[发明专利]基于遗传算法的压电陶驱动器前馈与闭环复合控制方法、系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于遗传算法的压电陶驱动器前馈与闭环复合控制方法及系统。

背景技术

压电陶瓷的迟滞模型前馈补偿存在误差，开环控制的抗干扰性差，闭环控制具有反馈环节能有效的抗干扰。PID控制器根据给定值r(t)与实际输出值f(t)求得控制偏差e(t)，即e(t)＝r(t)-f(t)，再将偏差值的比例、积分以及微分通过线性组合构成控制变量，对被控制对象进行控制，PID控制器是一种线性控制器，其控制规律为：

式中，k_p—比例系数；T_I—积分时间常数；T_D—微分时间常数；e(t)

—偏差信号。

简单来说，PID控制器各校正环节的作用如下。

比例环节P：成比例地反映控制器系统的偏差信号e(t)，一旦产生偏差，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。

积分环节I：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数T_I，T_I越大，积分作用越弱，反之则越强。

微分环节D：反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。

PID控制器的控制效果主要取决于k_p，k_i，k_d三个参数的调节，因此如何获取最有效对应参数是PID控制器设计的关键之处。PID控制器参数的优化成为人们关注的问题，它直接影响控制效果的好坏，并和系统的安全、经济运行有着密不可分的关系。目前PID参数的优化方法有很多，如间接寻优法，梯度法，爬山法等，而在热工系统中单纯形法、专家整定法则应用较广。虽然这些方法都具有良好的寻优特性，但存在着一些弊端，单纯形法对初值比较敏感，容易陷入局部最优解，造成寻优失败。专家整定法则需要太多的经验，不同的目标函数对应不同的经验，而整理知识库则是一项长时间的工程。

另外，压电陶驱动器所固有的迟滞非线性是限制精密定位系统控制精度的主要因素。压电陶瓷的迟滞非线性特性宏观上表现为：对于输入电压，正行程(电压上升过程)的位移输出与反行程(电压下降过程)的位移输出不重合，存在位移差，表现为一种多值的映射关系，其输入电压输出位移的迟滞静态曲线表现为以下几个显著特点：(1)多值性，即同一输入条件下其输出不唯一；(2)记忆性，执行器下一时刻的输出不仅取决于当前时刻的输入和输出，还与之前的输入状态有关；(3)率相关，即随着输入频率的增加，其输出的迟滞行为也随之加强，且相同幅值不同频率的输入电压所产生的位移输出也不同，一般表现为频率越高输出的位移量越小。迟滞特性使得驱动器的输出变得不可预测，降低了驱动器的性能，严重影响了高精度运动定位系统的稳定性。

为了限制压电陶瓷的迟滞非线性导致的定位误差，对压电陶瓷的迟滞进行建模。目前主要的迟滞模型有Preisach模型，PI模型，多项式模型，Maxwell模型等。Preisach模型存在双重积分且参数较多辨识困难，多项式模型能较准确地描述大环非线性，但对于描述小环迟滞非线性精度较低，Maxwell模型具有物理意义，但仅能描述对称的迟滞过程。PI模型作为比较经典的描述迟滞特性的模型，它是由很多权值不同的迟滞算子叠加得到。经典的PI模型能够以较少的参数描述迟滞非线性过程，且不会有误差累积，但也只能描述对称的迟滞过程，但是压电陶瓷的迟滞曲线是非对称的。

鉴于上述的缺陷，本设计人积极加以研究创新，以期创设一种基于遗传算法的压电陶驱动器前馈与闭环复合控制方法，使其更具有产业上的利用价值。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种控制效果好的基于遗传算法的压电陶驱动器前馈与闭环复合控制方法及系统。

为达到上述发明目的，本发明基于遗传算法的压电陶驱动器前馈与闭环复合控制方法，将压电陶瓷驱动器的期望位移r(t)输入至前馈模型，前馈模型根据所述期望位移值r(t)运算得到压电陶瓷驱动器的初始驱动电压u_ε(t)；以压电陶瓷位移或压电陶驱动器位移为PID控制器的反馈信号，通过PID控制器对所述的初始驱动电压u_ε(t)进行误差消除，得到压电陶瓷驱动器的驱动电压，并利用遗传算法对PID控制器的比例调节参数k_p，积分调节参数k_i，微分调节参数k_d进行优化。