CN111781839B - 一种电动加载系统的自适应鲁棒控制方法及电动加载系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电动加载系统的自适应鲁棒控制方法,所述控制方法包括如下步骤:根据加载系统的实际输出值对加载系统的加载指令进行反推,得到加载系统的速度指令;根据加载系统的实际输出值和加载系统的参数,对加载系统的速度指令进行反推,获得加载系统的电机的q轴电流指令;根据加载系统的实际输出值和加载系统的参数,对加载系统的q轴电流指令进行反推,获得输入给加载系统的电机的电压;并在电压计算过程中采用自适应算法更新加载系统的参数。本发明中的电动加载系统采用自适应鲁棒的控制方法进行控制,可以有效的应对高低温交变环境对电机性能带来的影响,以及外部扰动对加载系统的控制精度带来的影响,实现加载系统精确的位移控制。
Description
技术领域
本发明涉及电动加载技术领域,特别涉及一种电动加载系统的自适应鲁棒控制方法及电动加载系统。
背景技术
伺服加载系统又名负载模拟器,属于伺服控制系统的范畴。伺服加载系统被广泛的应用于航空、航天领域的项目的研制中,如舵机、起落架系统等的加载,用于考核承载对象在近似实际载荷作用下的动态工作情况,以验证其在实际工作中的可行性,给承载对象的性能验证和优化提供重要的参考。但是在实际应用时,其承载对象的实际工作环境可能非常恶劣,这就给加载系统的控制带来了新的挑战,例如航天推进系统的中的密封件,需要长期在太空高低温循环的环境下工作,并且频繁经历开关动作。那么为了在接近真实的工况下对其进行预紧力的加载,就需要研究高低温交变环境下的直线加载。
但是,高低温交变环境下的直线电动加载,在其控制方法上存在有下面两个问题,一:高低温交变环境会使得电机性能发生变化,使得控制模型参数发生变化。二:加载系统本身的具有摩擦、死区等非线性效应,这给控制会带来未知的非线性扰动,这两点都会严重影响加载系统的控制精度。所以,就需要设计合适的控制方法,实现在模型参数变化和存在不确定非线性扰动下的高精度的加载。
发明内容
本发明的目的是提供一种电动加载系统的自适应鲁棒控制方法及电动加载系统,以实现在模型参数变化和存在不确定非线性扰动下的高精度的加载。
为实现上述目的,本发明提供了如下方案:
一种电动加载系统的自适应鲁棒控制方法,所述控制方法包括如下步骤:
采用测量的方式获取加载系统的参数的初始值;
根据加载系统的实际输出值对加载系统的加载指令进行反推,得到加载系统的速度指令;
根据加载系统的实际输出值和加载系统的参数,对加载系统的速度指令进行反推,获得加载系统的电机的q轴电流指令;
根据加载系统的实际输出值和加载系统的参数,对加载系统的q轴电流指令进行反推,获得输入给加载系统的电机的电压;
采用自适应算法更新加载系统的参数,返回步骤“根据加载系统的实际输出值和加载系统的参数,对加载系统的速度指令进行反推,获得加载系统的电机的q轴电流指令”,直到加载系统的加载指令跟踪误差收敛。
可选的,所述根据加载系统的实际输出值对加载系统的加载指令进行反推,得到加载系统的速度指令,具体包括:
根据加载系统的实际输出值,利用公式μ1=μ1a+μ1s,计算速度指令μ1;
其中,μ1a表示第一自适应控制参数,x1d表示位移加载指令,μ1s表示第一鲁棒控制参数,μ1s=-k1e1,k1表示第一误差比例系数,e1表示加载系统的加载指令跟踪误差,当加载指令为位移加载指令时e1=x1-x1d,x1表示加载系统的实际输出位移;当加载指令为力加载指令时, Fs是加载系统的实际输出力,Fd是力加载指令,Kfs是加载件的弹性系数。
可选的,所述根据加载系统的实际输出值和加载系统的参数,对加载系统的速度指令进行反推,获得加载系统的电机的q轴电流指令,具体包括:
根据加载系统的实际输出值和加载系统的参数,利用公式μ2=μ2a+μ2s,计算q轴电流指令μ2;
可选的,所述根据加载系统的实际输出值和加载系统的参数,对加载系统的q轴电流指令进行反推,获得输入给加载系统的电机的电压,具体包括:
根据加载系统的实际输出值和加载系统的参数,利用公式μ3=μ3a+μ3s,计算输入给加载系统的电机的电压μ3;
