[发明专利]一种力反馈设备自主调节自重平衡机构控制算法

摘要

一种力反馈设备自主调节自重平衡机构控制算法，通过将改进简单粒子优化算法、PID控制器和线性系统的叠加相结合，用于实时的控制力反馈交互设备的自主调节自重平衡机构的平衡块在平衡机构上的位置，实现力反馈交互设备的自主调节自重平衡机构的控制，有效降低力反馈交互设备的手臂机构重力对人手的所造成影响。本发明能够自动找到准确的PID控制器参数，线性叠加简化了自主调节自重平衡机构控制系统建模手段，此外，为了克服PID控制器中微分信号引入所造成的高频振动，在控制器的微分项上串联一阶低通滤波器，可平滑系统输出响应的振动，消除自主调节自重平衡机构的平衡块所产生的振荡。

主权项

1.一种力反馈设备自主调节自重平衡机构控制算法，其特征在于按如下步骤：步骤1：当力反馈设备的自主调节自重平衡机构的平衡块的重力和摩擦产生的转矩τ_d(S)＝0时，建立以电机电枢电压为输入，以电机转角θ_ARC1为输出的自主调节自重平衡机构的控制系统传递函数；当自主调节自重平衡机构的平衡块所受的重力和摩擦力产生的转矩τ_d(S)≠0时，建立以直流电机克服τ_d(S)力矩所需的电压U′_m(S)为输入，以电机输出力矩τ_d(S)为输出的自主调节自重平衡机构的控制系统传递函数；步骤2：采用线性叠加原理，建立力反馈交互设备自主调节自重平衡机构的整体控制系统函数，^dθ_ARC1是直流电机的期望转角，建立平衡块在平衡杆上的期望位置与直流电机期望的转角^dθ_ARC1的函数关系式，以电机实际转角θ_ARC1和期望转角^dθ_ARC1的误差作为自主调节自重平衡机构的整体控制系统输入，经过改进简单粒子优化PID控制算法调节后，作为直流电机电枢的输入电压U_m(S)，其中，U′_m(S)是用以产生抵消自主调节自重平衡机构的平衡块的重力和摩擦力转矩τ_d(S)的所需电压，是用以驱动直流电机转动到期望转角^dθ_ARC1所需的电压；通过控制器不断调节直流电机实际转动角度θ_ARC1和期望转角^dθ_ARC1的差值，不断改变电枢输入电压U_m(S)，使得实际转动角度θ_ARC1逐步到达转动期望转角^dθ_ARC1；最终，直流电机的减速主动轮带动减速从动轮，减速从动轮带动驱动小轮，驱动小轮驱动平衡块，使平衡杆到达期望位置步骤3：设计改进简单粒子优化PID控制算法，用于控制自主调节自重平衡机构的平衡块在平衡杆上的期望位置选用ITAE指标作为衡量改进简单粒子优化PID控制算法中的PID控制器的比例增益K_p，积分增益K_i和微分增益K_d是否达到最优的指标；在改进简单粒子优化PID控制算法中，改进简单粒子优化算法用来优化控制PID控制器的比例增益K_p，积分增益K_i和微分增益K_d参数，具体步骤如下：(1)在改进简单粒子优化算法中，Y＝(Y¹,Y²,…Yⁿ)表示n个粒子构成一个粒子群；其中，Y表示为粒子群集合，Yⁱ(i＝1,2,…,n)表示该粒子群中第i个粒子的位置；该粒子群的每个粒子飞行位置搜索空间是一个三维向量空间，该三维位置搜索空间中每一维分别表示PID控制器的比例增益K_p，积分增益K_i和微分增益K_d；设粒子迭代总次数为N次，那么，第i个粒子在第k次迭代中位置表示为：其中，和分别为第i个粒子在第k次迭代的比例增益，积分增益，微分增益；这三个参数是随机数，它们的搜索范围都在最小值为0，最大值为ρ的区间之内，其中，ρ>0；(2)是粒子群第k次迭代中粒子i的位置，分别将和作为PID控制器中相应的比例增益，积分增益，微分增益，将τ_d(S)和^dθ_ARC1作为输入激励信号，在第k次迭代中，其相应ITAE指标作为改进简单粒子优化算法的适应度值；(3)根据粒子群中所有n个粒子从第1次开始进化迭代直到第k次进化迭代的所有的适应度值ITAE，可以找到全局最优适应度值为：其中，和分别表示粒子群中全部n个粒子在k次迭代中的全局最优比例增益，全局最优积分增益，全局最优微分增益；(4)Yi(k+1)＝λ1η1Yi(k)+λ2η2[Pg(k)‑Yi(k)]作为进化迭代更新方程，表示所有n个粒子中的第i个粒子在第k+1次迭代更新；其中，ηi(i＝1,2)分别表示在0～1之间的随机数，λ1和λ2各自表示认知学习率和社会学习率，两者取常数值1.49445；(5)边界条件约定：n个粒子所组成的粒子群，经过第k次迭代计算后，第i个粒子位置Yi(k)中的某一维位置范围超出了指定的区间：该区间的最小值为0，最大值为ρ，其中，ρ>0；那么第i个粒子Yi(k)位置的某一维必须被重新指定为0或者为ρ；假如，该维位置变量小于0，则该维位置变量指定为0；假如，该维位置变量大于ρ，则该维位置变量指定为ρ；(6)假如运行达到最大迭代次数N，则结束迭代，找到所有进化迭代后的全局最优比例增益，全局最优积分增益，全局最优微分增益；否则，回到第(2)步继续顺序执行；最终，找出最优PID控制的比例增益，积分增益和微分增益；步骤4：为了克服PID控制器中微分信号的引入高频干扰，在PID控制器的拉氏变换中的微分项上串联一阶低通滤波器，构成用来平滑系统输出响应的振动，其中，0＜Ξ＜1。