CN108563210A - 一种基于微分预测的零位自动标定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种基于微分跟踪器的零位自动标定方法，通过微分跟踪算法从位置被控对象的位置反馈测量信号计算其导数，并综合位置对象物理特性、执行机构物理特性和位置对象零位特性获取执行机构零位特征数据，并使用比例‑积分控制算法控制对象的速度与位置，以重新标定位置系统的零位，解决由于零位漂移引起的控制不稳定和精度差的稳态。本发明具有运算量小、稳定性好、且在系统不需增加新的速度传感的情况下自动寻优标定系统零位以解决零位漂移问题。

Description

一种基于微分预测的零位自动标定方法
技术领域
本发明属于工程控制技术领域，具体的说是一种基于微分预测的零位自动标定方法。
背景技术
由于外部供电、传感器自身误差、控制器自身控制精度、被控对象摩擦系数的差异，会引起被控对象的位置零位漂移的问题。因此需要定期对位置零位进行标定，目前常用的标定方法存在以下两方面的不足。
一方面，现有位置控制系统实现零位标定功能时不仅需要位置感器，而且还需要速度传感器，从而使系统复杂性和重量增加。
另一方面，现有位置控制系统通常采用手动校准的方法以实现零位标定功能。手动标定的方法操作过程复杂，而且容易造成被控对象同外界环境的接触力过大，引起被控对象发生形变；或者是被控对象并未到达零位，而使控制误差增大，影响控制系统的一致性、重复性和精度等品质。
发明内容
发明目的：为了解决传统标定方法的不足，提出一种基于微分预测的零位自动标定方法。
技术方案：一种基于微分预测的零位自动标定方法；包括以下步骤：
1)、获取k时刻的位置信号S(k)；
2)、采用预测算法计算k时刻的位置速度信号V(k)；
3)、判断S(k)>GL是否成立；
4)、若3)成立执行步骤5)，若3)不成立则执行步骤7)；
5)、计算位置跟踪加速度误差ev，其中，ev＝v1–v；
6)、对计算位置跟踪加速度v进行闭环反馈控制，使被控对象的速度稳定在V1，返回步骤1)；
7)、判断(v(k)>＝v1-vx且持续3次)是否成立；
8)、若7)不成立，执行步骤5)，否则执行步骤9)；
9)、记录当前时刻的位置值并将其作为基值S*(k)，以此计算位置闭环的目标值S1＝S*(k)+β，β是被控对象的位置稳态误差ess的函数，取β＝2*ess；
10)、计算位置误差es，其中，es＝S1–S(k)；
11)、对计算位置S进行闭环反馈控制，使被控对象的位置稳定在S1；
12)、被控对象的位置稳定在S1，即接触力F∈[5 100]N时，记录连续10次位置数据S0、S1、...、S9，并计算其均值Sm，并将Sm作为位置控制系统的新零位；
其中：
X：状态计数器标识被控对象是否与外界环境发生硬接触，X＝1表示硬接触；
GL：维护人员根据控制系统的安装误差预留的标定范围，GL∈[0 1.0]；
S：电位计采集的角位置；
V：微分预测预测的角速度；
S1：被控对象与环境硬接触时刻位置传感器记录的采集值，同时也是位置闭环PI控制的角位置期望值；
V1：速度闭环PI控制的期望角速度值；
es：位置误差，es＝S1–S；
es：速度误差，vs＝v1–v；
vx：是综合被控对象物理特性、执行机构物理特性和位置对象零位特性，通过试验获取的零位特征速度数据。
有益技术效果
1、使得外场维护人员的维护时间明显减少。
2、使系统零位标定的重复性和精度大大提高。
3、使控制系统减少了一个速度传感器及线缆，从而使系统重量显著减轻。
4、确保接触力远小于100N，防止了被控对象在大作用力下的形变。
附图说明
图1方法实现流程图
图2台架试验18V供电电压下的自动标定试验数据
图3台架试验24V供电电压下的自动标定试验数据
图4台架试验28V供电电压下的自动标定试验数据图
图5台架试验32V供电电压下的自动标定试验数据图
图6台架试验28V供电电压下PWM偏差2％的自动标定试验数据
具体实施方式
以某位置调节系统零位标定为例，具体实施步骤如下：
1)、获取k时刻的位置信号S(k)；
2)、采用预测算法计算k时刻的位置速度信号V(k)；
3)、判断S(k)>1.0是否成立；
4)、若3)不成立执行步骤5)，否则执行步骤7)；
5)、计算位置跟踪加速度误差ev，其中，ev＝-0.55–v；
6)、采用比例-积分(PI)控制算法对计算位置跟踪加速度v进行闭环反馈控制，使被控对象的速度稳定在V1，返回步骤1)；
7)、判断(v(k)>＝-0.45&&连续15ms)是否成立；
8)、若7)不成立，执行步骤5)，否则执行步骤9)；
9)、记录当7)成立时刻的位置值并将其作为基值S*(k)＝0.01，以此计算位置闭环的目标值S1＝S*(k)+β，其中β是被控对象的位置稳态误差ess的函数，这里取β＝2*ess，ess＝0.25；
10)、计算位置误差es，其中，es＝0.01+0.5–S(k)；
11)、采用比例-积分(PI)控制算法对计算位置S进行闭环反馈控制，使被控对象的位置稳定在S1；
12)、位置闭环PI控制稳定后，记录连续10次位置数据S0、S1、...、S9，并计算其均值Sm，并将Sm作为位置控制系统的新零位，如表1。
表1试验数据1
S0 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 Sm
0.512 0.507 0.506 0.516 0.514 0.511 0.508 0.508 0.507 0.512 0.5101
在上述方法的基础上，预测算法采用微分跟踪器算法(TD算法)实现，具体计算方法如下：离散化形式的数字方程如式1,2所示：
x1(k+1)＝x1(k)+h*x2(k) (l)
其中：
u0：被跟踪的输入信号，在此即为电位计采集的进排气门位置信号；
x1：被跟踪信号u0的估计跟踪位置值；
x2：被跟踪信号u0的估计跟踪位置值的微分；
h：离散化采样步长；
fst：为微分跟踪非线性函数；
r：滤波因子。
附图2到图6的试验数据进行特征数据统计，统计结果如表2所示。
表2试验数据2
序号 供电电压 稳态PWM S1值 位置稳态值 接触力
1 18V 45.17 0.513 0.516 40N
2 24V 46.45 0.512 0.514 30N
3 28V 46.96 0.509 0.512 13N
4 32V 47.33 0.507 0.506 9N
5 28V+2％PWM 46.67 0.508 0.507 16N
由不同试验环境下的实验结果发现，本发明提出的零位标定算法一致性和重复性非常好，而且控制精度高，不仅能够保证被控对象与外部环境接触，而且能确保接触力远小于100N，防止了被控对象在大作用力下的形变。

