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申请/专利权人：山东三森数控机械有限公司

摘要：本发明公开一种基于改进河马算法的数控高速钻铣床控制方法，属于PID控制优化技术领域，具体步骤为：步骤一、建立数控高速钻铣床速度控制系统的仿真模型；步骤二、建立改进河马算法数学模型，并编写测试代码，验证改进河马算法优化PID控制器的性能，所述改进河马算法包括：引入混沌映射改进算法种群初始化公式，引入自适应权重w改进捕食者位置公式，引入三角形游走策略改进河马逃避捕食者阶段的位置公式；步骤三、利用改进的河马算法优化PID控制器，得到PID控制器的最佳Kp、Ki、Kd参数；步骤四、将得到最优参数Kp、Ki、Kd输入数控高速钻铣床速度控制系统的仿真模型中，调试得到数控高速钻铣床速度控制仿真的最佳效果。

主权项：1.一种基于改进河马算法的数控高速钻铣床控制方法，其特征在于，具体步骤为：步骤一、使用Simulink软件建立数控高速钻铣床速度控制系统的仿真模型；步骤二、使用Matlab软件建立改进河马算法数学模型，并编写测试函数，验证改进河马算法优化PID控制器的性能；所述改进河马算法包括：S21、引入混沌映射改进算法种群初始化位置公式，S22、引入自适应权重改进捕食者位置更新公式，S23、引入三角形游走策略改进算法河马种群逃避捕食者阶段的位置更新公式；改进河马算法的步骤具体如下：Step1、引入混沌映射改进算法种群初始化位置公式，引入的混沌映射公式为Tent映射，改进后的初始化公式为：X1＝lb+r*ub-lb1； 式1中，i＝1，2，…，N，N为河马种群数量，X1为第一只河马初始化的位置，lb为在河马位置的下界值，ub为在河马位置的上界值，Xi为第i只河马初始的位置，Xi+1为第i+1只河马的初始的位置，r为取值在[0，1]之间的随机数，A取值为0，0.5之间的随机数，先通过公式1采用伪随机序列初始化第一只河马的位置，再通过公式2采用混沌映射的方式初始化剩余的河马的位置；Step2、在河马算法处于河马防御捕食者阶段，引入自适应权重w改进捕食者位置更新公式，改进后的捕食者位置更新公式如下：Predatort＝lb+w*r*ub-lb；式中，Predatort为捕食者的位置，1b和ub以及r的意义同步骤Step1，w为自适应权重；w的公式如下： 式中，Max_Iter为最大进化代数，t为本轮进化代数；Step3、引入三角形游走策略改进算法河马种群逃避捕食者阶段的位置更新公式，公式如下： 式中，为改进后的第i只河马待更新的位置，Xbt为经过原先的河马位置更新公式计算的河马位置，Xct为随机选取的一只河马的位置，i和r的意义同同步骤Step1；步骤三、利用改进后的河马算法优化数控高速钻铣床速度PID控制器，得到数控高速钻铣床速度PID控制器的最佳Kp、Ki、Kd参数；具体步骤如下：S1、模拟数控高速钻铣床速度控制系统的工况，使用Simulink仿真软件设计传递函数，传递函数模型采用二阶非线性函数来模拟数控高速钻铣床电机转动速度的工作过程；S2、给定数控高速钻铣床速度控制系统的输入信号，输入信号即数控高速钻铣床电机的目标转速；S3、初始化改进河马算法的种群规模N、问题维度dim、算法搜索空间上界ub、算法搜索空间下界1b以及最大迭代次数Max_Iter；S4、将数控高速钻铣床速度控制系统的PID控制器Kp、Ki、Kd参数编码为改进河马算法的位置解的三个维度；S5、选择ITAE作为改进河马算法的目标函数，目标函数公式为：J＝∫0T1t|et|dt；式中，J为改进的河马算法所求得的适应度值，et为数控高速钻铣床速度控制系统的电机的目标转速与位置和速度信息采集模块采集到的电机实时转速的偏差，t为当前迭代次数，T1为计算的迭代次数；S6、通过混沌映射初始化河马种群的初始位置、计算各河马个体所在位置的适应度，选择适应度最小的河马位置作为种群最佳位置，并记录种群最佳位置的适应度值为Best_PD；S7、模拟河马的社会行为，建立改进河马算法的位置更新策略数学模型，利用所述数学模型更新河马位置，即更新数控高速钻铣床速度PID控制器的Kp、Ki、Kd参数；所述模拟河马的社会行为，建立改进河马算法的位置更新策略数学模型的具体步骤为：S71、模拟河马种群中一半的河马进入河流的行为，按照公式4和公式5建立河马种群处于河流阶段的位置更新数学模型； 式4中，为第i个雄性河马的位置更新公式，Xit为上一轮进化中第i个河马所处的位置，y1为取值在[0，1]之间的随机数，XDhippot为上一轮进化中的最佳河马所在位置，I1和I2为取值在[1，2]之间的随机向量，式5中，为第i个雌性河马的位置更新公式，h1为取值在[0，1]之间的随机向量，MGit为当前选择的各个随机数的平均值；S72、通过目标函数计算更新后的各河马位置的适应度值，通过贪婪选择的方式，按照公式6和公式7选择适应度小的位置为河马在本轮进化中的最新位置； 式中，为第i个河马在本轮进化中的最新位置，Xit、的意义同步骤s71，和为第i个雄性河马和第i个雌性河马位置更新后的适应度，fit为第i个河马在上一轮进化中所处位置的适应度；S73、模拟河马在自己领地内巡视，让捕食者意识到处于河马领地之内的行为，按照公式8建立河马种群防御捕食者阶段的位置更新数学模型； 式中，为第i个河马更新后的位置，RL为具有莱茵飞行的随机向量，Predatort为改进后的捕食者位置，b为取值[2，4]之间的随机数，c为取值[1，1.5]之间的随机数，D为取值[2，3]之间的随机数，g为取值[0，1]之间的随机向量，r9为取值在[0，1]之间的随机向量；S74、模拟进入河马逃避捕食者阶段，当河马无法抵御捕食者时，会选择离开该区域进入最近的河流或池塘区域，以避免捕食者伤害的行为，按照公式9建立河马逃避捕食者阶段的位置更新数学模型； 式中，和Xit的意义同上，r10为取值在[0，1]之间的随机向量，1b为在河马位置的下界值，ub为在河马位置的下界值，S1为取值在[0，1]、[1，2]和符合正态分布这三种情况的随机一种随机数；S75、按照公式3引入三角形游走策略改进河马种群逃避捕食者阶段的位置更新公式，更新河马个体位置；S8、采用贪婪选择的方式决定是否更新河马的位置，记录在本轮进化中最佳河马位置和最佳河马适应度，进化代数t加1次；S9、循环执行S6～S8，判断当前迭代次数是否达到最大迭代次数，若达到，则退出循环，输出全局最优解，并传递给数控高速钻铣床速度控制系统的PID控制器的Kp、Ki、Kd三个参数；步骤四、将得到最佳参数Kp、Ki、Kd输入Simulink软件建立的数控高速钻铣床速度控制系统的仿真模型中，调试得到数控高速钻铣床速度控制系统PID控制的最佳效果。

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