一种基于改进CPSO的自抗扰位置伺服系统优化设计方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于CPSO的自抗扰位置伺服系统优化设计方法。针对永磁同步电机伺服系统要求位置控制精度高、响应快和稳定性能好等问题，采用双环控制结构，建立了PMSM自抗扰位置伺服控制系统，并针对自抗扰位置控制器参数整定困难的问题，提出一种改进的混沌粒子群算法(CPSO)，该算法根据混沌立方映射来初始化粒子位置，并采用参数可调的指数自适应方式非线性调整惯性权重，同时采用混沌与稳定之间交替运动的方式更新粒子位置，有效提高了算法的收敛速度和全局寻优能力，将其用于自抗扰位置控制器参数的寻优，结合包含位置控制要求的适应度函数，实现PMSM位置伺服控制系统的优化设计，提高了伺服系统的位置控制精度和响应速度，具有较强抗扰动能力。

An optimization design method of active disturbance rejection position servo system based on improved CPSO

The invention discloses an optimized design method of an active disturbance rejection position servo system based on CPSO. Aiming at the problem of permanent magnet synchronous motor servo system position control of high precision, fast response and stable performance, the double loop control structure, established PMSM ADRC position servo control system, and according to the position of ADRC controller parameter tuning problem, put forward a kind of improved particle swarm optimization algorithm based on Chaos (CPSO) according to this algorithm, chaos cubic mapping to initialize the position of the particle, the inertia weight index adaptive nonlinear adjustment with adjustable parameters, and the chaos and stable alternating motion way to update the position of particle, effectively improve the convergence speed and global searching ability, the ADRC position controller parameters optimization excellent combination contains position control requirements of the fitness function, optimal design of control system of PMSM position servo system, improve the position servo system The control accuracy and response speed are better than that of disturbance rejection.

【技术实现步骤摘要】
一种基于改进CPSO的自抗扰位置伺服系统优化设计方法
本专利技术属于高精度位置伺服控制系统的
，具体涉及一种基于CPSO的自抗扰位置伺服系统优化设计方法，适用于永磁同步电机的高精度位置控制。
技术介绍
在高精度位置伺服系统中，由于永磁同步电机(PMSM)性能优越，广泛应用于各种工业领域，逐渐成为高精度伺服系统执行电机的主流。目前在传统的PMSM位置伺服系统中，最常见的形式是三环线性结构，控制环中一般都采用PID控制器，实现较为简单，然而永磁同步电机作为一个多变量、非线性、强耦合的被控对象，在伺服系统实际运行过程中，存在着电机本体参数时变、负载对象具有不确定性以及应用环境存在干扰等诸多扰动因素，这种控制结构存在控制器较多，适用范围较小，系统抗扰能力较差等缺点，难以满足PMSM位置伺服系统追求的定位的快速性、准确性和无超调等性能指标。为了获得高性能的PMSM位置伺服系统，很多先进的非线性控制算法被应用于永磁同步电机的控制研究中，如自抗扰控制、内膜控制、模糊控制、神经网络控制、滑模变结构控制等。