混沌优化及其在电动舵机控制系统上的应用

论文摘要

舵机系统是导弹控制系统中重要组成部分,它的特性直接影响着导弹的整体性能。由于实际电动舵机存在许多非线性因素,使用传统的控制算法很难满足控制要求。混沌优化算法作为一种新型的智能算法得到了广泛的注意和研究,己经在一定领域得到了应用,有着良好的应用前景。本文主要研究混沌优化算法在电动舵机控制系统中的应用。首先,简要介绍了混沌动力学基本理论,并分析了共轭梯度方法和混沌优化算法的基本思想,提出了一种基于混沌优化和共轭梯度方法的混合优化算法,设计了基于混合优化算法的PID和神经元PID控制策略,并对两种控制策略进行了仿真研究,仿真结果表明这两种控制策略的有效性和实用性。其次,建立了直流电动机、谐波齿轮减速器、负载和摩擦力矩的数学模型,利用工程设计方案设计了位置环、转速环和电流环三闭环控制系统,并进行了仿真研究。仿真结果表明:在弹性负载和摩擦力矩条件下,该三闭环控制不能满足工程上的控制精度要求。最后,根据电动舵机三闭环控制系统的特点,设计了电动舵机系统参数优化系统,并利用基于混合优化算法的PID和神经元PID控制策略分别对电动舵机三闭环控制系统中的位置环控制器进行了参数优化。应用结果表明:基于混合优化算法的PID和神经元PID控制策略对电动舵机系统的控制,尤其是针对强非线性条件下的电动舵机控制系统,具有控制精度高、超调小、响应快、调节时间短等优点。本文的研究结果具有很大的工程实用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 概论
• 1.1 引言
• 1.2 混沌学的国内外研究现状与发展趋势
• 1.3 舵机系统的国内外研究现状及发展趋势
• 1.4 论文的主要研究内容和工作
• 第2章 混沌动力学基础
• 2.1 混沌的定义特征和基本术语
• 2.1.1 混沌的定义
• 2.1.2 混沌的基本特征
• 2.1.3 混沌的基本术语
• 2.2 Logistic 映射的轨道倍周期分岔和 Lyapunov 指数计算
• 2.2.1 Logistic 映射的轨道倍周期分岔
• 2.2.2 Lyapunov 指数
• 2.2.3 Logistic 映射下的Lyapunov 指数
• 2.3 通向混沌的道路
• 第3章 混合优化算法
• 3.1 共轭梯度法
• 3.1.1 共轭梯度法概述
• 3.1.2 共轭梯度法的优化步骤
• 3.2 混沌优化算法
• 3.2.1 混沌优化原理
• 3.2.2 混沌优化算法的优化步骤
• 3.3 混合优化算法
• 3.3.1 混合算法的提出
• 3.3.2 混合算法的优化步骤
• 3.3.3 混合算法的收敛性证明
• 3.4 基于混合优化算法的控制策略
• 3.4.1 基于混合优化算法的PID 控制器参数整定
• 3.4.2 基于混合优化算法的神经元PID 控制器参数整定
• 3.5 本章小结
• 第4章 直流电动舵机系统的数学模型和仿真研究
• 4.1 直流电动机的数学模型
• 4.2 谐波减速器的数学模型
• 4.2.1 谐波减速器的空程估算
• 4.2.2 谐波齿轮减速器的数学模型
• 4.3 舵机系统的弹性负载和摩擦力矩模型
• 4.3.1 舵机系统的弹性负载模型
• 4.3.2 舵机系统的摩擦力矩模型
• 4.4 直流电动舵机系统的工程设计方法仿真研究
• 4.4.1 直流电动舵机控制系统的三闭环设计
• 4.4.2 仿真结果分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 混合优化算法在电动舵机控制系统中的应用
• 5.1 舵机控制系统控制器参数优化仿真平台的实现
• 5.2 基于混合优化算法的控制策略在舵机系统中的应用
• 5.2.1 混合优化PID 控制策略在舵机控制系统中的应用
• 5.2.2 混合优化神经元PID 控制策略在舵机控制系统中的应用
• 5.3 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录：攻读学位期间发表的论文