其中,μ3a表示第三自适应控制参数,x2表示对加载系统的实际输出位移求导后得到的加载系统的输出速度,x3表示输入电机的q轴电流,表示q轴电流指令μ2的实际值的导数,t表示时间,μ3s表示第三鲁棒控制参数,μ3s=-k3e3,k3为第三误差比例系数,e3为加载系统的q轴电流指令跟踪误差,e3=x3-μ2,和分别表示加载系统的第四参数、第五参数、第六参数和第七参数。
可选的,所述采用自适应算法更新加载系统的参数,具体包括:
其中,Γ为表示正定对角矩阵,τ表示自适应函数,τ=φ2e2+φ3e3,φ2为速度指令跟踪相关的参数更新矩阵φ2=[x1 μ2a 1 0 0 0 0],φ3为电流指令跟踪相关的参数更新矩阵,φ3=[k2x1 e2+k2x3 k2 x2 x3 μ3a 1],表示非连续映射函数,·表示带入非连续映射函数的变量,表示加载系统参数的估计值,θmax和θmin分别表示加载系统参数变化的上界和下界。
一种电动加载系统,所述加载系统包括:
电机、底板、丝杠、导轨、滑动平台、螺纹连接杆、测量加载系统的实际输出值的传感器、加载轴和加载控制系统;
所述导轨设置在所述底板上,所述电机的输出轴与所述丝杠连接,所述丝杠安装在所述滑动平台上,所述滑动平台在所述导轨上滑动;
所述螺纹连接杆的一端与所述滑动平台连接,所述螺纹连接杆的另一端与所述传感器连接;
所述传感器与所述加载轴连接,所述加载轴用于连接加载件;
所述加载控制系统与所述电机连接,所述加载控制系统用于采用上述自适应鲁棒控制方法对所述电机进行控制。
可选的,所述加载系统还包括两个底板凸台;
两个所述底板凸台设置于所述底板上,并分别位于所述滑动平台的两侧;
所述丝杠穿过两个所述底板凸台,并分别与两个所述底板突带轴承连接。
可选的,所述传感器包括力传感器;
所述力传感器的一端与所述螺纹连接杆的另一端螺纹连接,所述力传感器的另一端与所述加载轴连接。
可选的,所述传感器包括LVDT传感器;
所述LVDT传感器通过LVDT传感器支架固定在底板上,所述加载轴通过连接片与LVDT传感器连接。
可选的,所述加载控制系统包括:
参数初始值测量模块,用于采用测量的方式获取加载系统的参数的初始值;
速度指令反推模块,用于根据加载系统的实际输出值对加载系统的加载指令进行反推,得到加载系统的速度指令;
q轴电流指令反推模块,用于根据加载系统的实际输出值和加载系统的参数,对加载系统的速度指令进行反推,获得加载系统的电机的q轴电流指令;
电压计算模块,用于根据加载系统的实际输出值和加载系统的参数,对加载系统的q轴电流指令进行反推,获得输入给加载系统的电机的电压;
参数更新模块,用于采用自适应算法更新加载系统的参数,调用“q轴电流指令反推模块”,执行步骤“根据加载系统的实际输出值和加载系统的参数,对加载系统的速度指令进行反推,获得加载系统的电机的q轴电流指令”,直到加载系统的加载指令跟踪误差收敛。
根据本发明提供的具体实施例,本发明公开了以下技术效果:
本发明公开了一种电动加载系统的自适应鲁棒控制方法,所述控制方法包括如下步骤:根据加载系统的实际输出值对加载系统的加载指令进行反推,得到加载系统的速度指令;根据加载系统的实际输出值和加载系统的参数,对加载系统的速度指令进行反推,获得加载系统的电机的q轴电流指令;根据加载系统的实际输出值和加载系统的参数,对加载系统的q轴电流指令进行反推,获得输入给加载系统的电机的电压;并在电压计算过程中采用自适应算法更新加载系统的参数。本发明中的电动加载系统采用自适应鲁棒的控制方法进行控制,可以有效的应对高低温交变环境对电机性能带来的影响,以及外部扰动对加载系统的控制精度带来的影响,实现加载系统精确的位移控制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种电动加载系统的自适应鲁棒控制方法的流程图;
图2为本发明提供的一种电动加载系统的自适应鲁棒控制方法的效果图;
图3为本发明提供的电动加载系统的结构图。
具体实施方式
本发明的目的是提供一种电动加载系统及其控制方法,以实现在模型参数变化和存在不确定非线性扰动下的高精度的加载。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图和具体实施方式对发明作进一步详细的说明。
如图1所示,本发明提供一种电动加载系统的自适应鲁棒控制方法,所述控制方法包括如下步骤:
步骤101,采用测量的方式获取加载系统的参数的初始值;
步骤102,根据加载系统的实际输出值对加载系统的加载指令进行反推,得到加载系统的速度指令。
