CN107222127B - 一种无参数信息间隙稳定的压电电机自适应控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种无参数信息间隙稳定的压电电机自适应控制方法。提供一压电电机自适应控制系统包括基座和设于基座上的压电电机，所述压电电机一侧输出轴与光电编码器相连接，另一侧输出轴与飞轮惯性负载相连接，所述飞轮惯性负载的输出轴经联轴器与力矩传感器相连接，所述光电编码器的信号输出端、所述力矩传感器的信号输出端分别接至控制系统，所述控制系统建立在反步计算的基础上，从而能获得更好的控制效能。本发明方法使得压电电机自适应控制获得更好的控制效能。
Description
技术领域
本发明涉及一种无参数信息间隙稳定的压电电机自适应控制方法。
背景技术
现有的压电电机反步自适应伺服控制系统的设计中有一个不连续函数sgn(zn)参与控制,这可能会导致颤振。为了避免这种情况,我们现在提出改进的反步自适应控制方案。此控制系统能有效的增进系统的控制效能，并进一步减少系统对于不确定性的影响程度。因此电机的位置与速度控制可以获得较好的动态特性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无参数信息间隙稳定的压电电机自适应控制方法，该方法使得压电电机自适应控制获得更好的控制效能。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种无参数信息间隙稳定的压电电机自适应控制方法，提供一压电电机自适应控制系统包括基座和设于基座上的压电电机，所述压电电机一侧输出轴与光电编码器相连接，另一侧输出轴与飞轮惯性负载相连接，所述飞轮惯性负载的输出轴经联轴器与力矩传感器相连接，所述光电编码器的信号输出端、所述力矩传感器的信号输出端分别接至控制系统，所述控制系统建立在反步计算的基础上，从而能获得更好的控制效能。
在本发明一实施例中，所述控制系统包括压电电机驱动控制电路，所述压电电机驱动控制电路包括控制芯片电路和驱动芯片电路，所述光电编码器的信号输出端与所述控制芯片电路的相应输入端相连接，所述控制芯片电路的输出端与所述驱动芯片电路的相应输入端相连接，以驱动所述驱动芯片电路，所述驱动芯片电路的驱动频率调节信号输出端和驱动半桥电路调节信号输出端分别与所述压电电机的相应输入端相连接；所述控制系统采用的反步自适应控制器设于所述控制芯片电路中。
在本发明一实施例中，该方法具体实现如下，
压电电机驱动系统的动态方程可以写为：
其中，m是未知的正参数，c是不确定参数，Φ表示非线性分量，f(t)是未知的外部干扰，u(t)是控制输入，在结构体系中，m和c分别为质量和阻尼系数，恢复力Φ表示压电材料的滞后行为，x为位置，u(t)为由适当的致动器f(t)提供的主动控制力，其被描述为f(t)＝-ma(t)，其中a(t)是振动加速度；
恢复力Φ以下列形式描述
Φ(x,t)＝αkx(t)+(1-α)Dkz(t) (2)
z为滞后部分涉及辅助变量，在x和z之间有滞后关系；参数A，β和λ控制滞后曲线的长度、宽度和滞回区间的大小，n是一个整数，由实验数据确定；
该模型通过弹性分量αkx(t)和滞后分量(1-α)Dkz的叠加代表恢复力Φ(x,t)，其中D>0产生恒定位移，α为预产量比率，滞后部分涉及辅助变量z，它是非线性第一阶非线性方程(3)的解；
在后台步骤中，进行以下坐标变换
其中，是在第i个循环的第q步的虚拟控制；具体的虚拟控制过程如下，
第1步：从稳定误差的方程开始，从公式(4)和(5)得到
虚拟控制率设计为
其中，和是正设计参数，是θi的估计，是的估计；
在式(8)中设计来补偿其他子系统的交互作用或其自身的未建模部分的影响子系统；从式(6)和(7)可得：
其中，令
考虑Lyapunov函数
其中，Γi是正定设计矩阵和是正设计参数；检查的导数
选择
其中，和是两个正设计常数；由该选择，可以获得以下性质：
令可得
然后根据式(11)-(19)对的导数进行以下推导
第q(q＝2，...，pi，i＝1，...，N)步：选择虚拟控制率
其中，为正设计参数，表示已知参数；反步自适应控制器采用的自适应控制律和参数更新定律最终给出
