CN110161839B - 反射型激光清除异物装置的转台位置多模态伺服控制方法 - Google Patents

反射型激光清除异物装置的转台位置多模态伺服控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种反射型激光清除异物装置的转台位置多模态伺服控制方法，设置系统运动模态以及各模态对应的控制律，构建基于参数辨识的多模态PID控制器；采用RLS惯量辨识算法获取转台的转动惯量；根据跟踪误差、误差变化量、转动惯量切换控制律，实现转台位置的多模态PID控制。本发明通过在线辨识转动惯量和跟踪误差，调用不同的控制律，提高了转台驱动定位效率和精度。

Description

反射型激光清除异物装置的转台位置多模态伺服控制方法
技术领域
本发明涉及智能化高压输电线异物清除技术，具体涉及一种反射型激光清除异物装置的转台位置多模态伺服控制方法。
背景技术
激光清除异物装置使用图像识别技术获取目标即异物点的位置，驱动搭载激光器的转台对目标进行实时跟踪。目前的伺服控制系统主要为串级三环PID控制结构，由内而外分别为电流环、速度环、位置环，其中位置环控制器在最外环，其性能直接影响位置跟踪的精度和响应速度。现有技术多采用PID控制器进行位置控制。但是，对反射型激光清除异物装置来说，位置指令由图像识别结果给定，而图像本身存在噪声，且异物在随风摆动时速度不定，难以设定高质量的前馈信号，传统的PID位置控制精度较差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种反射型激光清除异物装置的转台位置多模态PID控制方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种反射型激光清除异物装置的转台位置多模态PID控制方法，包括如下步骤：
步骤1、设置系统运动模态以及各模态对应的控制律，构建基于参数辨识的多模态PID控制器；
步骤2、采用RLS惯量辨识算法获取转台的转动惯量；
步骤3、根据跟踪误差、误差变化量、转动惯量切换控制律，实现转台位置的多模态控制。
步骤1中，根据跟踪误差的变化情况将系统划分为6个模态，根据转动惯量的变化情况将系统划分为2个模态，总共对应8种控制律，具体如表1和表2所示，系统工作时会处于表1和表2的模态；
表1基于跟踪误差的变化情况的系统运动模态划分表
Figure BDA0002061781310000011
Figure BDA0002061781310000021
表中，e0>e1>e2>e3和ve0为系统模态切换的阈值，e(k)为跟踪误差，
Figure BDA0002061781310000024
为误差的微分(变化量)，Kp0,Kp1,Kp2,Kp3,Kp4,Kd0,Kd1,Ki0,Ki1,Ki2为PID控制器的参数，U0为根据系统参数确定的提供最大加速度所需要的控制量；
表2基于转动惯量变化情况的系统运动模态划分表
编号 模态特征 控制目标 控制律
7 g<sub>0</sub>(k)减小 转动惯量增大，防止超调和振荡 减小相应控制律参数
8 g<sub>0</sub>(k)增大 转动惯量减小，提高系统响应速度 增大相应控制律参数
步骤2中，获取转台转动惯量的具体方法为：
步骤2.1、根据最小二乘原理，惯量辨识的最小二乘估计公式为：
Figure BDA0002061781310000022
其中，
Figure BDA0002061781310000023
为要辨识的参数向量，K(k)为卡尔曼增益向量，x(k)为输出向量，φ(k-1)T＝[x(k-1)x(k-2)u(k-1)]为测量到的数据向量，f为遗忘因子，取值范围为0.95～1，P(k)为协方差矩阵；
步骤2.2、建立频域下的永磁同步电机的运动方程，将其转换到离散域；
步骤2.3、根据惯量辨识公式和离散域的电机运动方程，递推最优参数向量
Figure BDA0002061781310000025
进而反解出电机系统的转动惯量g0(k)。
步骤3中，进行转台位置多模态控制的具体方法为：
步骤3.1、根据跟踪误差及误差变化量从表1中匹配模态，选择对应的控制律；
步骤3.2、根据辨识转动惯量参数从表2匹配模态，根据对应方法调整控制律，从而实现转台位置的多模态控制。
控制律中微分环节采用微分先行的方法，积分环节采用积分限幅的方法。
控制律切换采用软切换方式，多个控制律同时作用时，输出由权值系数决定，权值系数由系统状态至各模态的距离确定。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：通过在线辨识转动惯量和跟踪误差，调用不同的控制律，提高了转台驱动定位效率和精度。
附图说明
图1是本发明转台位置多模态伺服控制的原理图。
图2是本发明转台位置多模态伺服控制的过程图。
图3是控制律软切换的原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步说明本发明方案。
本发明反射型激光清除异物装置的转台位置多模态伺服控制方法，基于参数辨识的多模态PID控制器，进行位置环控制。多模态PID控制器的结果如图1所示，其模态划分和控制律设计需要实时辨识转台的转动惯量参数。常用的在线惯量辨识方法主要有朗道自适应递推估计、状态观测器估计、模型参考自适应法、最小二乘递推(Recursive LeastSquare,RLS)算法、蚁群算法等。由于RLS惯量辨识算法能够在含有白噪声的系统中获得参数的无偏估计，且易于实现。因此本发明使用RLS惯量辨识算法对转台系统的转动惯量进行在线辨识，再根据转动惯量和偏差及偏差变化情况设计控制律进行多模态控制。
如图2所示，反射型激光清除异物装置的转台位置多模态伺服控制方法，包括如下步骤：
步骤1、设置系统运动模态以及各模态对应的控制律，构建基于参数辨识的多模态PID控制器。
本发明根据跟踪误差的变化情况将系统划分为6个模态，根据转动惯量的变化情况将系统划分为2个模态，总共对应8种控制律，具体如表1和表2所示，系统工作时会处于表1和表2的模态，如系统可能同时处于模态3和模态7。
表1基于跟踪误差的变化情况的系统运动模态划分表
Figure BDA0002061781310000041
表中，e0>e1>e2>e3和veo为系统模态切换的阈值，e(k)为跟踪误差，
Figure BDA0002061781310000044
为误差的微分(变化量)，Kp0,Kp1,Kp2,Kp3,Kp4,Kd0,Kd1,Ki0,Ki1,Ki2为PID控制器的参数，U0为根据系统参数确定的提供最大加速度所需要的控制量
表2基于转动惯量变化情况的系统运动模态划分表
编号 模态特征 控制目标 控制律
7 g<sub>0</sub>(k)减小 转动惯量增大，防止超调和振荡 减小相应控制律参数
8 g<sub>0</sub>(k)增大 转动惯量减小，提高系统响应速度 增大相应控制律参数
步骤2、采用RLS惯量辨识算法获取转台的转动惯量，供模态划分和控制律设计使用。
步骤2.1、根据最小二乘原理，惯量辨识的最小二乘估计公式为：
Figure BDA0002061781310000042
其中，
Figure BDA0002061781310000043
为要辨识的参数向量，K(k)为卡尔曼增益向量，x(k)为输出向量，φ(k-1)T＝[x(k-1)x(k-2)u(k-1)]为测量到的数据向量，f为遗忘因子，取值范围为0.95～1，P(k)为协方差矩阵。
步骤2.2、建立频域下的永磁同步电机的运动方程，将其转换到离散域；
步骤2.3、根据惯量辨识公式和离散域的电机运动方程，递推最优参数向量
Figure BDA0002061781310000051
进而反解出电机系统的转动惯量g0(k)。
步骤3、根据跟踪误差e、误差变化量
Figure BDA0002061781310000052
转动惯量g0(k)切换控制律，实现转台位置的多模态控制。
步骤3.1、根据e(k)及
Figure BDA0002061781310000053
从表1中匹配模态，选择对应的控制律；
步骤3.2、根据辨识转动惯量参数从表2匹配模态，根据对应方法调整控制律，从而实现转台位置的多模态控制，以有效清除异物。控制原理如图2所示。
为防止PID控制中微分器放大噪声和积分器输出饱和，各控制律中微分环节采用微分先行的方法，积分环节采用积分限幅的方法。
为防止控制律突然切换导致的控制器输出量突变，影响系统的动态性能，控制律切换采用软切换方式，多个控制律同时作用，其输出大小由权值系数决定。权值系数由系统状态至各模态的距离确定，实时调整，实现控制律平滑切换，保证响应的稳定性。切换原理如图3所示。