步骤102所述根据加载系统的实际输出值对加载系统的加载指令进行反推,得到加载系统的速度指令,具体包括:根据加载系统的实际输出值,利用公式μ1=μ1a+μ1s,计算速度指令μ1;其中,μ1a表示第一自适应控制参数,x1d表示位移加载指令,μ1s表示第一鲁棒控制参数,μ1s=-k1e1,k1表示第一误差比例系数,e1表示加载系统的加载指令跟踪误差,当加载指令为位移加载指令时e1=x1-x1d,x1表示加载系统的实际输出位移;当加载指令为力加载指令时,Fs是加载系统的实际输出力,Fd是力加载指令,Kfs是加载件的弹性系数。
步骤103,根据加载系统的实际输出值和加载系统的参数,对加载系统的速度指令进行反推,获得加载系统的电机的q轴电流指令。
步骤103所述根据加载系统的实际输出值和加载系统的参数,对加载系统的速度指令进行反推,获得加载系统的电机的q轴电流指令,具体包括:根据加载系统的实际输出值和加载系统的参数,利用公式μ2=μ2a+μ2s,计算q轴电流指令μ2;其中,μ2a表示第二自适应控制参数, 和表示加载系统的第一参数、第二参数和第三参数;μ2s表示第二鲁棒控制参数,μ2s=-k2e2,k2为第二误差比例系数,e2表示加载系统的速度指令跟踪误差,
步骤104,根据加载系统的实际输出值和加载系统的参数,对加载系统的q轴电流指令进行反推,获得输入给加载系统的电机的电压。
步骤104所述根据加载系统的实际输出值和加载系统的参数,对加载系统的q轴电流指令进行反推,获得输入给加载系统的电机的电压,具体包括:根据加载系统的实际输出值和加载系统的参数,利用公式μ3=μ3a+μ3s,计算输入给加载系统的电机的电压μ3;其中,μ3a表示第三自适应控制参数,x2表示对加载系统的实际输出位移求导后得到的加载系统的输出速度,x3表示输入电机的q轴电流,表示q轴电流指令μ2的实际值的导数,μ2的导数可以计算得到的部分,其中,μ2的导数包括两部分,即,其中,是可以通过计算得到的,而是由于干扰产生的无法通过计算得到的,需要采用鲁棒算法进行计算的。t表示时间,μ3s表示第三鲁棒控制参数,μ3s=-k3e3,k3为第三误差比例系数,e3为加载系统的q轴电流指令跟踪误差,e3=x3-μ2,和分别表示加载系统的第四参数、第五参数、第六参数和第七参数。
步骤105,采用自适应算法更新加载系统的参数,返回步骤“根据加载系统的实际输出值和加载系统的参数,对加载系统的速度指令进行反推,获得加载系统的电机的q轴电流指令”,直到加载系统的加载指令跟踪误差收敛。
步骤105,所述采用自适应算法更新加载系统的参数,具体包括:采用自适应算法,利用公式更新加载系统的参数;其中,Γ为表示正定对角矩阵,τ表示自适应函数,τ=φ2e2+φ3e3,φ2为速度指令跟踪相关的参数更新矩阵φ2=[x1 μ2a 1 0 0 0 0],φ3为电流指令跟踪相关的参数更新矩阵,φ3=[k2x1 e2+k2x3 k2 x2 x3 μ3a 1],表示非连续映射函数,·表示带入非连续映射函数的变量,表示加载系统参数的估计值,θmax和θmin分别表示加载系统参数变化的上界和下界。
本发明的具体的实施方式为:首先将加载系统的数学模型抽象成如下的表达式:
其中,x1表示LVDT传感器得到的加载系统的位移,x2表示对LVDT传感器信号求导,得到的加载系统的速度,x3表示加载系统电机q轴的电流,θ=[θ1 θ2 θ3 θ4 θ5 θ6 θ7]表示加载系统的参数,受到高低温交变环境的影响时,其值会发生变化,可以通过测量的方法得到其变化前的初始值,表示无法测量的外界扰动,Uq表示输入给电机的电压,是整个加载系统的输入。
由于加载系统的各个参数θ在加载系统运行的过程中,无法实时测量,所以需要采用参数自适应的方法,得到其在当前状态下的估计值 的初始值可以通过测量得到,然后通过参数自适应实时在线更新,其参数自适应律的设计如下:
本发明的自适应鲁棒控制的主要思路是,根据加载系统需要的位移指令或者力加载指令,反推加载系统的速度指令,再根据加载系统的速度指令,反推加载系统电机的q轴电流的指令,最后根据加载系统的q轴电流指令,反推应该输入给电机的q轴电压Uq,从而使得加载系统的位移跟踪需要的位移指令。本发明的自适应鲁棒控制的参数取值如表1所示。
表1自适应鲁棒控制的参数表
