CN110077028B - 伺服压力机全闭环非线性预测控制方法与系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及伺服压力机应用技术领域，特别公开了一种伺服压力机全闭环非线性预测控制方法与系统。本发明以伺服压力机的滑块为直接控制对象，全闭环控制涵盖了电机的位置控制、滑块的位置控制，由于滑块上安装光栅尺位置传感器的精确度很高，可充分考虑到伺服压力机的传动系统误差、电机控制误差等因素，大大减少了标定过程中的工作量，可实现压力机的直接全闭环控制方法。本发明能够直接控制伺服压力机的滑块位置，并通过对伺服电机施加广义预测控制的算法策略进行控制，从而实时的在线调整滑块位置。

Description

伺服压力机全闭环非线性预测控制方法与系统
（一）技术领域
本发明涉及伺服压力机应用技术领域，特别涉及一种伺服压力机全闭环非线性预测控制方法与系统。
（二）背景技术
伺服压力机的控制方法分为开环、半闭环、全闭环三种方式。传统的压力机开环控制系统主要是采用感应电机作为压力机的动力源，变频器作为控制变换单元和放大单元。电机输出轴带动飞轮及大齿轮进行旋转，在电机输出轴中心处安装角度传感器，可根据当前角度计算滑块的位置，从而进行生产和加工工艺。
随着加工工艺要求提高，滑块的位置控制精度也随之提高，半闭环控制方式也逐渐出现，与之前的控制方式相比，除了电机自带角度传感器作为伺服电机的转子位置检测，在曲柄的输出轴中心处，也添加了位置反馈传感器，此种控制方式的控制对象更加接近最终控制目标滑块，通过传动系统的非线性推导和计算，可间接得到滑块的位置。
采用此种开环和半闭环的控制方法时，在实际生产和工作时，必须提前进行滑块位置的标定，此项工作包括滑块与曲柄的角度关系标定、滑块与小滑块（连杆压力机中存在）的关系标定、滑块调整装置之间的关系标定，会占据一定的开发和调试时间。
采用上述方式控制时，由于忽略了现实中从电机到滑块之间的传动系统误差、滑块运行过程中的机床变形及齿轮间隙等，在根据电机角度或者曲柄角度推导过程中会有很大的系统误差，这些误差在高精度生产加工时会直接影响重复定位精度和位置控制精度。
（三）发明内容
本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种控制清晰准确、重复定位精度和绝对控制精度高的伺服压力机全闭环非线性预测控制方法与系统。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种伺服压力机全闭环非线性预测控制方法，以连接伺服电机的伺服压力机为操作对象，其特征在于：
（1）建立伺服压力机的传动系统动力学模型，根据传动系统动力学模型建立物理模型，并根据形式表达为数学矩阵形式；
（2）建立伺服电机的控制模型，根据电流采样部分对电机三相电流、直流母线的采样，计算伺服电机的当前位置和转矩，并对驱动伺服电机的电压进行控制；
（3）在伺服压力机的滑块位置处安装光栅尺位移传感器，建立位置预测控制算法，其中包括价值函数的选择、约束条件的限制和积分位置函数的处理，输出目标矢量电压，控制电机的实际运行。
本发明以伺服压力机的滑块为直接控制对象，全闭环控制涵盖了电机的位置控制、滑块的位置控制，由于滑块上安装光栅尺位置传感器的精确度很高，可充分考虑到伺服压力机的传动系统误差、电机控制误差等因素，大大减少了标定过程中的工作量，可实现压力机的直接全闭环控制方法，提高了伺服压力机的产品生产加工工艺，提高模具寿命。
本发明的更优技术方案为：
步骤（1）中，伺服压力机传动系统动力学模型的建立采用格朗日定理、哈密顿原理或雅克比矩阵中的一种或多种方式。结合几何限制和完整约束关系，充分选择合理自由度为1，可利用曲柄的角度直接将曲柄连杆的表达式简化为可表达方程。