Claims (3)

1.一种基于微分预测的零位自动标定方法；其特征在于：包括以下步骤：
1)、获取k时刻的位置信号S(k)；
2)、采用预测算法计算k时刻的位置速度信号V(k)；
3)、判断S(k)>GL是否成立；
4)、若3)成立执行步骤5)，若3)不成立则执行步骤7)；
5)、计算位置跟踪加速度误差ev，其中，ev＝v1–v；
6)、对计算位置跟踪加速度v进行闭环反馈控制，使被控对象的速度稳定在V1，返回步骤1)；
7)、判断(v(k)>＝v1-vx且持续3次)是否成立；
8)、若7)不成立，执行步骤5)，否则执行步骤9)；
9)、记录当前时刻的位置值并将其作为基值S*(k)，以此计算位置闭环的目标值S1＝S*(k)+β，β是被控对象的位置稳态误差ess的函数，取β＝2*ess；
10)、计算位置误差es，其中，es＝S1–S(k)；
11)、对计算位置S进行闭环反馈控制，使被控对象的位置稳定在S1；
12)、被控对象的位置稳定在S1，即接触力F∈[5 100]N时，记录连续10次位置数据S0、S1、...、S9，并计算其均值Sm，并将Sm作为位置控制系统的新零位；
其中：
X：状态计数器标识被控对象是否与外界环境发生硬接触，X＝1表示硬接触；
GL：维护人员根据控制系统的安装误差预留的标定范围，GL∈[0 1.0]；
S：电位计采集的角位置；
V：微分预测预测的角速度；
S1：被控对象与环境硬接触时刻位置传感器记录的采集值，同时也是位置闭环PI控制的角位置期望值；
V1：速度闭环PI控制的期望角速度值；
es：位置误差，es＝S1–S；
es：速度误差，vs＝v1–v；
vx：是综合被控对象物理特性、执行机构物理特性和位置对象零位特性，通过试验获取的零位特征速度数据。
2.根据权利要求1所述的一种基于微分预测的零位自动标定方法；其特征在于：所述预测算法采用微分跟踪器算法实现，具体计算方法如下：离散化形式的数字方程如式(1)、(2)所示：
x1(k+1)＝x1(k)+h*x2(k) (1)
x2(k+1)＝x2(k)+h*fst(x1(k)，x2(k)，u0(k)，r，h) (2)
其中：
u0：被跟踪的输入信号，在此即为电位计采集的进排气门位置信号；
x1：被跟踪信号u0的估计跟踪位置值；
x2：被跟踪信号u0的估计跟踪位置值的微分；
h：离散化采样步长；
fst：为微分跟踪非线性函数；
r：滤波因子。
3.据权利要求1所述的一种基于微分预测的零位自动标定方法；其特征在于：所述闭环反馈控制采用比例-积分(PI)控制算法。
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