[发明专利]飞机舵机电液伺服系统智能控制方法

权利要求书

1.一种飞机舵机电液伺服系统智能控制方法，所述的飞机舵机电液伺服系统包括控制器(1)、电液伺服阀(2)、阀控液压缸(3)、位移传感器(4)、缓冲弹簧(5)和力传感器(6)；其中：控制器(1)与电液伺服阀(2)、力传感器(6)和位移传感器(4)相连接；电液伺服阀(2)依次通过阀控液压缸(3)和缓冲弹簧(5)与飞机舵机(7)相连接；飞机舵机(7)同时与力传感器(6)、位移传感器(4)相连接；其特征在于：所述的飞机舵机电液伺服系统智能控制方法包括按顺序进行的下列步骤：

1)由改进人工蜂群算法模块(1.1)和PID控制器模块(1.2)组成控制器(1)；

2)利用改进人工蜂群算法模块(1.1)实时获取力传感器(6)和位移传感器(4)输出的系统误差信息e，并计算出适应度，采用变邻域搜索算法对人工蜂群算法观察蜂阶段搜索方式进行优化，寻找最优食物源作为PID控制器参数输出；

3)PID控制器模块(1.2)利用力传感器(6)和位移传感器(4)输出的系统误差信息e以及上述改进人工蜂群算法模块(1.1)输出的PID控制器参数，输出加载力指令信号给电液伺服阀(2)，以驱动阀控液压缸(3)运动，产生加载力，经由缓冲弹簧(5)和力传感器(6)加载到飞机舵机(7)上，最后飞机舵机(7)根据该加载力指令信号进行相应运动。

2.根据权利要求1所述的飞机舵机电液伺服系统智能控制方法，其特征在于：在步骤2)中，所述的利用改进人工蜂群算法模块(1.1)实时获取力传感器(6)和位移传感器(4)输出的系统误差信息e，并计算出适应度，采用变邻域搜索算法对人工蜂群算法观察蜂阶段搜索方式进行优化，寻找最优食物源作为PID控制器参数输出的具体工作流程如下：

首先，采用的适应度函数为：

式中，e(t)＝r(t)-y(t)为实际输出和期望输出之间的误差；ITAE表示时间绝对误差；

然后，进入改进人工蜂群算法流程；在该算法中，种群中所有食物源的三维向量代表了PID控制器参数k_p、k_i、k_d；每次迭代中，改进人工蜂群算法根据式(1)得到的适应度对食物源的优劣进行比较，寻找更优食物源优化PID控制器参数，直至达到最大迭代次数为止，此时得到最优的PID控制器参数；改进人工蜂群算法可分为以下四个阶段：

①初始化阶段：对最大邻域k_max、最大迭代次数N和种群规模SN进行赋值；根据式(2)随机产生具有SN个解的初始食物源，SN和雇佣蜂的数量相等；每个食物源用X_i＝(x_i,1,x_i,2,...,x_i,D)来表示，其中i∈{1,2,...,SN}，D为待优化问题的维度；

x_i,j＝x_min,j+rand[0,1](x_max,j-x_min,j) (2)

式中，x_i,j代表第i个食物源X_i的第j维度值，其中j∈{1,2,...,D}；x_max,j和x_min,j分别为第j维取值的上、下限；rand[0,1]为[0,1]间的随机数；

②雇佣蜂阶段：在初始化得到的食物源X_i的基础上，雇佣蜂通过解搜索方程生成新食物源V_i＝(v_i,1,v_i,2,...,v_i,D)，解搜索方程如下：

式中，v_i,j代表第i个新食物源V_i的第j维度值；为[-1,1]间的随机数；k∈{1,2,...,SN}且k≠i；如果新食物源V_i的适应度高于食物源X_i，则用新食物源V_i替换食物源X_i；

③观察蜂阶段：雇佣蜂将食物源信息反馈给观察蜂，观察蜂根据接收到的信息对食物源进行选择；当种群规模为SN时，对于食物源X_i，设其适应度为F_i，则该食物源被选中的概率为：

选定一食物源X_i后，对其进行变邻域搜索；变邻域搜索流程如下：

步骤1：设置一个初始可行解X₀和一组邻域结构N_k，k＝1,2,...,k_max，记录当前最优解：X_i←X₀；k←1；

步骤2：当k＝k_max时，停止搜索运算；否则，在食物源X_i的第k个邻域进行随机搜索，获得邻域内新食物源X'；对邻域内新食物源X'进行局部搜索，获得邻域内新食物源的局部最优解X”；如果F(X”)＞F(X_i)，则X_i←X”，k←1；否则，k←k+1；之后重复步骤2；

④侦查蜂阶段：当被选中的食物源X_i被开采完毕，即适应度未更新次数到达预先设定的极限时，此时需要放弃该食物源，并将处于该食物源的雇佣蜂变成侦查蜂，采用公式(5)寻找下一个食物源X_i：

x_i,j＝x_min,j+rand[0,1](x_max,j-x_min,j) (5)

记录当前最优食物源X_b，当改进人工蜂群算法达到最大迭代次数N时，停止运算并输出最终获得的最优食物源X_b作为最优食物源；否则，再次进入雇佣蜂阶段进行计算。

3.根据权利要求1或2所述的飞机舵机电液伺服系统智能控制方法，其特征在于：在步骤3)中，所述的PID控制器模块(1.2)利用力传感器(6)和位移传感器(4)输出的系统误差信息e以及上述改进人工蜂群算法模块(1.1)输出的PID控制器参数，输出加载力指令信号给电液伺服阀(2)，以驱动阀控液压缸(3)运动，产生加载力，经由缓冲弹簧(5)和力传感器(6)加载到飞机舵机(7)上，最后飞机舵机(7)根据该加载力指令信号进行相应运动的具体工作流程如下：

首先，确定PID控制器参数k_p、k_i、k_d的取值范围，并通过改进人工蜂群算法模块(1.1)计算得到一组PID控制器参数；根据这组PID控制器参数，PID控制器模块(1.2)将系统的偏差函数e(t)通过比例、积分、微分运算输出给被控对象，其控制规律为：

式中，u(t)为PID控制器模块1.2输出的加载力指令信号；

然后，被控对象，即电液伺服阀(2)、阀控液压缸(3)、位移传感器(4)和缓冲弹簧(5)，根据加载力指令信号u(t)进行工作，得到系统输出信号y(t)并通过与系统输入信号r(t)的比较得到偏差函数e(t)；再通过式(1)计算该组PID控制器参数的适应度；此时，如果改进人工蜂群算法已达到最大迭代次数N，则输出这组PID控制器参数作为最优PID控制器参数；否则，再次调用改进人工蜂群算法寻找最优食物源所对应的PID控制器参数。