CN102694484A

CN102694484A - 一种超声波电机混沌控制系统及控制方法

Info

Publication number: CN102694484A
Application number: CN201210011373XA
Authority: CN
Inventors: 史敬灼; 刘博�; 李文娟; 宋潇; 赵福洁
Original assignee: Henan University of Science and Technology
Current assignee: Henan University of Science and Technology
Priority date: 2012-01-14
Filing date: 2012-01-14
Publication date: 2012-09-26

Abstract

本发明涉及一种超声波电机混沌控制系统及控制方法，其延迟时间通过模糊逻辑推理来在线自适应调节，使延迟时间的取值不仅仅局限于周期值或周期值的邻域范围内，从而得到了更有效的超声波电机混沌控制系统。延迟时间通过模糊逻辑推理来在线自适应调节，使延迟时间的取值不仅仅局限于周期值或周期值的邻域范围内，从而得到了更有效的超声波电机混沌控制系统。

Description

一种超声波电机混沌控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及超声波电机，尤其涉及超声波电机的驱动控制技术领域。

背景技术

超声波电机(USM)是一种新型的运动控制执行元件，具有不同于传统电磁电机的工作原理与结构。USM的特点使其在高端及普通运动控制领域都有着广泛的应用前景。

超声波电机转速控制系统在一定的参数范围内会出现混沌行为，从而影响超声波电机的稳定运行。为了抑制超声波电机转速控制系统中的混沌行为，需要进行混沌控制。延时反馈控制方法结构简单，易于实现，是传统电磁电机常用的混沌控制方法，关于延时反馈控制方法，属于现有成熟技术，在此不再赘述。将延时反馈控制方法用于超声波电机转速控制系统的混沌控制时，由于超声波电机不同于传统电磁电机的非线性特征及更为复杂的混沌特性，现有的延时反馈控制方法不易得到良好效果。

延迟时间τ是延时反馈控制中最重要的一个控制参数，其取值直接决定混沌控制的效果。通常有两种方法确定延迟时间τ，一是使τ等于第i个不稳定周期轨道(UPO)的周期，二是使τ等于输出信号两个极大值之间的时间间隔。这两种方法在选择延迟时间τ时，只是令延迟时间τ接近或等于某个周期值，而没考虑周期值邻域以外的取值，故两种方法所确定的τ可能不是最佳延迟时间；而且，由于超声波电机明显的时变非线性及强耦合特性，这个“最佳延迟时间”也会是变化的。如果能够在线调整τ的取值，可能得到更适用于超声波电机这类复杂非线性对象的延时反馈混沌控制策略。

基于上述构思，本发明给出了基于模糊逻辑的延时反馈混沌控制器，其延迟时间通过模糊逻辑推理来在线自适应调节。验证结果表明，该方法既有效地减小了电机转速和驱动电压的振荡幅值，又明显缩短了从混沌到周期或固定点的过渡过程时间。

发明内容

本发明的目的是提出一种新颖的超声波电机混沌控制方案及具体系统，用以提高超声波电机混沌控制的有效性和可靠性。

为实现上述目的，本发明的系统方案是：一种超声波电机混沌控制系统，包括电压-转速控制器、频率转速控制器和混沌控制器，混沌控制器为采用延时反馈控制方法的混沌控制器，以电机驱动电压幅值为输入，输出作为施加于电压-转速控制器输入端的扰动信号，所述混沌控制器中还设有一个用于在线调节延迟时间的模糊调节器。

所述模糊调节器为双输入单输出的模糊调节器，输入变量为电机驱动电压幅值的延迟变化量e＝u(t-T)-u(t)及其导数ec；其中，u(t)和u(t-T)分别为t、t-T时刻的驱动电压幅值；模糊调节器输出变量为延迟时间的增量值ΔT，经积分环节得到延迟时间；延迟时间初值取为0。

所述模糊调节器的模糊规则的基本原则如下：1)如果e和ec均为0，则保持目前控制量不变，即Δτ＝0；2)如果e不为零，但却以理想的速度接近零，保持目前控制量不变，即Δτ＝0；3)如果e为正值，ec为正值，说明e逐渐远离0，延迟时间τ的取值偏大，控制器输出Δτ＜0；4)如果e为负值，ec为负值，说明e逐渐远离0，延迟时间τ的取值偏小，控制器输出Δτ＞0。