其中，由于自抗扰控制技术(ADRC)不依赖于被控对象的内部机理和外扰规律，通过对总扰动量的实时估计并给予及时主动补偿，具有抗扰动能力强、精度高、响应速度快等特点，同时算法简单易实现，成为了PMSM伺服控制系统控制策略的研究热点。然而ADRC参数较多，调节繁杂，参数整定过程和效果在很大程度上依赖于人们的经验，因此，参数整定问题成为ADRC实际应用所要解决的一个最基本问题。目前，对自抗扰控制器的参数优化的研究成果，主要是结合各种智能参数寻优算法对ADRC的参数进行寻优，如基于时间尺度ADRC整定方法、自适应遗传算法(AGA)、小生境粒子群优化算法等，取得了一定效果。针对自抗扰位置控制器，有研究者将模糊控制理论引入到位置自抗扰控制器的设计中，减少了可调参数，然而模糊控制规则的设计较为困难，并且只是整定ADRC中非线性误差反馈的参数，依然没有解决参数整定的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于CPSO的自抗扰位置伺服系统优化设计方法，旨在实现位置控制精度高、响应速度快、抗扰动能力强和稳定性能好的永磁同步电机位置伺服系统。为实现上述技术目的，本专利技术将采取以下的技术方案：一种基于改进混沌粒子群算法的自抗扰位置伺服控制系统的优化设计方法，其特征在于：采用位置外环，电流内环的双环控制结构，建立了二阶自抗扰位置伺服控制系统，然后从采用混沌立方映射对粒子位置进行初始化、指数自适应非线性的调整惯性权重和混沌与稳定之间交替运动的粒子位置更新方式三个方面，提出一种改进的混沌粒子群算法来对自抗扰位置控制器进行参数寻优，解决其参数整定问题。其具体步骤如下：步骤1：采用位置外环和电流内环的双环控制结构，根据位置给定值θ*和位置反馈值θ设计二阶自抗扰位置控制器，电流环任然仍采用PI调节器，搭建永磁同步电机二阶自抗扰位置伺服控制闭环回路。步骤2：初始化粒子群算法参数，包括粒子总个数n设为20，粒子的搜索空间维数D设置为5，加速度常数c1、c2的值都设置为2，惯性权重ω的最小值ωmin设置为0.4，最大值ωmax设置为0.9，最大迭代次数T设置为100。第i(i＝1,2,…,n)个粒子的位置Xi＝(xi1,xi2,…,xiD)代表着二阶自抗扰位置控制器中需要整定的5个参数{β01,β02,β03,β1,β2}，确定每一个参数的调节范围，即第d维的范围[xdmin,xdmax]，粒子i第d维的速度vid的最大值vdmax＝0.2×xdmax，初始化自抗扰位置控制器其它不需要整定的参数，给出终止条件。步骤3：初始化粒子种群，采用混沌立方映射对粒子位置进行初始化，并采用随机过程初始化粒子速度。步骤4：将初始种群中每个粒子的位置向量依次作为自抗扰位置控制器待优化的5个参数{β01,β02,β03,β1,β2}，对永磁同步电机自抗扰位置伺服控制系统进行仿真，计算每个初始粒子的适应度函数并存储其适应度函数值，将适应度函数值作为衡量粒子位置优劣的依据。将粒子自身最优位置Pi＝(Pi1,Pi2,…,PiD)设为其当前位置，全局最优位置Pg＝(Pg1,Pg2,…,PgD)设为初始种群中最优粒子的位置。步骤5：在迭代过程中，根据适应度函数计算每一个粒子的适应度函数值，如果该粒子的适应度值小于该粒子自身之前的适应度值，则用该粒子当前的位置替换Pi，如果该粒子的适应度值小于当前粒子种群全局最优的适应度值，则用该粒子当前的位置替换Pg。步骤6：采用参数可调的指数自适应方式非线性的调整惯性权重，并按照标准粒子群中的速度更新公式对每个粒子的速度进行更新。步骤7：采用将混沌融入到粒子的运动过程中，使粒子群在混沌与稳定之间交替运动的粒子位置更新公式分别对每个粒子的位置进行更新。步骤8：将群体适应度方差σ2引入到混沌与稳定之间交替运动的混沌粒子群中，根据σ2来判断算法是否处于局部最优，进而进行混沌变量cid的设置。步骤9：判断是否满足终止条件，若满足则输出最终的全局最优粒子gbest，即自抗扰位置控制器的最优参数，和相对应的适应度值并退出程序；反之转向步骤5。步骤1中，所述二阶自抗扰位置控制器包括跟踪微分器(TD)、扩张状态观测器(ESO)以及非线性状态误差反馈控制律(NLSEF)。所述跟踪微分器为给定的位置信号θ*安排过渡过程，得到对θ*快速无超调的跟踪值v1，并给出其品质良好的微分信号v2，其具体表达式为：式中，v1是位置给定值θ*的跟踪信号；v2是θ*的微分信号；e01为跟踪信号与位置给定值之间的差值；r0为速度因子，决定跟踪速度；h为滤波因子，决定滤波效果。其中函数fhan(x1,x2,r,h)是快速最优控制综合函数，其表达式为：所述扩张状态观测器跟踪位置伺服系统的位置反馈值θ，同时给出系统的状态变量的估计值z1、z2以及系统总扰动的实时估计z3，其具体表达式为：式中，θ为转子位置反馈信号；z1为实际位置θ的估计跟踪值；z2为z1的微分信号；z3为位置伺服系统总扰动的观测值；e02为z1跟踪输出值θ的误差；b0为扰动补偿因子，是控制器系数b的估计值，iq*为给定的q电流指令值；β01、β02、β03为一组可调参数，是ESO重点调整参数；α11、α12分别是2个最优控制函数非线性因子；δ1是滤波因子；最优控制函数是在原点附近具有线性连续的幂次函数，α为非线性因子，δ为滤波因子。