基于遺傳算法和虛擬儀器的前饋速度伺服系統設計與整定
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速度伺服控制系統。為實(shí)現前饋控制系數在線(xiàn)整定，引入了遺傳算法。通過(guò)實(shí)際測試驗證了該設計方法和技術(shù)的有效性。
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/201612/332858.htm在機電控制系統中，為實(shí)現快速的跟蹤，常采用前饋補償。然而在對象模型未知時(shí)，前饋控制系數難以事先確定，因此，該前饋系統雖然理論結果理想，但實(shí)用價(jià)值不高。
近年來(lái)，遺傳算法（GA）作為一強有力的優(yōu)化手段受到廣泛關(guān)注。它是模擬自然界遺傳變和物競天擇的機理所構成的隨機搜索算法。正如Thomas等人指出的，其穿梭出特點(diǎn)是：采用純數值計算方法和隨機進(jìn)行策略，無(wú)需梯度信息，對模型的表述要求低，處理問(wèn)題更具有靈活性、適應性、魯棒性和全局性[1～2],因此在控制系統優(yōu)化設計中有著(zhù)廣泛的應用。
1 前饋速度伺服系統理論設計
所設計的前饋速度伺服系統的控制系統框圖如圖1所示。
其中，an為測速反饋系數；Kp為放大器的電壓放大系數；Ks為晶閘管整流器與觸發(fā)裝置的電壓放大系數；Km為電動(dòng)機環(huán)節的放大系數，即1/Ce；Tm為電機機電時(shí)間常數；L為系統的擾動(dòng)輸入；wr為輸入的角速度（虛擬）；w為輸出的角速度；W0、W1、Wn為前饋控制系數。將輸入wr、振動(dòng)L和固定值VD作為三個(gè)獨立的輸入量，運用線(xiàn)性迭加定理得到整個(gè)系統的輸入wr與輸出w的關(guān)系式：
KpKsKman+(W0+W1S)KsKmaN=KpKsKman+Tms+1 （1）
KsKmWnVD-KmL=0 （2）
因而便得到Wn、W0、W1三個(gè)參數的真值：
Wn=L/(KsVD)； W0=1/(KmKsan)； W1=Tn/KmKsan；
2 前饋系數的遺傳算法在線(xiàn)整定
GA的原理最早是由Holland教授提出的[3]，在本文的GA在線(xiàn)實(shí)驗方案中，W0、W1、Wn被定義為染色體中的基因，它們受到標準GA[4]的進(jìn)化?；虻乃阉骺赵O定足夠大的范圍，這樣做有利于尋找到全局最優(yōu)點(diǎn)。GA的調節任務(wù)是使性能指J最小。J采用ISE為性能指標，即：
于是得到系統在線(xiàn)整定的優(yōu)化模型如下：
minJ
s.t.
其中W0*、W1*、Wn*分別指前饋控制系數最大可能取值。
圖2所示為GA在線(xiàn)優(yōu)工作流程圖。通過(guò)不斷啟動(dòng)系統，種群中的每一個(gè)染色體的優(yōu)劣都得到實(shí)驗的檢驗。速度和電流量通過(guò)高速A/D進(jìn)行采樣和存儲，利用這些數據可以計算每個(gè)染色體的適應度評價(jià)值J。顯然，實(shí)驗的總次數等于種群數乘總世代數。為了減少實(shí)驗時(shí)間，需要提高GA的收斂效率。這里采用了實(shí)數編碼和“最優(yōu)”選擇方式。實(shí)數編碼比二進(jìn)制編碼更能提高GA的性能[3]，而“最優(yōu)”選擇能確保穩定漸進(jìn)的收斂[4]。適當選擇種群數、交叉率和變異率對小種群GA的性能也很重要，一些原則可參考文獻[5]。
3 虛擬儀器設計
虛擬儀器是一種新興的測控儀器，它以計算機為核心、
虛擬控制面板為標志，通過(guò)計算機軟件實(shí)現對數據的顯示、存儲以及分析處理，以滿(mǎn)足用戶(hù)對功能設置的靈活多樣要求，實(shí)現一般測試儀器無(wú)法比擬的功能。虛擬儀器可集成各種工業(yè)自動(dòng)控制系統及專(zhuān)用儀器系統，將計算機硬件資源與儀器硬件有機地融合為一體，美國NI公司為該領(lǐng)域的杰出代表。為完成本文復雜的控制整定工作，本文采用了美國NI公司的LabWindows/CVI虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺[8]。CVI強大的功能旭功于其非常豐富的庫函數，可提供的庫函數從用戶(hù)圖形界面、數據采集、數據分析、儀器控制到現在Internet時(shí)代的TCP，所以說(shuō)CVI在測量領(lǐng)域成為先鋒 的同時(shí)又與當前時(shí)代的新科技保持了同步。