本发明的方法方案是：一种混沌控制方法，对基于延时反馈的混沌控制方法，通过模糊逻辑推理来在线自适应调节混沌控制的延迟时间；根据模糊规则的基本原则，得到初始模糊规则表；然后对模糊规则、量化因子及历史函数进行调整。

模糊调节输入变量为电机驱动电压幅值的延迟变化量e＝u(t-T)-u(t)及其导数ec；其中，u(t)和u(t-T)分别为t、t-T时刻的驱动电压幅值；模糊调节输出变量为延迟时间的增量值ΔT，经积分环节得到延迟时间；延迟时间初值取为0。

根据权利要求5所述的混沌控制方法，其特征在于，所述调整过程如下：1)首先初步给定各个变量的模糊集合和隶属函数形状，使隶属函数在零附近比较密集；2)给定k_e和k_ec初值，并暂时保持不变，调节k_Δτ，任意给定k_Δτ一个值，保持k_Δτ为积分步长的整数倍，根据输出电压幅值的波形和τ的变化曲线，对其进行调节。当k_Δτ取值较小时，τ的增量值较小，加入控制器后，在较长的时间内电压幅值波形变化不明显，τ的调节过程较长；k_Δτ的取值偏大时，τ的增量值变大，较大的增量值会跳过最佳延时时间值，不能实现从混沌到固定点的控制。根据以上经验选择一个合适的k_Δτ，使从混沌到固定点的过渡时间最短。k_Δτ确定后，保持k_Δτ和k_ec不变，调节k_e，与k_Δτ的调节过程相似，以试探的方式，在k_e初值的两侧选取不同的值进行探究，观察输出波形，然后选择一个电压幅值的振荡幅值减小明显且τ收敛的k_e值，并保持不变；3)如果找不到合适的量化因子达到以上要求，则适当调整隶属函数的形状及模糊集合的分布，然后再重复步骤2)，直到寻找到满足上述条件的量化因子为止；4)如果通过步骤2)、3)，仍不能实现从混沌到固定点的控制，此时需要适当调节模糊规则。根据τ和电压幅值的输出波形，确定模糊规则使τ收敛，即当系统进入周期区域时，τ值在一个很小的区域内保持不变。模糊规则更改后，可能仍要更改各个变量的量化因子，以保证从混沌状态到固定点的过渡时间较最短，电压幅值的振荡幅值最小。此时就要重复步骤2)、3)。

本发明设计了基于模糊延时反馈的超声波电机混沌控制系统，其延迟时间通过模糊逻辑推理来在线自适应调节，使延迟时间的取值不仅仅局限于周期值或周期值的邻域范围内，从而得到了更有效的超声波电机混沌控制系统。

附图说明

图1是本发明的超声波电机模糊混沌控制系统框图；

图2是具体化的模糊混沌控制器；

图3是模糊调节器输出变量Δτ的隶属函数；

图4是模糊控制方法的固定点控制结果；

图5是从混沌到固定点运行状态过程中的延迟时间变化过程。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

本发明设计了超声波电机转速控制系统如图1所示。下面逐一介绍该图中的各个环节及其相互作用关系。该系统包含两个转速控制器，分别采用电压幅值和频率作为控制变量。频率-转速控制器用来快速完成转速的大范围调节，提高响应速度。电压-转速控制器调节电压幅值，实现转速稳态控制，消除稳态误差。这里，频率-转速控制器和电压-转速控制器均采用PI控制。混沌控制器以电机驱动电压幅值为输入，输出为施加于电压-转速控制器输入端的微扰信号，用以消除混沌。图1中，旋转编码器E与电机同轴刚性连接，给出频率与电机转速成正比的方波信号，该信号经处理后，给出转速值，作为转速反馈信号提供给“转速控制器”。

为了适应超声波电机的混沌控制特点，本发明提出了基于模糊逻辑的延时反馈混沌控制器，其延迟时间τ通过模糊逻辑推理来在线自适应调节。基本的延迟反馈控制是常用方法，这里不再详述。下面说明基于模糊逻辑的延迟时间在线自适应调节方法。

