四电机联动系统固定时间控制与结构联合优化方法和系统技术方案

本发明专利技术涉及一种四电机联动系统固定时间控制与结构联合优化方法和系统，通过获取四电机联动系统的结构系数和性能系数；根据结构系数和性能系数，以电机转动惯量为优化目标，以电机转动惯量的上界、电机转动惯量的下界、传动力矩、传动力矩与四电机联动系统固定时间控制与结构联合优化输入量间的差值为约束条件，构建一体化性能指标模型；采用细菌觅食优化算法，确定一体化性能指标模型中电机转动惯量的最小值；采用电机转动惯量的最小值，对四电机联动系统中的电机进行驱动控制。本发明专利技术提供的四电机联动系统固定时间控制与结构联合优化方法和系统，能够高效、可靠地得到四电机联动系统的全局最优参数，以实现对四电机联动系统的精确控制。

Joint optimization method and system of fixed time control and structure for four motor linkage system

【技术实现步骤摘要】
四电机联动系统固定时间控制与结构联合优化方法和系统
本专利技术涉及机电控制
，特别是涉及一种四电机联动系统固定时间控制与结构联合优化方法和系统。
技术介绍
多电机驱动系统是在单电机驱动结构基础上增加了驱动电机的个数，驱动电机与负载之间靠齿轮箱连接，由多个电机共同驱动一个共同的负载。一体化设计作为系统的预设计过程，能够为系统的相关元件的选取提供依据和参考。如电机型号的选取，传动装置刚度大小等。多电机系统中，负载的大小直接反映了系统的驱动能力。负载越大，需要驱动电机提供的驱动力矩也就越大；反之，所选驱动电机惯量越小，所能驱动的负载也就越小。通过参数优化设计，能够反映负载大小与控制输入的直接关系，为电机选取以及系统驱动能力设计等其他方面的结构、控制设计提供依据。结构/控制一体化设计方法能够处理结构设计与控制设计之间的耦合，同时设计结构参数与控制器参数，从而能够提高系统的控制性能。Perez等将一体化设计方法应用到了空间飞行器的柔性机构设计中，得到了控制系统的全局最优解。Shirazi等采用线性矩阵不等式迭代方法对风力涡轮机进行了一体化设计，提高了闭环系统的性能。Chiang等将鲁棒控制与一体化设计方法相结合，设计了大型空间机构的控制系统，提升了系统的鲁棒性。由于一体化优化问题由结构优化和控制器优化共同组成，其目标函数往往呈非凸特性。这给一体化问题的求解带来了难度。为降低一体化问题的求解难度，高效且可靠地得到系统的全局最优解，常选用整体优化和嵌套式优化两种优化策略。Alyaqout等比较了几种优化策略的优劣，并指出嵌套式优化策略能够较好的解决一体化设计的优化问题，同时计算量较小，物理意义明确，能够高效地获得一体化设计的最优解。由Passino提出的细菌觅食算法(BacterialForagingOptimization,BFO)，模拟大肠杆菌的趋化性、群体繁殖、消除和扩散过程，由趋化、繁殖、迁徙3个循环过程组成。储颖等将细菌觅食算法应用到了图像压缩中，结合BP神经网络和细菌觅食算法，克服了BP神经网络容易陷入局部最优的缺点。Wang提出基于细菌群优化的特征选择算法，将细菌觅食算法与加权特征选择策略相结合，根据两个矩阵对特征进行分类，降低了分类中的特征维数。选取最小化特征数量和最小化计算成本等性能指标，对算法性能进行测试，实验表明了所提出的BCO算法可以有效地进行特征选择。王勇臻等针对旅行商问题，提出了离散型细菌觅食算法，设计了能够处理离散变量的趋化算子，将细菌觅食算法从连续优化发展到了离散优化问题的求解中。Subudhi针对光伏(PV)模块参数提取问题，采用细菌觅食算法，在对不同类型的PV模块条件下进行测试，实验结果展示出了细菌觅食算法的全局搜索能力，所得优化结果比粒子群算法和增强模拟退火方法更准确。崔静静等提出了自适应步长的细菌觅食算法，针对传统算法在求解高维优化问题过程中容易陷入局部最优的问题，引入了自适应步长和差分进化算子，提升了算法的求解效率。Ramyachitra针对蛋白质结构预测问题，基于面心立方晶格和疏水/极性(HP)能量模型，结合细菌觅食算法，提升了算法性能。研究结果证明该算法可以成功地应用于蛋白质结构预测。固定时间稳定作为有限时间稳定理论的一种特殊形式，能够得到一个与系统初始状态无关的收敛时间上界，从而能够事先分析系统的收敛性能。从另一方面，固定时间控制器能够事先计算系统的收敛时间上界，能够进行收敛时间预设置，为控制器参数调节提供依据。