系統虛擬控制面板包括主控制面板和輔助面板。輔助面板主要負責系統各設備的運行情況及其外界環(huán)境的監控，輔助面板可在主面板中調用。本文僅對主面板進(jìn)行介紹，如圖3所示。
主面板分為四大模塊：（1）輸入、輸出、誤差顯示；（2）系統控制參數設定；（3）遺傳算法整定；（4）文件、數據處理。
在主面板中，可以直接啟動(dòng)系統，對系統的輸入幅度等參數進(jìn)行實(shí)時(shí)調節并實(shí)時(shí)監控系統的輸入輸出變化。在系統啟動(dòng)前，可以預先對各參數進(jìn)行調節后再讓系統運行。對系統的優(yōu)化整定需在啟動(dòng)系統之后方可進(jìn)行，整定過(guò)程的輸出、誤差及參數均可實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示。主面板還提供了一些附加的文件、數據處理功能，可實(shí)時(shí)對系統狀態(tài)進(jìn)行保存、打印等操作。
該控制界面的編制除了對各面板控件回調函數及數據處理函的編寫(xiě)外，還有兩大編程重點(diǎn)：遺傳算法的整定程序和實(shí)時(shí)多線(xiàn)程控制程序。由于篇幅有限，在此僅對編程關(guān)鍵技術(shù)-多線(xiàn)程編程做一介紹。
由于CVI采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，因而多線(xiàn)程可以面向C++的程序編程接口（API）編輯，也可以直接面向Windows(Win32 API)編寫(xiě)。本文采用后者來(lái)編寫(xiě)多線(xiàn)程程序。
（1）創(chuàng )建線(xiàn)程
C語(yǔ)言向用戶(hù)提供了多種類(lèi)，用來(lái)封裝線(xiàn)程對象，如CwinThread類(lèi)。本系統創(chuàng )建線(xiàn)程采用該成員函數CreateThread完成創(chuàng )建過(guò)程。
（2）線(xiàn)程的終止
ExitThread函數是退出一個(gè)線(xiàn)程的較好辦法。如果在調用這個(gè)函數時(shí)，線(xiàn)程是進(jìn)程中的最后一個(gè)線(xiàn)程，則此線(xiàn)程的進(jìn)程也被終止。
系統分為兩個(gè)線(xiàn)程：面板控件函數回調與顯示線(xiàn)程，控制與算法整定線(xiàn)程。為避免兩線(xiàn)程之間的數據沖突，在程序中只有線(xiàn)程提供唯一的數據通道并設置了獨立的“信號燈”，加強了線(xiàn)程間數據通信的穩定性。
4 系統運行實(shí)驗
本研究中GA參數設定為：種群數Pop_size=10，交叉率Pc=0.6，變異率Pm=0.3。系統各參數值約為：VD=1.0，an=0.02，Km=5.1，Tm=0.075，L=1.0，Ks=19.4。Kp任選一值，如Kp=10，ΔT取0.1（s）。實(shí)驗時(shí)，按“整定”按鈕，計算機自動(dòng)產(chǎn)生正弦波（周期為10s；幅度為1000rad/s）作為系統輸入，并實(shí)驗性啟動(dòng)系統，進(jìn)行前饋系數的在線(xiàn)整定。實(shí)驗所采用的數據采集卡為NI公司生產(chǎn)的PCI-6024E。圖4為示波器顯示的整定過(guò)程誤差波形。開(kāi)始時(shí)，輸出與輸入不能實(shí)現跟蹤，產(chǎn)生了較大的誤差，1分鐘左右誤差超于零，此時(shí)，W0=0.513,W1=0.038，Wn=0.029,按近理論全補償值。此后系統可以按照實(shí)際要求的輸入信號持續運行，從而實(shí)現了系統快速跟蹤要求。
采用虛擬儀器進(jìn)行系統控制，可以完全實(shí)現其它計算機控制系統所要求的運行結果，而且相對而言，虛擬儀器更顯得靈活易用、直觀(guān)生動(dòng)。GA引入到在線(xiàn)參數整定是一次大膽深度。提導GA搜索的性能指標J取自實(shí)時(shí)測試的結果，它不需要數學(xué)模型，因而是另一有效的優(yōu)化系統參數的方法，特別是在系統模型時(shí)變、難以或不可描述的情況下，效果更為顯著(zhù)。
本文將遺傳算法、虛擬儀器控制有機地結合，充分發(fā)揮了遺傳算法、虛擬儀器的優(yōu)勢，使系統控制達到了較高的性能，其基本原理、方法和技術(shù)具有普遍性，可望在其它復雜控制系統中得到廣泛的工程應用。
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