式；二是基于新材料技术减小摩擦力的产生，改善密封件的摩擦特性；三是从控制策略角度对摩擦力矩进行补偿，抑制其对系统动态特性的影响，然而发展精确的摩擦模型一直是一个难题，一般的摩擦模型并不能够被普遍接受，尤其应用在低速设备中，摩擦效应放大，造成系统失稳。
4.柔性变结构控制(soft variable structure control,svsc)为变结构控制理论的另一分支，控制器参数由连续选择的控制策略确定，由此来代替滑模面，消除了滑模控制系统抖振问题以及自适应律设计的局限性，控制信号平滑，实现时间最优控制的性能。但受限于其参数整定的复杂性，不适合工程应用。


技术实现要素：

5.本发明提出一种基于摩擦补偿的连续回转马达系统简化动态柔性变结构pd复合控制方法，该控制方法设计的基于连续摩擦力矩模型的摩擦前馈补偿器，由输入速度信号和输出力矩tf组成，一个简化动态柔性变结构pd控制器，由输入信号ef和输出信号u组成，借鉴pd控制结构；所述的改进遗传算法，由迭代次数来确定交叉和变异概率；通过该控制方法对连续回转马达五阶伺服系统进行控制，在跟踪控制上具有较高的鲁棒性和抗干扰能力，有效地提高了连续回转马达电液伺服系统的低速性和稳定性，并提高了跟踪精度，实现了伺服系统的精确控制。
6.1、一种基于摩擦补偿的连续回转马达系统简化动态柔性变结构pd复合控制方法，包括一个简化动态柔性变结构pd复合控制器和一种用于参数整定的改进遗传算法：所述的简化动态柔性变结构pd复合控制器包括一个摩擦前馈补偿器，由输入速度信号和输出力矩tf组成，采用连续摩擦力矩模型，以及一个简化动态柔性变结构pd控制器，由输入信号ef和输出信号u组成，借鉴pd控制结构；所述的改进遗传算法，包括目标函数、选择操作、交叉操作和变异操作等构成，并由迭代次数来确定交叉和变异概率。
7.2、所述的简化动态柔性变结构pd复合控制器如下：
8.基于连续摩擦模型的摩擦前馈补偿器表达式为：
[0009][0010]
式中：tf为摩擦力矩值；ki∈ri＝1,2,
…
,6；tanh为双曲正切函数；为角速度；
[0011]
简化动态柔性变结构pd控制器表达式为：
[0012]
u＝u
p
+udꢀꢀꢀ
(2)
[0013]up
＝p1·
e1ꢀꢀꢀ
(3)
[0014]
e1＝q1·ef
ꢀꢀꢀ
(4)
[0015][0016][0017][0018]
式中：u
p
为p部分控制信号；ud为d部分控制信号；q1、ε、k为增益参数；ef为系统反馈误差；p1为选择变量；g
p
、u0为常值，us为限幅器；kd为微分增益。
[0019]
3、所述的改进遗传算法基本流程为：
[0020]
目标函数表达式为：
[0021][0022]
式中tf为模型辨识摩擦力矩值；
[0023]
选择操作表达式为：
[0024][0025]
式中：m为个体的统计数；fi为个体适应度值；
[0026]
交叉操作表达式为：
[0027][0028]
pc＝p
cmin pc≤p
cmin
[0029]
式中：p
c0
为初始交叉概率；为过程交叉概率步长；t为当前迭代次数；p
cmin
为交叉概率最小值；
[0030]
变异操作表达式为：
[0031][0032]
pm＝p
mmax pm≥p
mmax
[0033]
式中：p
m0
为初始变异概率；p
m0
为变异率增加步长；t为当前迭代次数；p
mmax
为变异概率最大值。
[0034]
本发明的创造性主要体现在：
[0035]
(1)本发明针对连续回转马达存在摩擦干扰等不确定非线性因素的影响，设计了一种基于摩擦补偿的连续回转马达系统简化动态柔性变结构pd复合控制方法，对高阶非线性系统具有良好的控制性能，对不确定扰动因素也具有较好的适应性和鲁棒性，同时提高
系统的跟踪精度和响应频率；
[0036]
(2)本发明设计的一种基于摩擦补偿的连续回转马达系统简化动态柔性变结构pd复合控制方法，相较于动态柔性变结构控制，减少了控制器的复杂程度和需要整定的参数个数，并采用改进遗传算法进行参数整定，降低了整定的难度，节省运算时间。
附图说明
[0037]
为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0038]
图1是基于摩擦前馈补偿的简化动态柔性变结构pd复合控制器示意图；
[0039]
图2是简化动态柔性变结构pd控制器结构图；
[0040]
图3是itae优化模型；
[0041]
图4是种群迭代次数与个体适应度值曲线图；
[0042]
图5是0.001
°
/s斜坡输入信号的相应特性曲线图；
[0043]
图6是频率8hz，幅值1
°
的正弦输入信号的响应特性曲线图。
具体实施方式
[0044]
为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的每个其他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0045]
结合附图，对本发明的控制方法进行详细描述：
[0046]
如图1所示，为基于摩擦前馈补偿的简化动态柔性变结构pd复合控制器示意图，具体控制过程为：采取基于连续摩擦模型的摩擦补偿策略，对指令位置信号r求导得到速度信号经过连续摩擦模型得到摩擦力矩值，在信号输入处抵消摩擦干扰的影响，指令信号与反馈信号作差得到误差信号ef，作为简化动态柔性变结构pd控制器的输入，得到输出u，与摩擦补偿信号共同作用，经功率放大后对被控对象进行复合控制，得到位置θ；
[0047]
如图2所示，简化后的动态柔性变结构控制器与pd控制器相结合，简化的动态柔性变结构控制应用到p部分，p部分和d部分平行放置；
[0048]
如图3所示，采用改进遗传算法进行参数优化，目标函数采用常用的动态误差信号的积分指标，采用正弦信号作为测试信号，采用误差绝对值的积分型(itae)作为适应度函数，由绝对误差与时间乘积的积分得到，利用遗传算法优化kd、k、q1、ε和g
p
这五个参数，找到目标函数的最优解；
[0049]
如图4所示，初始化遗传算法，不限制各个参数变量的作用范围，因此采用随机生成，由算法本身进行筛选，得到个体最优适应度值，改进遗传算法参数设置如下：染色体个
数为5，种群数量为50，交叉概率为0.85，变异概率为0.05，目标函数为j
itae
，同时仿真求解器采取可变步长求解；
[0050]
如图5所示，实线为斜度0.001
°
/s的斜坡输入信号，虚线为简化动态柔性变结构pd复合控制器的输出相应曲线；
[0051]
如图6所示，实线为频率8hz、幅值1
°
的正弦输入信号，虚线为简化动态柔性变结构pd复合控制器的输出相应曲线。
[0052]
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个处理器可执行的非易失的计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本技术的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本技术各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(read-only memory，rom)、随机存取存储器(random access memory，ram)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0053]
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本技术的具体实施方式，用以说明本技术的技术方案，而非对其限制，本技术的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以权利要求的保护范围为准。