一種基于粒子群優(yōu)化算法的五階段s曲線加減速控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于粒子群優(yōu)化算法的五階段S曲線加減速控制方法，屬于同步帶傳動(dòng)機(jī)械啟動(dòng)過程的驅(qū)動(dòng)控制方法【技術(shù)領(lǐng)域】；針對(duì)同步帶傳動(dòng)機(jī)械啟動(dòng)過程存在的扭振問題，提出了采用五階段S曲線加減速方法對(duì)電機(jī)啟動(dòng)輸入信號(hào)進(jìn)行規(guī)劃來抑制系統(tǒng)扭振，同時(shí)提出了在離線的狀態(tài)下，運(yùn)用粒子群優(yōu)化算法對(duì)五階段S曲線進(jìn)行優(yōu)化，得到其最優(yōu)參數(shù)，然后運(yùn)用得到的最優(yōu)S曲線對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行半閉環(huán)進(jìn)行控制，并通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了這種控制方法的有效性和可行性，此控制在大幅抑制了系統(tǒng)扭振的同時(shí)，較小的犧牲了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，能夠?qū)崿F(xiàn)了系統(tǒng)無振響應(yīng)。
【專利說明】一種基于粒子群優(yōu)化算法的五階段S曲線加減速控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于粒子群優(yōu)化算法的五階段S曲線加減速控制方法，屬于同步 帶傳動(dòng)機(jī)械啟動(dòng)過程的驅(qū)動(dòng)控制方法【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 由于印刷機(jī)在傳動(dòng)時(shí)采用了同步帶傳動(dòng)，同步帶剛度較小，造成了印刷機(jī)系統(tǒng)在 啟動(dòng)、變速和受到外界機(jī)械擾動(dòng)時(shí)發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。扭振對(duì)機(jī)械系統(tǒng)具有很大的破壞性，提高 軸的疲勞損傷，降低使用壽命，影響系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。
[0003] 針對(duì)以上原因采用了五階段S曲線加減速控制方法規(guī)劃電機(jī)輸入信號(hào)抑振，然而 選取準(zhǔn)確的曲線參數(shù)可以大幅度的減小機(jī)械系統(tǒng)振動(dòng)，否則抑振效果不好；本發(fā)明引入粒 子群優(yōu)化算法對(duì)曲線參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，通過在Simulink模塊中對(duì)辨識(shí)的機(jī)械系統(tǒng)傳遞函數(shù) 進(jìn)行仿真，可以準(zhǔn)確找到最優(yōu)曲線參數(shù)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供了一種基于粒子群優(yōu)化算法的五階段S曲線加減速控制 方法，針對(duì)同步帶傳動(dòng)機(jī)械啟動(dòng)過程存在扭振問題，本發(fā)明提出的控制方法對(duì)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn) 行半閉環(huán)控制，并且經(jīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了這種控制方法的有效性和可行性。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為一種基于粒子群優(yōu)化算法的五階段 S曲線加減速控制方法，在同步帶傳動(dòng)機(jī)械離線的狀態(tài)下，運(yùn)用粒子群優(yōu)化算法對(duì)五階段S 曲線進(jìn)行優(yōu)化，得到其最優(yōu)參數(shù)，然后運(yùn)用得到的五階段S曲線對(duì)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行半閉環(huán)控 制，該方法包括如下具體步驟，
[0006] S1對(duì)機(jī)械系統(tǒng)輸入T形速度曲線x(t)，驅(qū)動(dòng)其運(yùn)動(dòng)，運(yùn)用編碼器從系統(tǒng)輸出軸采 集到其速度曲線v(t);
[0007] S2根據(jù)輸入速度曲線X (t)和輸出速度曲線v (t)，運(yùn)用MATLAB系統(tǒng)辨識(shí)工具箱辨 識(shí)出機(jī)械系統(tǒng)的傳遞函數(shù)G(s);
[0008] S3根據(jù)傳遞函數(shù)G(s)，采用粒子群優(yōu)化算法優(yōu)化得到五階段S曲線的參數(shù)。
[0009] 五階段S曲線的加速度a和速度v的公式如下：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于粒子群優(yōu)化算法的五階段S曲線加減速控制方法，其特征在于：在同步帶 傳動(dòng)機(jī)械離線的狀態(tài)下，運(yùn)用粒子群優(yōu)化算法對(duì)五階段S曲線進(jìn)行優(yōu)化，得到其最優(yōu)參數(shù)， 然后運(yùn)用得到的五階段S曲線對(duì)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行半閉環(huán)控制，該方法包括如下具體步驟， S1對(duì)機(jī)械系統(tǒng)輸入T形速度曲線X (t)，驅(qū)動(dòng)其運(yùn)動(dòng)，運(yùn)用編碼器從系統(tǒng)輸出軸采集到 其速度曲線V(t); S2根據(jù)輸入速度曲線X (t)和輸出速度曲線V (t)，運(yùn)用MATLAB系統(tǒng)辨識(shí)工具箱辨識(shí)出 機(jī)械系統(tǒng)的傳遞函數(shù)G(s); S3根據(jù)傳遞函數(shù)G (s)，采用粒子群優(yōu)化算法優(yōu)化得到五階段S曲線的參數(shù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于粒子群優(yōu)化算法的五階段S曲線加減速控制方法， 其特征在于：五階段S曲線的加速度a和速度v的公式如下：
