CN109405873A - 一种动态载荷谱快速高精度加载控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动态载荷谱快速高精度加载控制方法，该方法构建n次B样条基函数，针对n次B样条基函数中n+1个基函数的每一个，进行迭代学习，获得的n+1个基函数及其对应的控制量，构成了基函数控制库；令载荷谱的每个起始点和每个结束点均重复3次，形成新的载荷谱；利用基函数控制库中的基函数及其控制量对新的载荷谱进行分段滚动拟合，得到各分段的控制量u及其对应的时间t；将计算出的控制量u，根据对应的时间t输出至变频器，从而控制交流异步变频电机产生相应的加载扭矩。使用本发明能够提高交流异步变频电机的扭矩加载精确度，以及施加载荷与时间的对应性。

Description

一种动态载荷谱快速高精度加载控制方法

技术领域

本发明涉及加载控制技术领域，尤其涉及一种动态载荷谱快速高精度加载控制方法。

背景技术

在发动机、变速箱、整车等设备的试验测试时，为了更好的模拟其实际运转工况，往往需要为其施加一定的载荷谱。载荷谱是指被测对象输出轴上的载荷随被测对象运行时间的变化规律。

比较常用的一种载荷谱模拟方法为交流电力测功机加载方法。其基本原理是将交流异步变频电机的转轴与被测试对象的输出轴相连，被测对象带动交流电机转动，交流异步变频电机由变频器进行控制，变频器工作在转矩控制模式下，控制交流异步变频电机产生一定大小和方向的转矩。当交流异步变频电机输出的转矩和被测对象的转动方向相反时，交流异步变频电机工作在发电机工作模式，可以将被测对象输出的机械能转换为电能，并通过变频器将该电能回馈至电网；反之，当交流异步变频电机输出的转矩和被测对象的转动方向相同时，交流异步变频电机工作在电动机工作模式，变频器从电网取能。

采用交流异步变频电机进行动态载荷谱的加载控制时，具有如下的特点：

(1)载荷谱是事先规划好的，可以通过理论模型获得，也可以在实际实验时测试获得。

(2)变频器工作在转矩控制模式下，变频器的控制指令和交流异步变频电机输出的扭矩之间存在一定的线性对应关系。

同时要实现高精度的实时加载控制，也存在如下的问题需要解决：

(1)在进行加载时，除了交流异步变频电机产生的转矩之外，还存在旋转轴系摩擦转矩、速度变化引起的惯性转矩、安装不同轴引起的不平衡转矩等。这些转矩都会施加到被测试对象的输出轴上，作为其载荷。因此，如何精确计算出变频器的控制指令，使得作用到被测试对象输出轴上的载荷刚好等于理想值，变得十分困难。

(2)动态载荷的值是变化的，包含了从低频到高频的变化成分。加载过程中要求施加到被测对象输出轴上的载荷要严格与时间相对应，而常规的闭环反馈控制算法，一般都存在时间上的滞后，难以做到如此高的实时性。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种基于数据驱动模型逆的动态载荷谱快速高精度加载方法，能够提高交流异步变频电机的扭矩加载精确度，以及施加载荷与时间的对应性。

为了实现上述目标，本发明包括样本库的构建、载荷谱的解构和控制量的综合，具体是这样实现的：

一种动态载荷谱快速高精度加载控制方法，包括如下步骤：

步骤1、构建n次B样条基函数；n为大于或等于2的正整数；

步骤2、针对n次B样条基函数中n+1个基函数的每一个，进行迭代学习，获得控制量：在第j次迭代时，以作为本次迭代对象的基函数作为期望加载扭矩，计算期望加载扭矩与第j-1次迭代时获得的交流异步变频电机的输出扭矩之比，将比值与第j-1次迭代时输入到变频器的控制量相乘，获得第j次迭代的变频器的控制量，并输入到变频器，控制交流异步变频电机，得到第j次迭代的输出扭矩；当迭代结束时，最后一次迭代获得的变频器的控制量作为当前基函数对应的控制量；所述迭代过程中对控制量的计算是将时域信号转换到频域中进行计算再转换回时域完成的；

步骤3、步骤2获得的n+1个基函数及其对应的控制量，构成了基函数控制库；

步骤4、令载荷谱Ω的每个起始点和每个结束点均重复3次，形成新的载荷谱Ω^*；

步骤5、利用基函数控制库中的基函数及其控制量对载荷谱Ω^*进行分段滚动拟合，得到各分段的控制量u及其对应的时间t；将计算出的控制量u，根据对应的时间t输出至变频器，从而控制交流异步变频电机产生相应的加载扭矩。