Zhang等针对火星软着陆动力下降段制导问题，设计了能够实际固定时间收敛的制导律。Chen等设计了自适应固定时间参数估计和同步控制器。Defoort等针对带有未知非线性动态的多智能体系统设计了固定时间控制器。Zuo等实现了多智能体系统的固定时间一致跟踪控制。针对非奇异固定时间控制器设计问题，Jiang等还设计了一类滑模替换法，从而得到了非奇异固定时间控制器，并应用于航天器姿态控制器设计中。此类方法在多智能体控制、机械臂控制以及航天器姿态控制等诸多领域得到了广泛应用。但是，在现有技术中并没有一种能够高效、可靠地得到四电机联动系统的全局最优参数的方法，因此，并不能真正解决现有技术中四电机联动系统所存在的控制精度低的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种四电机联动系统固定时间控制与结构联合优化方法和系统，能够高效、可靠地得到四电机联动系统的全局最优参数，以实现对四电机联动系统的精确控制。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：一种四电机联动系统固定时间控制与结构联合优化方法，包括：获取四电机联动系统的结构系数和性能系数；所述结构系数包括：电机转动惯量、传动力矩和四电机联动系统的控制输入量；所述性能系数包括：控制器的性能指标和结构设计性能指标；根据所述结构系数和性能系数，以所述电机转动惯量为优化目标，以电机转动惯量的上界、电机转动惯量的下界、所述传动力矩、传动力矩与所述四电机联动系统的控制输入量间的差值为约束条件，构建一体化性能指标模型；采用细菌觅食优化算法，确定所述一体化性能指标模型的最优解；所述最优解为所述电机转动惯量的最小值；采用所述电机转动惯量的最小值，对所述四电机联动系统中的电机进行驱动控制。可选的，所述一体化性能指标模型为：其中，wp为结构设计性能指标的权重系数，wc为控制性能指标的权重系数，s.t.为约束条件，fp为结构设计性能指标，fp＝(umax-umin)2，umax为控制器的控制输入量的最大值，umin为控制器的控制输入量的最小值，fc为控制性能指标，x1为负载的位置，yd为负载的期望位置，t为四电机联动系统收敛时间，Jm为电机转动惯量，Jlow为转动惯量的下界，Jhigh为转动惯量的上界，为电机i的角加速度，为电机i的角速度，为负载的角加速度，为负载的角速度，JL为负载的转动惯量，bm为电机端的粘滞摩擦系数，bL为负载端的粘滞摩擦系数，u为控制器的控制输入量，为电机i的传动力矩。可选的，所述采用细菌觅食优化算法，确定所述一体化性能指标模型的最优解，具体包括：采用嵌套式优化算法，根据所述一体化性能指标模型，分别确定外优化环和内优化环；采用细菌觅食优化算法，分别确定所述外优化环的最优解和所述内优化环的最优解；根据所述外优化环的最优解和所述内优化环的最优解，得到所述一体化性能指标模型的最优解。可选的，所述外优化环为：所述内优化环为：其中，为外优化环结果，wp和wc均为权重系数，s.t.为约束条件，umin为控制器的控制输入量的最小值，umax为控制器的控制输入量的最大值，Jlow为转动惯量的下界，Jhigh为转动惯量的上界，Jm为电机转动惯量，Jm为电机转动惯量，为内优化环结果，Jm为电机转动惯量，x1为负载的位置，yd为负载的期望位置，t为四电机联动系统收敛时间，JL为负载的转动惯量，bm为电机端的粘滞摩擦系数，bL为负载端的粘滞摩擦系数，为电机i的角加速度，为电机i的角速度，为负载的角加速度，为负载的角本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种四电机联动系统固定时间控制与结构联合优化方法，其特征在于，包括：/n获取四电机联动系统的结构系数和性能系数；所述结构系数包括：电机转动惯量、传动力矩和四电机联动系统的控制输入量；所述性能系数包括：控制器的性能指标和结构设计性能指标；/n根据所述结构系数和所述性能系数，以所述电机转动惯量为优化目标，以电机转动惯量的上界、电机转动惯量的下界、所述传动力矩、所述传动力矩与所述四电机联动系统的控制输入量间的差值为约束条件，构建一体化性能指标模型；/n采用细菌觅食优化算法，确定所述一体化性能指标模型的最优解；所述最优解为所述电机转动惯量的最小值；/n采用所述电机转动惯量的最小值，对所述四电机联动系统中的电机进行驱动控制。/n

