基于多目标优化的模糊滑模变结构控制及应用
杨 勇1, 2,文 丹3,罗 安4,覃爱娜2
(1.长沙理工大学汽车与机械工程学院,湖南长沙, 410076;
2.中南大学信息科学与工程学院,湖南长沙, 410083;
3.长沙大学计算机科学与技术系,湖南长沙, 410003;
4.湖南大学电气与信息工程学院,湖南长沙, 410082)
摘要:结合滑模变结构控制和模糊逻辑技术,提出一种基于多目标优化的模糊滑模变结构控制。以滑模开关函数及其变化量作为模糊调节器的输入量,滑模面边界层的宽度作为输出量,设计一个二维模糊边界层宽度调节器;以稳态误差和切换频率构造多目标优化函数,运用多目标优化算法对滑模变结构控制器参数进行优化。应用于液压位置系统控制的仿真结果表明,所提出的控制方法能缓解滑模变结构控制高稳态精度与平滑抖振之间的矛盾,提高液压位置滑模变结构控制系统的综合性能。
关键词:模糊滑模变结构控制;边界层调节;多目标优化;抖振削弱;稳态精度;液压位置系统中图分类号:TP273文献标识码:A文章编号:1672-7207(2006)06-1149-06广泛应用于电力工程、航空航天等领域的液压位置系统受各种因素的影响,不易获得精确的数学模型,而复杂液压伺服系统迫切需要强鲁棒性和高精度控制[1]。尽管滑模变结构控制对周围摄动和外界扰动具有较强的鲁棒性,抖振问题仍然是液压滑模变结构控制中的关键问题[2]。目前,减振主要有2种措施,即在开关平面上引入开关层和在开关层中使用连续控制[3-4]。前者采用边界层削弱抖振,但会出现饱和特性边界层过窄、高频抖振消除的效果不明显等问题;而过宽的饱和特性边界层,虽然消除了高频抖振,但会出现较大稳态误差。后者采用饱和特性代替开关特性以削弱抖振,但不合理使用饱和特性会影响系统的鲁棒性和稳态性能。
模糊逻辑控制无需对系统建立精确的数学模型,对强非线性、时变时滞、强耦合模型参数和干扰的变化具有很强的鲁棒性[5]。近年来,根据模糊调节和滑模变结构控制的特点,形成了一类模糊滑模变结构控制方法[6-7],这方面的研究主要集中在有效减弱抖振方面,但滑模变结构控制存在削弱抖振与保证稳态精度的矛盾。一般模糊滑模变结构控制的设计基于专家经验,且对非线性系统扰动以及不确定性的估计偏于保守;同时,实施控制任务的执行机构工作频率各不相同且受到限制,导致滑模变结构控制的成本偏高。为此,本文作者提出一种优化的模糊滑模变结构控制方法。采用动态变宽变窄模糊调整边界层宽度策略,运用多目标竞争遗传算法,基于稳态误差和控制切换频率构造多目标优化函数,实现优化的模糊滑模变结构控制;在模糊滑模变结构控制柔化高频切换抖振和降低系统稳态误差之间寻找最佳点,来缓和滑模变结构控制的设计冲突,使液压滑模变结构控制系统获得优良的动、静态性能。
1 基于多目标优化的模糊滑模变结构控制器设计
1.1 液压位置系统模型
液压位置系统由电液伺服阀、具有摩擦和滞后特性的液压缸、液压泵、蓄能器、各种限幅、液压管线以及辅助元件等组成,系统主要结构如图1所示。
由力的平衡方程可得:
3 结 论
a.提出了一种基于多目标优化的模糊滑模变结构控制器。
b.采用模糊边界层宽度调节方法,同时以稳态误差和切换频率构造多目标优化函数,优化滑模变结构控制器参数,可使滑模变结构控制系统获得优良的动、静态性能,且在不削弱系统鲁棒性的条件下,高效地柔化高频切换控制作用,缓解保持较小系统稳态误差与平滑抖振之间的矛盾。
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