将图1重画如图2，其中细致描述了用于调节延迟时间的模糊调节器及其与延时反馈混沌控制器的关系。模糊调节器对延迟时间进行在线调节，并希望通过这一调节作用将超声波电机转速的混沌状态稳定到固定点上。模糊调节器设计为双输入单输出形式。输入变量为电机驱动电压幅值的延迟变化量e＝u(t-τ)-u(t)及其导数ec。其中，u(t)和u(t-τ)分别为t、t-τ时刻的驱动电压幅值。模糊调节器输出变量为延迟时间的增量值Δτ，经积分环节得到延迟时间。延迟时间初值取为0。

统计数据表明，输入变量e的实际论域为[-15，20]，ec的实际论域为[-1000，800]。对其分别进行量化处理，得到单位模糊论域[-1，1]。e和ec的量化因子k_e、k_ec初步给定为k_e＝0.05，k_ec＝0.001。输出变量Δτ的量化因子k_Δτ在仿真过程中确定。模糊调节器的模糊推理采用Mamdani方法，解模糊方法为重心法。

输入变量e和ec均取3个模糊语言值N(负)、Z(零)、P(正)，输出变量Δτ取5个模糊语言值NB(负大)、NS(负小)、Z(零)、PS(正小)、PB(正大)。所有模糊语言值的隶属函数均取为三角形，其分布如图3所示。

模糊规则是模糊调节器的核心。根据混沌控制的基本经验，可得制定模糊规则的基本原则：

1)如果e和ec均为0，则保持目前控制量不变，即Δτ＝0；

2)如果e不为零，但却以理想的速度接近零，保持目前控制量不变，即Δτ＝0；

3)如果e为正值，ec为正值，说明e逐渐远离0，延迟时间τ的取值偏大，控制器输出Δτ＜0；

4)如果e为负值，ec为负值，说明e逐渐远离0，延迟时间τ的取值偏小，控制器输出Δτ＞0。

根据上述原则，可以得到初始的模糊规则表。在设计过程中，还需要不断对模糊规则、量化因子及隶属函数进行适当调整，以获得更好的控制效果。具体的调整过程如下。

1)首先初步给定各个变量的模糊集合和隶属函数形状，使隶属函数在零附近比较密集；

2)给定k_e和k_ec初值，并暂时保持不变，调节k_Δτ，任意给定k_Δτ一个值，保持k_Δτ为积分步长的整数倍，根据输出电压幅值的波形和τ的变化曲线，对其进行调节。当k_Δτ取值较小时，τ的增量值较小，加入控制器后，在较长的时间内电压幅值波形变化不明显，τ的调节过程较长；k_Δτ的取值偏大时，τ的增量值变大，较大的增量值会跳过最佳延时时间值，不能实现从混沌到固定点的控制。根据以上经验选择一个合适的k_Δτ，使从混沌到固定点的过渡时间最短。k_Δτ确定后，保持k_Δτ和k_ec不变，调节k_e，与k_Δτ的调节过程相似，以试探的方式，在k_e初值的两侧选取不同的值进行探究，观察输出波形，然后选择一个电压幅值的振荡幅值减小明显且τ收敛的k_e值，并保持不变；

3)如果找不到合适的量化因子达到以上要求，则适当调整隶属函数的形状及模糊集合的分布，然后再重复步骤2)，直到寻找到满足上述条件的量化因子为止；

4)如果通过步骤2)、3)，仍不能实现从混沌到固定点的控制，此时需要适当调节模糊规则。根据τ和电压幅值的输出波形，确定模糊规则使τ收敛，即当系统进入周期区域时，τ值在一个很小的区域内保持不变。模糊规则更改后，可能仍要更改各个变量的量化因子，以保证从混沌状态到固定点的过渡时间较最短，电压幅值的振荡幅值最小。此时就要重复步骤2)、3)。最后确定模糊规则如表1所示。

表1模糊控制规则表

研究表明，当电压-转速控制器积分系数k_iv＝15.02时，系统将会表现出混沌行为。为验证上述所提混沌控制器的有效性，首先保持k_iv＝15.02，使系统工作在混沌状态下，然后在t＝0.15s时加入所设计的模糊混沌控制器。通过适当调整模糊控制器各个变量的量化因子、混沌控制器输出阈值F₀和权重系数K₀，在不改变原有超声波电机转速控制系统参数的情况下，可以将系统的混沌行为稳定到固定点上，控制效果如图4所示。各个参数的设置情况如表2所示。

