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，屬于同步帶傳動機械啟動過程的驅(qū)動控制方法【技術(shù)領(lǐng)域】；針對同步帶傳動機械啟動過程存在的扭振問題，提出了采用五階段S曲線加減速方法對電機啟動輸入信號進行規(guī)劃來抑制系統(tǒng)扭振，同時提出了在離線的狀態(tài)下，運用粒子群優(yōu)化算法對五階段S曲線進行優(yōu)化，得到其最優(yōu)參數(shù)，然后運用得到的最優(yōu)S曲線對系統(tǒng)進行半閉環(huán)進行控制，并通過實驗結(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，較小的犧牲了系統(tǒng)的動態(tài)性能，能夠?qū)崿F(xiàn)了系統(tǒng)無振響應。
【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 帶傳動機械啟動過程的驅(qū)動控制方法【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 由于印刷機在傳動時采用了同步帶傳動，同步帶剛度較小，造成了印刷機系統(tǒng)在 啟動、變速和受到外界機械擾動時發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動。扭振對機械系統(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)安全可靠運行。
[0003] 針對以上原因采用了五階段S曲線加減速控制方法規(guī)劃電機輸入信號抑振，然而 選取準確的曲線參數(shù)可以大幅度的減小機械系統(tǒng)振動，否則抑振效果不好；本發(fā)明引入粒 子群優(yōu)化算法對曲線參數(shù)進行優(yōu)化，通過在Simulink模塊中對辨識的機械系統(tǒng)傳遞函數(shù) 進行仿真，可以準確找到最優(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，針對同步帶傳動機械啟動過程存在扭振問題，本發(fā)明提出的控制方法對機械系統(tǒng)進 行半閉環(huán)控制，并且經(jīng)實驗結(jié)果證明了這種控制方法的有效性和可行性。
[0005] 為實現(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，在同步帶傳動機械離線的狀態(tài)下，運用粒子群優(yōu)化算法對五階段S 曲線進行優(yōu)化，得到其最優(yōu)參數(shù)，然后運用得到的五階段S曲線對機械系統(tǒng)進行半閉環(huán)控 制，該方法包括如下具體步驟，
[0006] S1對機械系統(tǒng)輸入T形速度曲線x(t)，驅(qū)動其運動，運用編碼器從系統(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)，運用MATLAB系統(tǒng)辨識工具箱辨 識出機械系統(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 傳動機械離線的狀態(tài)下，運用粒子群優(yōu)化算法對五階段S曲線進行優(yōu)化，得到其最優(yōu)參數(shù)， 然后運用得到的五階段S曲線對機械系統(tǒng)進行半閉環(huán)控制，該方法包括如下具體步驟， S1對機械系統(tǒng)輸入T形速度曲線X (t)，驅(qū)動其運動，運用編碼器從系統(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)，運用MATLAB系統(tǒng)辨識工具箱辨識出 機械系統(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、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 時間段相等，即?\ = T2 = T4 = T5 = T ; 其中，t為曲線運行的瞬時時間，J為加加速度幅值，Vs分別為起始速度，?\ (i = 1，2…… 5)為各階段運行的時間，T是加加速、減加速、加減速、減減速這四個相同時間段的時間，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，如需得到勻速時速度，即曲線運行的最大速度，只要優(yōu)化得到加速度幅值J和時間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)劃前曲線信號可知，系統(tǒng)在啟動4s后已趨于穩(wěn)定，又因為時間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，因為J的取值范圍過大會使粒子 群早熟收斂，陷入局部極小值，然而過小的取值范圍會人為的漏掉最優(yōu)解，根據(jù)系統(tǒng)的模型 來估算信號的延時時間，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），學習因子(^ = c2 = 2,慣性權(quán)重范圍c〇min = 0.4,第i 個粒子個體最優(yōu)位置為其中為所有#中的最優(yōu)，隨機初始化 每個粒子的位置和速度； S2. 2將每個粒子的位置向量依次作為五階段S曲線的參數(shù)，依次對辨識的系統(tǒng)模型仿 真，得到仿真曲線；根據(jù)仿真曲線計算每個粒子的適應度值，并將其作為衡量粒子位置優(yōu)劣 的依據(jù)；設(shè)置適應度函數(shù)為
式中，v(t)為仿真曲線的瞬時速度，u為設(shè)置的系統(tǒng)輸出軸目標速度，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間，當在指定仿真周期內(nèi)沒有達到上升時間時，ftr為一較 大的懲罰函數(shù)值；當時間達到上升時間時，ftr取值為仁； S2. 3根據(jù)適應度函數(shù)計算每一個粒子的適應度值，如果該粒子的適應度值小于粒子自 身以前的適應度值，則用該粒子的當前位置替換^ ;如果該粒子適應度值小于粒子群以前 的適應度值，則用該粒子的位置替換 S2. 4對每個粒子的速度和位置進行更新，第k次循環(huán)時，此時第i個粒子位置 矢量為;cf ，飛行速度為vf = (4也..λ4)，當前粒子個體最優(yōu)位置為 =(^，/4·..'.·./4)，當前全局最優(yōu)位置為4=(ρ--,···4··：/4)) (d = 12···，D)， 則第k+l次循環(huán)時，第i個粒子速度迭代方程為-x$)，位 置矢量迭代方程xf ; S2. 5當k達到設(shè)定的迭代次數(shù)后，結(jié)束滾動優(yōu)化過程，輸出參數(shù)優(yōu)化值；否則，轉(zhuǎn)到步 驟 S2. 2 ; S3運用得到的五階段S曲線對機械系統(tǒng)進行半閉環(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】G05D13/62GK104090596SQ201410299295
【公開日】2014年10月8日 申請日期: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 申請人:北京工業(yè)大學