其中，所述迭代学习以相邻两次迭代获得的加载扭矩误差是否满足要求为迭代结束条件。

优选地，所述步骤5中，每计算一个分段的控制量u及其对应的时间t，就将控制量u根据对应的时间t输出至变频器；并同时计算下一个分段的控制量u及其对应的时间t，以此类推。

有益效果：

(1)该方法利用迭代学习的原理，可以将旋转轴系摩擦转矩、速度变化引起的惯性转矩、安装不同轴引起的不平衡转矩等统一作为外部干扰进行处理，通过数次迭代过程后，就可以消除上述干扰量的影响。

(2)该方法属于前馈控制，不存在反馈控制所固有的时间滞后问题，具有很高的实时性，可以满足动态载荷谱的实时性要求。

(3)常规迭代学习控制要求被控对象的行为不断的重复某一种规律，即载荷谱是由某一段加载规律不断重复组成的。本发明提出的方法则不要求载荷谱是一系列重复规律的组合，而是将未来一段时间内的载荷谱解构为一组已知规律的组合，从而实现控制，具有更强的适用性。

(4)该方法不需要进行在线迭代学习，而是事先建立好样本库，直接利用样本库中的样本就可以组合出控制量，免去了常规的迭代学习控制算法、需要多次迭代后才能达到控制精度的不足。

(5)本发明优选实施例采用边拟合边控制的方案，无需等待，可以实现实时控制。

附图说明

图1为载荷谱加载控制系统组成框图；

图2为基于数据驱动系统逆的迭代学习控制原理图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

令载荷谱的数据结构形式为：Ω＝{(t₀,T₀),(t₁,T₁),…,(t_k,T_k)}。其中k＝0,1,2…为载荷谱对应的序列号，t_k为k个载荷点对应的时间，T_k为第k个载荷点对应的加载扭矩。

如附图1所示，动态载荷谱快速高精度加载装置由控制器、变频器、交流异步变频电机、转矩传感器、被加载对象组成。被加载对象的输出轴通过转矩传感器与交流异步变频电机的输出轴相连接。转矩传感器的作用是检测交流异步变频电机输出的加载转矩。控制器采集期望加载扭矩和扭矩传感器检测到的加载扭矩，通过本发明提出的控制算法计算出控制量，并输入到变频器中，变频器工作在转矩模式下，根据所输入的控制量进一步控制交流异步变频电机产生一定的加载扭矩，使得转矩传感器检测到的加载转矩与期望的加载扭矩相等。

要实现上述控制动态载荷谱加载功能，本发明利用一种基于数据驱动模型逆的迭代学习方法完成加载扭矩的控制。其具体实现如下：

第一步，构造基函数库

本步骤是构建n次B样条基函数；n为大于或等于2的正整数。由于三次B样条基函数可以很好的拟合任意形状曲线，因此本实施例令n＝3，即利用三次B样条基函数构造基函数库，式(1)即为三次B样条基函数N_i,3(i＝0,1,2,3)：

所构造的基函数库中共有n+1＝4个三次多项式函数作为基函数，其中r为基函数变量。

第二步，计算样本库对应的变频器控制量

以式(1)所述的基函数N_i,3(i＝0,1,2,3)作为期望的加载扭矩，通过基于数据驱动模型逆的迭代学习算法，计算出对应的控制量输入，其原理如图2所示。该迭代学习算法的实现过程为：

a.将式(1)中的基函数N_i,3(i＝0)作为期望的加载扭矩，令变频器的输入信号为：

其中，下标i＝0,1,2,3表示第i个B样条基函数，上标j＝0,1,…表示控制算法的迭代次数，α为正实数，其取值只需要满足式(2)所计算出的控制量不超过变频器的控制量输入上、下限即可。

b.步骤a中的控制量输入到变频器后，可以通过转矩传感器采集交流异步变频电机的输出扭矩

c.完成第一次迭代计算过程，计算公式为：

为防止计算过程中出现奇异值，上述式(3)的计算过程需要在频域中完成。即首先将信号进行快速傅里叶变换，从时域转换为频域，计算得到的频域值，然后再将其进行逆傅里叶变换，将从频域转换到时域。

d.以作为变频器的输入信号，控制交流异步变频电机，得到新的输出扭矩计算加载误差

如果加载误差e_j足够小，满足加载精度的要求，则停止迭代过程，将作为B样条基函数N_i,3(i＝0)对应的控制量。如果加载误差超出允许范围，则继续步骤a～d所描述的迭代过程，每重复一次迭代过程，令i＝0,j＝j+1(j自加1)，直至完成本B样条基函数的迭代学习过程，并令当前B样条基函数对应的控制量等于第j次迭代获得的控制量，即

e.当完成一个B样条基函数的迭代学习过程后，令i自加1，重复步骤a～e，进行下一个B样条基函数的迭代学习过程，直至i＝n，完成所有B样条基函数的迭代学习。

第三步，构造基函数控制库

根据第二步的计算，可以得到4个基函数对应的控制量，为u_i,3(i＝0,1,2,3)，由此即可构造出基函数控制库Π＝{(N_0,3,u_0,3),(N_1,3,u_1,3),(N_2,3,u_2,3),(N_3,3,u_3,3)}。