其中，和是正设计常数；若是pi阶可微分，会有所区别；所以ωi是可区分的；综上，反步自适应控制器采用自适应控制律和参数更新定律如下：
自适应控制律：
参数更新定律：
从上面的分析，项和是反步自适应控制器用于处理滞后的影响以便确保参数估计的有界性；使用参数更新定律来估计涉及滞后效应和外部干扰的结果；使用反步算法来控制电机转子的旋转角度，再通过计算转子的旋转角度间接控制电机的速度。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明方法采用改进的反步自适应控制器替代传统的反步控制器，传统反步控制器有不连续函数参与控制，这可能会导致颤振；为了减少颤振的发生，本发明使用了改进算法有效的增进系统的控制效能，并进一步减少系统对于不确定性的影响程度，提高了控制的准确性，可以获得较好的动态特性。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图。
图2是本发明实施例的控制电路原理图。
图中，1-光电编码器，2-光电编码器固定支架，3-压电电机输出轴，4-压电电机，5-压电电机固定支架，6-压电电机输出轴，7-飞轮惯性负载，8-飞轮惯性负载输出轴，9-弹性联轴器，10-力矩传感器，11-力矩传感器固定支架，12-基座，13-控制芯片电路，14-驱动芯片电路，15、16、17-光电编码器输出的A、B、Z相信号，18、19、20、21-驱动芯片电路产生的驱动频率调节信号，22-驱动芯片电路产生的驱动半桥电路调节信号，23、24、25、26、27、28-控制芯片电路产生的驱动芯片电路的信号，29-压电电机驱动控制电路。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明的一种无参数信息间隙稳定的压电电机自适应控制方法，提供一压电电机自适应控制系统，包括基座12和设于基座12上的压电电机4，所述压电电机4一侧输出轴3与光电编码器1相连接，另一侧输出轴6与飞轮惯性负载7相连接，所述飞轮惯性负载7的输出轴8经弹性联轴器9与力矩传感器10相连接，所述光电编码器1的信号输出端、所述力矩传感器10的信号输出端分别接至控制系统。
上述压电电机4、光电编码器1、力矩传感器10分别经压电电机固定支架5、光电编码器固定支架2、力矩传感器固定支架11固定于所述基座12上。
如图2所示，上述控制系统包括压电电机驱动控制电路29，所述压电电机驱动控制电路29包括控制芯片电路13和驱动芯片电路14，所述光电编码器1的信号输出端与所述控制芯片电路13的相应输入端相连接，所述控制芯片电路13的输出端与所述驱动芯片电路14的相应输入端相连接，以驱动所述驱动芯片电路14，所述驱动芯片电路14的驱动频率调节信号输出端和驱动半桥电路调节信号输出端分别与所述压电电机4的相应输入端相连接。所述驱动芯片电路14产生驱动频率调节信号和驱动半桥电路调节信号，对压电电机输出A、B两相PWM的频率、相位及通断进行控制。通过开通及关断PWM波的输出来控制压电电机的启动和停止运行；通过调节输出的PWM波的频率及两相的相位差来调节电机的最佳运行状态。
本发明的无参数信息间隙稳定的压电电机自适应控制方法，用反步自适应控制器来控制电机转子的旋转角度。由李亚普诺夫稳定性定理获得反步控制参数的强健性学习法则。本发明控制系统的反步自适应控制器设于所述控制芯片电路中。整个反步自适应控制器的系统建立在反步控制的基础上，在鲁棒控制器的设计上也以反步为其调整函数，从而能获得更好的控制效能。该方法具体实现如下，
压电电机驱动系统的动态方程可以写为：
其中，m是未知的正参数，c是不确定参数，Φ表示非线性分量，f(t)是未知的外部干扰，u(t)是控制输入，在结构体系中，m和c分别为质量和阻尼系数，恢复力Φ表示压电材料的滞后行为，x为位置，u(t)为由适当的致动器f(t)提供的主动控制力，其被描述为f(t)＝-ma(t)，其中a(t)是振动加速度；
恢复力Φ以下列形式描述
Φ(x,t)＝αkx(t)+(1-α)Dkz(t) (2)
z为滞后部分涉及辅助变量，在x和z之间有滞后关系；参数A，β和λ控制滞后曲线的长度、宽度和滞回区间的大小，n是一个整数，由实验数据确定；