步骤（2）中，伺服电机控制模型的建立包括永磁同步电机的电压方程、采集的三相电机电流和电机位置传感器信号共同构建clarke转换模型、park转换模块、矢量控制的矢量选择和构建，其中，电压方程为：；。
步骤（3）中，位置预测控制算法的建立方法为，根据伺服电机控制模型建立的方程，给定位置计算模块、转矩计算调整模块和电流计算模块，其中，位置计算模块的输入为目标滑块位置和实际滑块位置，输出为目标速度；转矩计算调整模块的为目标转矩模块和实际转矩，电流计算模块的输入为dq坐标电流；，通过电压方程和角度变换方式，结合预测控制算法的方法，输出目标矢量电压，控制电机的实际运行。
预测控制算法的建立采用受控自回归积分滑动平均过程模型，离散差分方程表达形式为，其中，u、y是系统的输入和输出，/>表示为均值为零，方差为σ2的白噪声；△=1－z-1，为差分算子。
所述伺服电机的纯延时d=1，若大于1，则多项式B(z-1)中前d-1项系数为零；此时，，/>，/>，设C(z-1)=1，作数学处理，差分算子△乘两边得到/>，式中，/>。
实现上述预测控制方法的系统，包括具有伺服电机的伺服压力机，所述伺服压力机上设置有整机控制器和位于工作平台上的滑块，控制器通过伺服电机算法控制连接伺服电机，伺服电机通过传动系统和连杆机构牵引滑块，滑块位置所在处的工作平台上安装有光栅尺位移传感器，光栅尺位移传感器反馈信号至控制器，且伺服电机通过传感器将采集信号反馈至控制器。
所述连接伺服电机的传感器上设置有位置检测单元、速度检测单元和转矩检测单元。
所述伺服电机为永磁同步电机。
本发明能够直接控制伺服压力机的滑块位置，并通过对伺服电机施加广义预测控制的算法策略进行控制，从而实时的在线调整滑块位置，保证滑块位置都是按照冲压工艺进行动作，明显提高了压力机对产品的质量提升；进一步地，本发明的控制过程采用了非线性控制的全闭环控制策略，实现了预测控制，可大大加快滑块运动速度。
（四）附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明系统的连接结构示意图；
图2为本发明系统的控制原理图。
图中，1控制器，2伺服电机，3滑块，4工作平台，5光栅尺位移传感器，6传动系统，7电机传感器。
（五）具体实施方式
附图为本发明的一种具体实施例。该实施例连接伺服电机2的伺服压力机，所述伺服压力机上设置有控制器1和位于工作平台4上的滑块3，控制器1通过伺服电机算法控制连接伺服电机2，伺服电机2通过传动系统6牵引滑块3，滑块3位置所在处的工作平台4上安装有光栅尺位移传感器5，光栅尺位移传感器5连接控制器1，且伺服电机2通过电机传感器7连接控制器1。所述连接伺服电机2的电机传感器7上设置有位置检测单元、速度检测单元和转矩检测单元；所述伺服电机2为永磁同步电机。
本发明提供一种可直接控制滑块位置的全闭环控制方法，包括传动系统动力学模型建立，根据伺服压力机的传动模型建立物理模型，并根据形式表达为数学矩阵形式；电机控制模型建立，根据电流采样部分对电机三相电流、直流母线的采样，计算伺服电机的当前位置和转矩，并对驱动伺服电机的电压进行控制；位置预测控制算法的建立，包括价值函数的选择、约束条件的限制和积分位置函数的处理等。所述的伺服压力机的数学建模进一步包括通过拉格朗日定理、哈密顿原理、雅可比矩阵等。如，
结合几何限制和完整约束关系，充分选择合理自由度为1，可利用曲柄的角度直接将曲柄连杆的表达式简化为可表达方程。
电机控制模型建立，则一进步包括了永磁同步电机的电压方程、采集的三相电机电流和电机位置传感器信号共同构建clarke转换模型、park转换模块、矢量控制的矢量选择和构建，其中电压方程如下所示：
；
。
位置预测控制算法的建立，则可进一步的根据模型建立的方程，给定位置计算模块，输入为目标滑块位置和实际滑块位置，输出为目标速度；转矩计算调整模块，输入为目标转矩模块和实际转矩；电流计算模块，输入为dq坐标电流，通过电压方程和角度变换等方式，结合预测控制算法的方法，可输出目标矢量电压，控制电机的实际运行。