Claims (4)

1.反射型激光清除异物装置的转台位置多模态PID控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、设置系统运动模态以及各模态对应的控制律，构建基于参数辨识的多模态PID控制器；
步骤2、采用RLS惯量辨识算法获取转台的转动惯量；
步骤3、根据跟踪误差、误差变化量、转动惯量切换控制律，实现转台位置的多模态控制；
步骤1中，根据跟踪误差的变化情况将系统划分为6个模态，根据转动惯量的变化情况将系统划分为2个模态，总共对应8种控制律，具体如表1和表2所示，系统工作时会处于表1和表2的模态；
表1基于跟踪误差的变化情况的系统运动模态划分表
Figure FDA0003682449610000011
表中，e0>e1>e2>e3和veo为系统模态切换的阈值，e(k)为跟踪误差，
Figure FDA0003682449610000013
为误差的微分，Kp0,Kp1,Kp2,Kp3,Kp4,Kd0,Kd1,Ki0,Ki1,Ki2为PID控制器的参数，U0为根据系统参数确定的提供最大加速度所需要的控制量；
表2基于转动惯量变化情况的系统运动模态划分表
Figure FDA0003682449610000012
表中，g0(k)表示电机系统的转动惯量；
步骤3中，进行转台位置多模态控制的具体方法为：
步骤3.1、根据跟踪误差及误差变化量从表1中匹配模态，选择对应的控制律；
步骤3.2、根据辨识转动惯量参数从表2匹配模态，根据对应方法调整控制律，从而实现转台位置的多模态控制。
2.根据权利要求1所述的转台位置多模态PID控制方法，其特征在于，步骤2中，获取转台转动惯量的具体方法为：
步骤2.1、根据最小二乘原理，惯量辨识的最小二乘估计公式为：
Figure FDA0003682449610000021
其中，
Figure FDA0003682449610000022
为要辨识的参数向量，K(k)为卡尔曼增益向量，x(k)为输出向量，φ(k-1)T＝[x(k-1)x(k-2)u(k-1)]为测量到的数据向量，f为遗忘因子，取值范围为0.95～1，P(k)为协方差矩阵；
步骤2.2、建立频域下的永磁同步电机的运动方程，将其转换到离散域；
步骤2.3、根据惯量辨识公式和离散域的电机运动方程，递推最优参数向量
Figure FDA0003682449610000023
进而反解出电机系统的转动惯量g0(k)。
3.根据权利要求1所述的转台位置多模态PID控制方法，其特征在于，控制律中微分环节采用微分先行的方法，积分环节采用积分限幅的方法。
4.根据权利要求1所述的转台位置多模态PID控制方法，其特征在于，控制律切换采用软切换方式，多个控制律同时作用时，输出由权值系数决定，权值系数由系统状态至各模态的距离确定。
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