(1) (2) 此公式是在保證曲線起始、終止速度相同和且加速度在起始點(diǎn)、減加速末尾、加減速開 始和減減速末尾為零的條件下建立的，則必須滿足加加速、減加速、加減速、減減速這四個(gè) 時(shí)間段相等，即?\ = T2 = T4 = T5 = T ; 其中，t為曲線運(yùn)行的瞬時(shí)時(shí)間，J為加加速度幅值，Vs分別為起始速度，?\ (i = 1，2…… 5)為各階段運(yùn)行的時(shí)間，T是加加速、減加速、加減速、減減速這四個(gè)相同時(shí)間段的時(shí)間，T 是由曲線的最大速度與起始速度之差，以及加加速度確定的；跟據(jù)公式可以看出，已知起始 速度，如需得到勻速時(shí)速度，即曲線運(yùn)行的最大速度，只要優(yōu)化得到加速度幅值J和時(shí)間T 即可。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于粒子群優(yōu)化算法的五階段S曲線加減速控制方法， 其特征在于：所述粒子群優(yōu)化算法的過程如下， S2. 1初始化并設(shè)置五階段S曲線的相關(guān)參數(shù)；包括J和T的取值范圍，根據(jù)輸出軸的 編碼器采集的規(guī)劃前曲線信號(hào)可知，系統(tǒng)在啟動(dòng)4s后已趨于穩(wěn)定，又因?yàn)闀r(shí)間T不能為0， 故給定T的取值范圍為（0, 2];加速度J的選取比較重要，因?yàn)镴的取值范圍過大會(huì)使粒子 群早熟收斂，陷入局部極小值，然而過小的取值范圍會(huì)人為的漏掉最優(yōu)解，根據(jù)系統(tǒng)的模型 來估算信號(hào)的延時(shí)時(shí)間，故給定J的取值范圍為[〇, 10000]; 設(shè)置粒子群相關(guān)參數(shù)；包括確定粒子群的規(guī)模數(shù)m = 50,粒子搜索空間維數(shù)D = 2 (即 J、T兩個(gè)粒子），迭代次數(shù)k最大為30,搜索空間范圍彳(Ld = [0. 005 0]、Ud = [2 10000]，即根據(jù)J、T范圍確定），學(xué)習(xí)因子(^ = c2 = 2,慣性權(quán)重范圍c〇min = 0.4,第i 個(gè)粒子個(gè)體最優(yōu)位置為其中為所有#中的最優(yōu)，隨機(jī)初始化 每個(gè)粒子的位置和速度； S2. 2將每個(gè)粒子的位置向量依次作為五階段S曲線的參數(shù)，依次對(duì)辨識(shí)的系統(tǒng)模型仿 真，得到仿真曲線；根據(jù)仿真曲線計(jì)算每個(gè)粒子的適應(yīng)度值，并將其作為衡量粒子位置優(yōu)劣 的依據(jù)；設(shè)置適應(yīng)度函數(shù)為
式中，v(t)為仿真曲線的瞬時(shí)速度，u為設(shè)置的系統(tǒng)輸出軸目標(biāo)速度，ftr為一較大的 懲罰函數(shù)值，具體定義為
其中，仁為仿真曲線上升時(shí)間，當(dāng)在指定仿真周期內(nèi)沒有達(dá)到上升時(shí)間時(shí)，ftr為一較 大的懲罰函數(shù)值；當(dāng)時(shí)間達(dá)到上升時(shí)間時(shí)，ftr取值為仁； S2. 3根據(jù)適應(yīng)度函數(shù)計(jì)算每一個(gè)粒子的適應(yīng)度值，如果該粒子的適應(yīng)度值小于粒子自 身以前的適應(yīng)度值，則用該粒子的當(dāng)前位置替換^ ;如果該粒子適應(yīng)度值小于粒子群以前 的適應(yīng)度值，則用該粒子的位置替換 S2. 4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)第i個(gè)粒子位置 矢量為;cf ，飛行速度為vf = (4也..λ4)，當(dāng)前粒子個(gè)體最優(yōu)位置為 =(^，/4·..'.·./4)，當(dāng)前全局最優(yōu)位置為4=(ρ--,···4··：/4)) (d = 12···，D)， 則第k+l次循環(huán)時(shí)，第i個(gè)粒子速度迭代方程為-x$)，位 置矢量迭代方程xf ; S2. 5當(dāng)k達(dá)到設(shè)定的迭代次數(shù)后，結(jié)束滾動(dòng)優(yōu)化過程，輸出參數(shù)優(yōu)化值；否則，轉(zhuǎn)到步 驟 S2. 2 ; S3運(yùn)用得到的五階段S曲線對(duì)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行半閉環(huán)控制。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于粒子群優(yōu)化算法的五階段S曲線加減速控制方法， 其特征在于：所述為所有中的最優(yōu)為全局最優(yōu)。
【文檔編號(hào)】G05D13/62GK104090596SQ201410299295
【公開日】2014年10月8日 申請(qǐng)日期:2014年6月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月27日
【發(fā)明者】蔡力鋼, 張森, 劉志峰, 許博 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)