测控制采用受控自回归积分滑动平均过程模型（CARIMA），具有可描述非平稳扰动、系统输出稳态误差为零，消除由阶跃扰动引起偏差的特点，离散差分方程表达形式为：
，
式中，u、y是系统的输入和输出，表示为均值为零，方差为σ2的白噪声；△=1－z-1，为差分算子。
被控对象伺服电机的纯延时d=1，如果大于1，则多项式B(z-1)中前d-1项系数为零。此时：
，
，
，
设C(z-1)=1，作数学处理，差分算子△乘两边得到：
，式中，/>。
上述具体实现过程中，首先需要在伺服压力机的滑块位置处安装高精度的光栅尺位移传感器，提供被控对象精确的位置控制反馈测量值，其次需要知晓完善的传动机构模型和电机参数；控制过程中可利用伺服驱动器的核心单元进行上述具体细节控制方案的编程。
本发明可解决伺服压力机直接控制滑块运动的目的，控制目标更加清晰和准确，而不再采取之前的控制方案中的运动学关系推导折算到电机侧；采用本发明方法实现过程中，可实现滑块控制过程无超调，并能施加其他约束条件，如压力机的吨位限制等；由于考虑非线性传动系统，较之前的控制方式，准确地掌握了滑块的位置，使得重复定位精度和绝对控制精度大大提高。

Claims (4)

1.一种伺服压力机全闭环非线性预测控制方法，以连接伺服电机的伺服压力机为操作对象，其特征在于：
（1）建立伺服压力机的传动系统动力学模型，根据传动系统动力学模型建立物理模型，并根据形式表达为数学矩阵形式；
伺服压力机传动系统动力学模型的建立采用格朗日定理、哈密顿原理或雅克比矩阵中的一种或多种方式；
（2）建立伺服电机的控制模型，根据电流采样部分对伺服电机三相电流、直流母线的采样，计算伺服电机的当前位置和转矩，并对驱动伺服电机的电压进行控制；
伺服电机控制模型的建立包括永磁同步电机的电压方程、采集的三相电机电流和电机位置传感器信号共同构建clarke转换模型、park转换模块、矢量控制的矢量选择和构建，其中，电压方程为：；/>；
（3）在伺服压力机的滑块位置处安装光栅尺位移传感器，建立位置预测控制算法，其中包括价值函数的选择、约束条件的限制和积分位置函数的处理，输出目标矢量电压，控制电机的实际运行；
位置预测控制算法的建立方法为，根据伺服电机控制模型建立的方程，给定位置计算模块、转矩计算调整模块和电流计算模块，其中，位置计算模块的输入为目标滑块位置和实际滑块位置，输出为目标速度；转矩计算调整模块的输入为目标转矩和实际转矩，电流计算模块的输入为dq坐标电流；通过电压方程和角度变换方式，结合预测控制算法的方法，输出目标矢量电压，控制电机的实际运行；
预测控制算法的建立采用受控自回归积分滑动平均过程模型，离散差分方程表达形式为，其中，u、y是系统的输入和输出，/>表示为均值为零，方差为σ2的白噪声；△=1－z-1，为差分算子；
所述伺服电机的纯延时d=1，若大于1，则多项式B(z-1)中前d-1项系数为零；此时，，/>，/>，设C(z-1)=1，作数学处理，差分算子△乘两边得到/>，式中，。
2.实现权利要求1所述预测控制方法的系统，包括连接伺服电机的伺服压力机，其特征在于：所述伺服压力机上设置有控制器和位于工作平台上的滑块，控制器通过伺服电机算法控制连接伺服电机，伺服电机通过传动系统牵引滑块，滑块位置所在处的工作平台上安装有光栅尺位移传感器，光栅尺位移传感器连接控制器，且伺服电机通过电机传感器连接控制器。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：所述连接伺服电机的电机传感器上设置有位置检测单元、速度检测单元和转矩检测单元。
4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：所述伺服电机为永磁同步电机。
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