所述非线性状态误差反馈控制将跟踪微分器给出的跟踪信号v1和微分信号v2与扩张状态观测器得到的状态变量估计z1和z1之间的误差经过非线性处理得到初级的控制作用u0，再经过扰动补偿得到自抗扰控制器的控制作用输出：式中，β1、β2为需要参数；iq*为自抗扰位置控制器的输出，即电流给定值；α21、α22分别是2个最优控制函数非线性因子；δ2是滤波因子。步骤3中，所述混沌立方映射对粒子位置进行初始化，是首先随机产生一个各分量值均在0～1之间的D维混沌初值z0＝(z01,z02,...,z0D)，根据混沌立方映射的迭代公式zm+1＝4zm3-3zm(m＝0,1,2,…)，经过n次迭代运算，得到n个混沌变量z1,z2,…,zn，然后将产生的混沌变量zi的各个分量采用映射到优化变量的取值区间。其中，-1≤本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于CPSO的自抗扰位置伺服系统优化设计方法，其特征在于包含如下步骤：步骤1：采用位置外环和电流内环的双环控制结构，搭建永磁同步电机二阶自抗扰位置伺服控制闭环回路；步骤2：初始化粒子群算法参数，包括粒子总个数n，粒子的搜索空间维数D，加速度常数c

【技术特征摘要】
1.一种基于CPSO的自抗扰位置伺服系统优化设计方法，其特征在于包含如下步骤：步骤1：采用位置外环和电流内环的双环控制结构，搭建永磁同步电机二阶自抗扰位置伺服控制闭环回路；步骤2：初始化粒子群算法参数，包括粒子总个数n，粒子的搜索空间维数D，加速度常数c1、c2，惯性权重ω的最小值ωmin和最大值ωmax，最大迭代次数T；第i(i＝1,2,…,n)个粒子的位置Xi＝(xi1,xi2,…,xiD)代表着二阶自抗扰位置控制器中需要整定的5个参数{β01,β02,β03,β1,β2}，确定每一个参数的调节范围，即第d维的范围[xdmin,xdmax]，粒子i第d维的速度vid的最大值vdmax＝0.2×xdmax，初始化自抗扰位置控制器其它不需要整定的参数，给出终止条件；步骤3：初始化粒子种群，采用混沌立方映射对粒子位置进行初始化，并采用随机过程初始化粒子速度；步骤4：将初始种群中每个粒子的位置向量依次作为自抗扰位置控制器待优化的5个参数{β01,β02,β03,β1,β2}，对永磁同步电机自抗扰位置伺服控制系统进行仿真，计算每个初始粒子的适应度函数并存储其适应度函数值，将适应度函数值作为衡量粒子位置优劣的依据；将粒子自身最优位置Pi＝(Pi1,Pi2,…,PiD)设为其当前位置，全局最优位置Pg＝(Pg1,Pg2,…,PgD)设为初始种群中最优粒子的位置；步骤5：在迭代过程中，根据适应度函数计算每一个粒子的适应度函数值，如果该粒子的适应度值小于该粒子自身之前的适应度值，则用该粒子当前的位置替换Pi，如果该粒子的适应度值小于当前粒子种群全局最优粒子的适应度值，则用该粒子当前的位置替换Pg；步骤6：采用参数可调的指数自适应方式非线性的调整惯性权重，并按照标准粒子群中的速度更新公式对每个粒子的速度进行更新；步骤7：采用将混沌融入到粒子的运动过程中，使粒子群在混沌与稳定之间交替运动的粒子位置更新公式分别对每个粒子的位置进行更新；步骤8：将群体适应度方差σ2引入到混沌与稳定之间交替运动的混沌粒子群中，根据σ2来判断算法是否处于局部最优，进而进行混沌变量cid的设置；步骤9：判断是否满足终止条件，若满足则输出最终的全局最优粒子gbest，即自抗扰位置控制器的最优参数，和相对应的适应度值并退出程序；反之转向步骤5。2.根据权利要求1所述的一种基于CPSO的自抗扰位置伺服系统优化设计方法，其特征在于，所述步骤1中，采用位置外环和电流内环的双环控制结构，根据位置给定值θ*和位置反馈值θ，对所述位置外环设计了二阶自抗扰位置控制器，所述电流内环采用PI调节器，建立永磁同步电机的二阶自抗扰位置伺服控制系统。3.根据权利要求1所述的一种基于CPSO的自抗扰位置伺服系统优化设计方法，其特征在于，所述步骤3中，混沌立方映射对粒子位置进行初始化，首先是随机产生一个各分量值均在0～1之间的D维混沌初值z0＝(z01,z02,...,z0D)，根据混沌立方映射的迭代公式zm+1＝4zm3-3zm(m＝0,1,2,…)，经过n次迭代运算，得到n个混沌变量z1,z2,…,zn，然后将产生的混沌变量zi的各个分量采用...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄文俊，白瑞林，朱渊渤，
申请(专利权)人：无锡信捷电气股份有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32