该模型通过弹性分量αkx(t)和滞后分量(1-α)Dkz的叠加代表恢复力Φ(x,t)，其中D>0产生恒定位移，α为预产量比率，滞后部分涉及辅助变量z，它是非线性第一阶非线性方程(3)的解；
在后台步骤中，进行以下坐标变换
其中，是在第i个循环的第q步的虚拟控制；具体的虚拟控制过程如下，
第1步：从稳定误差的方程开始，从公式(4)和(5)得到
虚拟控制率设计为
其中，和是正设计参数，是θj的估计，是的估计；
在式(8)中设计来补偿其他子系统的交互作用或其自身的未建模部分的影响子系统；从式(6)和(7)可得：
其中，令
考虑Lyapunov函数
其中，Γi是正定设计矩阵和是正设计参数；检查的导数
选择
其中，和是两个正设计常数；由该选择，可以获得以下性质：
令可得
然后根据式(11)-(19)对的导数进行以下推导
第q(q＝2，...，pi，i＝1，...，N)步：选择虚拟控制率
其中，为正设计参数，表示已知参数；反步自适应控制器采用的自适应控制律和参数更新定律最终给出
其中，和是正设计常数；若是pi阶可微分，会有所区别；所以ωi是可区分的；综上，反步自适应控制器采用自适应控制律和参数更新定律如下：
自适应控制律：
参数更新定律：
从上面的分析，项和是反步自适应控制器用于处理滞后的影响以便确保参数估计的有界性；使用参数更新定律来估计涉及滞后效应和外部干扰的结果；使用反步算法来控制电机转子的旋转角度，再通过计算转子的旋转角度间接控制电机的速度。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种无参数信息间隙稳定的压电电机自适应控制方法，提供一压电电机自适应控制系统包括基座和设于基座上的压电电机，其特征在于：所述压电电机一侧输出轴与光电编码器相连接，另一侧输出轴与飞轮惯性负载相连接，所述飞轮惯性负载的输出轴经联轴器与力矩传感器相连接，所述光电编码器的信号输出端、所述力矩传感器的信号输出端分别接至控制系统，所述控制系统建立在反步计算的基础上，从而能获得更好的控制效能；所述控制系统包括压电电机驱动控制电路，所述压电电机驱动控制电路包括控制芯片电路和驱动芯片电路，所述光电编码器的信号输出端与所述控制芯片电路的相应输入端相连接，所述控制芯片电路的输出端与所述驱动芯片电路的相应输入端相连接，以驱动所述驱动芯片电路，所述驱动芯片电路的驱动频率调节信号输出端和驱动半桥电路调节信号输出端分别与所述压电电机的相应输入端相连接；所述控制系统采用的反步自适应控制器设于所述控制芯片电路中；该方法具体实现如下，
压电电机驱动系统的动态方程可以写为：
其中，m是未知的正参数，c是不确定参数，Φ表示非线性分量，f(t)是未知的外部干扰，u(t)是控制输入，在结构体系中，m和c分别为质量和阻尼系数，恢复力Φ表示压电材料的滞后行为，x表示振荡器的位置，u(t)为由适当的致动器f(t)提供的主动控制力，其被描述为f(t)＝-ma(t)，其中a(t)是振动加速度；
恢复力Φ以下列形式描述
Φ(x,t)＝αkx(t)+(1-α)Dkz(t) (2)
z为滞后部分涉及辅助变量，在x和z之间有滞后关系；参数A，β和λ控制滞后曲线的长度、宽度和滞回区间的大小，n是一个整数，由实验数据确定；
恢复力Φ(x,t)通过弹性分量αkx(t)和滞后分量(1-α)Dkz的叠加代表恢复力Φ(x,t)，其中D>0产生恒定位移，α为预产量比率，滞后部分涉及辅助变量z，它是非线性第一阶非线性方程(3)的解；
在后台步骤中，进行以下坐标变换
其中，是在第i个循环的第q步的虚拟控制；具体的虚拟控制过程如下，
第1步：从稳定误差的方程开始，从公式(4)和(5)得到
虚拟控制率设计为
其中，和是正设计参数，是θi的估计，是的估计；
在式(8)中设计来补偿其他子系统的交互作用或其自身的未建模部分的影响子系统；从式(6)和(7)可得：
其中，令
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其中，和是两个正设计常数；由该选择，可以获得以下性质：
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