由图4可以看出，在0.15s加入混沌控制器后超声波电机输出转速从混沌状态迅速进入了固定点，过渡时间短，而且明显减小了电压和转速的振荡幅值。模糊调节器输出的延迟时间τ变化过程如图5所示。当系统进入稳定状态后，模糊控制器输出延时时间在一定的区域内保持不变，混沌控制系统相对稳定。

表2模糊控制混沌到固定点时的参数设置

分别将本发明所提方法和传统延迟反馈方法用于超声波电机转速控制系统的混沌控制中，其控制效果对比如表3所示。从表3中可以看出，对超声波电机转速控制系统的混沌控制而言，本发明所提方法融合了传统的延迟反馈控制方法的优点，克服了传统延迟反馈控制方法的缺点，使电机系统从混沌转化为稳定运动的过渡时间显著缩短，且明显减小了系统输出转速的振荡幅值。

表3本发明所提方法与传统方法的比较

Claims

1.一种超声波电机混沌控制系统，包括电压-转速控制器、频率转速控制器和混沌控制器，混沌控制器为采用延时反馈控制方法的混沌控制器，以电机驱动电压幅值为输入，输出作为施加于电压-转速控制器输入端的扰动信号，其特征在于，所述混沌控制器中还设有一个用于在线调节延迟时间的模糊调节器。

2.根据权利要求1所述的一种超声波电机混沌控制系统，其特征在于，所述模糊调节器为双输入单输出的模糊调节器，输入变量为电机驱动电压幅值的延迟变化量e＝u(t-T)-u(t)及其导数ec；其中，u(t)和u(t-T)分别为t、t-T时刻的驱动电压幅值；模糊调节器输出变量为延迟时间的增量值ΔT，经积分环节得到延迟时间；延迟时间初值取为0。

3.根据权利要求2所述的一种超声波电机混沌控制系统，其特征在于，所述模糊调节器的模糊规则的基本原则如下：1)如果e和ec均为0，则保持目前控制量不变，即Δτ＝0；2)如果e不为零，但却以理想的速度接近零，保持目前控制量不变，即Δτ＝0；3)如果e为正值，ec为正值，说明e逐渐远离0，延迟时间τ的取值偏大，控制器输出Δτ＜0；4)如果e为负值，ec为负值，说明e逐渐远离0，延迟时间τ的取值偏小，控制器输出Δτ＞0。

4.一种混沌控制方法，其特征在于，对基于延时反馈的混沌控制方法，通过模糊逻辑推理来在线自适应调节混沌控制的延迟时间；根据模糊规则的基本原则，得到初始模糊规则表；然后对模糊规则、量化因子及历史函数进行调整。

5.根据权利要求4所述的混沌控制方法，其特征在于，模糊调节输入变量为电机驱动电压幅值的延迟变化量e＝u(t-T)-u(t)及其导数ec；其中，u(t)和u(t-T)分别为t、t-T时刻的驱动电压幅值；模糊调节输出变量为延迟时间的增量值ΔT，经积分环节得到延迟时间；延迟时间初值取为0。

6.根据权利要求5所述的混沌控制方法，其特征在于，所述模糊调节器的模糊规则的基本原则如下：1)如果e和ec均为0，则保持目前控制量不变，即Δτ＝0；2)如果e不为零，但却以理想的速度接近零，保持目前控制量不变，即Δτ＝0；3)如果e为正值，ec为正值，说明e逐渐远离0，延迟时间τ的取值偏大，控制器输出Δτ＜0；4)如果e为负值，ec为负值，说明e逐渐远离0，延迟时间τ的取值偏小，控制器输出Δτ＞0。

7.根据权利要求5所述的混沌控制方法，其特征在于，所述调整过程如下：

4)如果通过步骤2)、3)，仍不能实现从混沌到固定点的控制，此时需要适当调节模糊规则。根据τ和电压幅值的输出波形，确定模糊规则使τ收敛，即当系统进入周期区域时，τ值在一个很小的区域内保持不变。模糊规则更改后，可能仍要更改各个变量的量化因子，以保证从混沌状态到固定点的过渡时间较最短，电压幅值的振荡幅值最小。此时就要重复步骤2)、3)。