第四步，重新构造载荷谱

令加载谱的起始点和结束点重复3次，即有：

Ω^*＝{(t₀,T₀),(t₀,T₀),(t₀,T₀),(t₁,T₁),…,(t_k,T_k),(t_k,T_k),(t_k,T_k)}(k＝0,1,2…)

将Ω^*中的元素重新编号，写成如下形式：

重复多次的目的是保证通过三次B样条拟合后，所得到的拟合曲线可以从点(t₀,T₀)开始，在点(t_k,T_k)结束。

下面第五步～第七步是利用基函数控制库中的基函数及其控制量对载荷谱Ω^*进行分段滚动拟合，得到每一分段的控制量u及其对应的时间t，然后利用u和t控制交流异步变频电机产生相应的加载扭矩。

在本实施例中，每计算一个分段的控制量u及其对应的时间t，就将控制量u根据对应的时间t输出至变频器；然后再计算下一个分段的控制量u及其对应的时间t，以此类推，其具体过程为：

第五步，控制量计算

根据载荷谱Ω^*的连续四个点，按照如下公式拟合这段时间内的交流异步变频电机加载曲线T，以及与之相对应的变频器的控制量u和输出时间t：

其中，m为当前拟合从载荷谱Ω^*的第m个点开始，t为利用三次B样条基函数对加载谱Ω^*中第m,m+1,m+2,m+3(m＝0)个谱点所对应的时间曲线的拟合；T为对加载谱Ω^*中第m,m+1,m+2,m+3(m＝0)个谱点所对应的转矩曲线的拟合；u为对加载谱Ω^*中第m,m+1,m+2,m+3(m＝0)个谱点所对应的控制量曲线的拟合，也是变频器的控制量输入。

本步骤先取载荷谱Ω^*的前四个点作为第一段，结合公式(5.1)、(5.2)和(5.3)对时间t、扭矩T、控制量u进行拟合；上述公式中的N_i,3和u_i,3来自基函数控制库，t^*和T^*来自重构的载荷谱的前四个点，从而获得第一段对时间t、扭矩T和控制量u的拟合曲线。其中对T的拟合并不是用于控制，而是为了获知施加控制量u后交流异步变频电机的加载扭矩的大小。

第六步，当前控制量的输出及后续控制量的计算

将第五步中计算出的控制量u，根据对应的时间t输出至变频器，从而控制交流异步变频电机产生相应的加载扭矩T。并令m自加1，重复执行第五步中的公式(5.1)～(5.3)，完成第二段曲线拟合。

第七步，循环执行

循环执行第五步和第六步，直至完成所有分段的曲线拟合。本实施例是一边进行拟合一边进行控制，其优点是无需等待，可以实现实时控制。在实际中，也可以将所有分段的控制量及其时间计算出来，然后进行控制。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种动态载荷谱快速高精度加载控制方法，其特征在于，包括：

步骤1、构建n次B样条基函数；n为大于或等于2的正整数；

步骤2、针对n次B样条基函数中n+1个基函数的每一个，进行迭代学习，获得控制量：在第j次迭代时，以作为本次迭代对象的基函数作为期望加载扭矩，计算期望加载扭矩与第j-1次迭代时获得的交流异步变频电机的输出扭矩之比，将比值与第j-1次迭代时输入到变频器的控制量相乘，获得第j次迭代的变频器的控制量，并输入到变频器，控制交流异步变频电机，得到第j次迭代的输出扭矩；当迭代结束时，最后一次迭代获得的变频器的控制量作为当前基函数对应的控制量；所述迭代过程中对控制量的计算是将时域信号转换到频域中进行计算再转换回时域完成的；

步骤3、步骤2获得的n+1个基函数及其对应的控制量，构成了基函数控制库；

步骤4、令载荷谱Ω的每个起始点和每个结束点均重复3次，形成新的载荷谱Ω^*；

步骤5、利用基函数控制库中的基函数及其控制量对载荷谱Ω^*进行分段滚动拟合，得到各分段的控制量u及其对应的时间t；将计算出的控制量u，根据对应的时间t输出至变频器，从而控制交流异步变频电机产生相应的加载扭矩。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述迭代学习以相邻两次迭代获得的加载扭矩误差是否满足要求为迭代结束条件。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤5中，每计算一个分段的控制量u及其对应的时间t，就将控制量u根据对应的时间t输出至变频器；并同时计算下一个分段的控制量u及其对应的时间t，以此类推。