[發明專利]基于遺傳算法的壓電陶驅動器前饋與閉環復合控制方法、系統

在審

• 申請號: 201710728437.0
• 申請日: 2017-08-23
• 公開（公告）號: CN107479379A
• 公開（公告）日: 2017-12-15
• 發明（設計）人: 鐘博文
• 申請（專利權）人: 蘇州大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 蘇州市中南偉業知識產權代理事務所(普通合伙)32257
• 代理人: 楊慧林

技術領域

本發明涉及一種基于遺傳算法的壓電陶驅動器前饋與閉環復合控制方法及系統。

背景技術

壓電陶瓷的遲滯模型前饋補償存在誤差，開環控制的抗干擾性差，閉環控制具有反饋環節能有效的抗干擾。PID控制器根據給定值r(t)與實際輸出值f(t)求得控制偏差e(t)，即e(t)＝r(t)-f(t)，再將偏差值的比例、積分以及微分通過線性組合構成控制變量，對被控制對象進行控制，PID控制器是一種線性控制器，其控制規律為：

式中，k_p—比例系數；T_I—積分時間常數；T_D—微分時間常數；e(t)

—偏差信號。

簡單來說，PID控制器各校正環節的作用如下。

比例環節P：成比例地反映控制器系統的偏差信號e(t)，一旦產生偏差，控制器立即產生控制作用，以減少偏差。

積分環節I：主要用于消除靜差，提高系統的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數T_I，T_I越大，積分作用越弱，反之則越強。

微分環節D：反映偏差信號的變化趨勢(變化速率)，并能在偏差信號變得太大之前，在系統中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統的動作速度，減少調節時間。

PID控制器的控制效果主要取決于k_p，k_i，k_d三個參數的調節，因此如何獲取最有效對應參數是PID控制器設計的關鍵之處。PID控制器參數的優化成為人們關注的問題，它直接影響控制效果的好壞，并和系統的安全、經濟運行有著密不可分的關系。目前PID參數的優化方法有很多，如間接尋優法，梯度法，爬山法等，而在熱工系統中單純形法、專家整定法則應用較廣。雖然這些方法都具有良好的尋優特性，但存在著一些弊端，單純形法對初值比較敏感，容易陷入局部最優解，造成尋優失敗。專家整定法則需要太多的經驗，不同的目標函數對應不同的經驗，而整理知識庫則是一項長時間的工程。

另外，壓電陶驅動器所固有的遲滯非線性是限制精密定位系統控制精度的主要因素。壓電陶瓷的遲滯非線性特性宏觀上表現為：對于輸入電壓，正行程(電壓上升過程)的位移輸出與反行程(電壓下降過程)的位移輸出不重合，存在位移差，表現為一種多值的映射關系，其輸入電壓輸出位移的遲滯靜態曲線表現為以下幾個顯著特點：(1)多值性，即同一輸入條件下其輸出不唯一；(2)記憶性，執行器下一時刻的輸出不僅取決于當前時刻的輸入和輸出，還與之前的輸入狀態有關；(3)率相關，即隨著輸入頻率的增加，其輸出的遲滯行為也隨之加強，且相同幅值不同頻率的輸入電壓所產生的位移輸出也不同，一般表現為頻率越高輸出的位移量越小。遲滯特性使得驅動器的輸出變得不可預測，降低了驅動器的性能，嚴重影響了高精度運動定位系統的穩定性。

為了限制壓電陶瓷的遲滯非線性導致的定位誤差，對壓電陶瓷的遲滯進行建模。目前主要的遲滯模型有Preisach模型，PI模型，多項式模型，Maxwell模型等。Preisach模型存在雙重積分且參數較多辨識困難，多項式模型能較準確地描述大環非線性，但對于描述小環遲滯非線性精度較低，Maxwell模型具有物理意義，但僅能描述對稱的遲滯過程。PI模型作為比較經典的描述遲滯特性的模型，它是由很多權值不同的遲滯算子疊加得到。經典的PI模型能夠以較少的參數描述遲滯非線性過程，且不會有誤差累積，但也只能描述對稱的遲滯過程，但是壓電陶瓷的遲滯曲線是非對稱的。

鑒于上述的缺陷，本設計人積極加以研究創新，以期創設一種基于遺傳算法的壓電陶驅動器前饋與閉環復合控制方法，使其更具有產業上的利用價值。

發明內容

為解決上述技術問題，本發明的目的是提供一種控制效果好的基于遺傳算法的壓電陶驅動器前饋與閉環復合控制方法及系統。

為達到上述發明目的，本發明基于遺傳算法的壓電陶驅動器前饋與閉環復合控制方法，將壓電陶瓷驅動器的期望位移r(t)輸入至前饋模型，前饋模型根據所述期望位移值r(t)運算得到壓電陶瓷驅動器的初始驅動電壓u_ε(t)；以壓電陶瓷位移或壓電陶驅動器位移為PID控制器的反饋信號，通過PID控制器對所述的初始驅動電壓u_ε(t)進行誤差消除，得到壓電陶瓷驅動器的驅動電壓，并利用遺傳算法對PID控制器的比例調節參數k_p，積分調節參數k_i，微分調節參數k_d進行優化。