【技术特征摘要】
1.一种四电机联动系统固定时间控制与结构联合优化方法，其特征在于，包括：
获取四电机联动系统的结构系数和性能系数；所述结构系数包括：电机转动惯量、传动力矩和四电机联动系统的控制输入量；所述性能系数包括：控制器的性能指标和结构设计性能指标；
根据所述结构系数和所述性能系数，以所述电机转动惯量为优化目标，以电机转动惯量的上界、电机转动惯量的下界、所述传动力矩、所述传动力矩与所述四电机联动系统的控制输入量间的差值为约束条件，构建一体化性能指标模型；
采用细菌觅食优化算法，确定所述一体化性能指标模型的最优解；所述最优解为所述电机转动惯量的最小值；
采用所述电机转动惯量的最小值，对所述四电机联动系统中的电机进行驱动控制。


2.根据权利要求1所述的一种四电机联动系统固定时间控制与结构联合优化方法，其特征在于，所述一体化性能指标模型为：



其中，wp为结构设计性能指标的权重系数，wc为控制性能指标的权重系数，s.t.为约束条件，fp为结构设计性能指标，fp＝(umax-umin)2，umax为控制器的控制输入量的最大值，umin为控制器的控制输入量的最小值，fc为控制性能指标，x1为负载的位置，yd为负载的期望位置，t为四电机联动系统收敛时间，Jm为电机转动惯量，Jlow为转动惯量的下界，Jhigh为转动惯量的上界，为电机i的角加速度，为电机i的角速度，为负载的角加速度，为负载的角速度，JL为负载的转动惯量，bm为电机端的粘滞摩擦系数，bL为负载端的粘滞摩擦系数，u为控制器的控制输入量，为电机i的传动力矩。


3.根据权利要求1所述的一种四电机联动系统固定时间控制与结构联合优化方法，其特征在于，所述采用细菌觅食优化算法，确定所述一体化性能指标模型的最优解，具体包括：
采用嵌套式优化算法，根据所述一体化性能指标模型，分别确定外优化环和内优化环；
采用细菌觅食优化算法，分别确定所述外优化环的最优解和所述内优化环的最优解；
根据所述外优化环的最优解和所述内优化环的最优解，得到所述一体化性能指标模型的最优解。


4.根据权利要求3所述的一种四电机联动系统固定时间控制与结构联合优化方法，其特征在于，所述外优化环为：
所述内优化环为：
其中，为外优化环结果，wp和wc均为权重系数，s.t.为约束条件，umin为控制器的控制输入量的最小值，umax为控制器的控制输入量的最大值，Jlow为转动惯量的下界，Jhigh为转动惯量的上界，Jm为电机转动惯量，为内优化环结果，Jm为电机转动惯量，x1为负载的位置，yd为负载的期望位置，t为四电机联动系统收敛时间，JL为负载的转动惯量，bm为电机端的粘滞摩擦系数，bL为负载端的粘滞摩擦系数，为电机i的角加速度，为电机i的角速度，为负载的角加速度，为负载的角速度，u为控制器的控制输入量，为电机i的传动力矩，k为扭转系数，c为阻尼系数，Δi为电机i与负载间的位置差，Δi＝θi-θL，θi为电机i的位置，θL为负载的位置，f(·)为齿隙...

【专利技术属性】
技术研发人员：任雪梅，曾添一，胡双翼，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11