给加载系统如图2实线所示的输入位移指令,采用自适应鲁棒控制的跟踪效果,如图2中虚线所示。
本发明的工作过程:通过跟踪用户给定的位移指令或者力指令,根据位移传感器或者力传感器,以及电机q轴电流大小,采用自适应鲁棒控制算法,生成闭环控制信号Uq,通过电机驱动器将电压Uq施加给步进电机,步进电机旋转形成加载力,根据受力平衡原理,这个加载力施加在待加载件上,待加载件形变,形成相应的载荷,直到受力平衡,产生需要的加载位移。在高低温交变的环境下,该发明仍旧可以保证高精度的位移加载。
如图3所示,本发明还提供一种电动加载系统,所述加载系统包括:
电机、底板、底板凸台、丝杠、导轨、滑动平台、连接块、螺纹连接杆、力传感器、连接片、LVDT传感器、LVDT传感器支架、加载轴及待加载密封件(加载件);电机为可以运行在-40℃~+150℃温度下的特种两相混合式步进电机,根据驱动器输入给两相的电压,带动丝杠旋转,再通过滑台将旋转运动转换为直线运动,实现位移的加载;底板为长方形,两个底板凸台分别在底板的两侧,用于安装丝杠的轴承;丝杠为导程2mm的T形丝杠,丝杠上安装滑动平台,滑动平台可以沿着导轨滑动;滑动平台上安装有连接块,连接块上安装螺纹连接杆,将力施加给力传感器以及待加载件;螺纹连接杆另一端与力传感器的螺纹连接;力传感器侧面有信号线,信号线将力信号反馈给计算机控制系统,信号线随着滑动平台一起运动;力传感器的另外端与加载轴连接,加载轴通过连接片与LVDT传感器连接;LVDT传感器通过LVDT传感器支架固定在底板上;LVDT传感器把当前滑动平台的位移反馈给计算机控制系统,然后计算机将直线位移换算成电机旋转的角度,生成控制指令,输入到电机的驱动器,驱动电机施加载荷;通过加载轴给待加载件加载力或者位移。由于本发明中的直线电动加载系统需要在高低温交变的循环条件下工作,所以采用了自适应鲁棒的控制方法。
根据本发明提供的具体实施例,本发明公开了以下技术效果:
本发明公开了一种基于自适应鲁棒控制的高低温环境下的电动加载系统,包括两相混合式步进电机、底板、底板凸台、丝杠、导轨、滑动平台、连接块、螺纹连接杆、力传感器、连接片、LVDT传感器、LVDT传感器支架、加载轴及待加载密封件;本发明中的电机采用了特制两相四线制混合式步进电机,可以在-40℃~+150℃温度下正常运行;本发明中的电动加载系统采用自适应鲁棒控制器进行控制,可以有效的应对高低温交变环境对电机性能带来的影响,以及外部扰动对加载系统的控制精度带来的影响,实现加载系统精确的位移控制;参数自适应可以有效地估计在高低温交变环境下,加载系统的参数变化,为自适应鲁棒控制提供必要的加载系统参数估计值。
本发明的优点在于:
(1)可以应对高低温交变的环境,克服了电机难以在高温情况下运行的问题,使得电动加载系统仍旧能够精确地跟踪需要的位移指令,其控制精度要优于传统的PID控制;
(2)该控制方法可以应对摩擦、死区等非线性效应给加载系统的精度产生的影响,实现高精度加载。
(3)由于混合式步进电机体积较小,有利于节省空间。所以本发明与现有的一些加载结构相比,具有加载范围广,加载精度高的特点,同时占用空间少,加载稳定,使用方便。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想,所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例,基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
Claims (9)
1.一种电动加载系统的自适应鲁棒控制方法,其特征在于,所述控制方法包括如下步骤:
采用测量的方式获取加载系统的参数的初始值;
根据加载系统的实际输出值对加载系统的加载指令进行反推,得到加载系统的速度指令;
根据加载系统的实际输出值和加载系统的参数,对加载系统的速度指令进行反推,获得加载系统的电机的q轴电流指令;
根据加载系统的实际输出值和加载系统的参数,对加载系统的q轴电流指令进行反推,获得输入给加载系统的电机的电压;
采用自适应算法更新加载系统的参数,返回步骤“根据加载系统的实际输出值和加载系统的参数,对加载系统的速度指令进行反推,获得加载系统的电机的q轴电流指令”,直到加载系统的加载指令跟踪误差收敛;
所述采用自适应算法更新加载系统的参数,具体包括:
其中,Γ为表示正定对角矩阵,τ表示自适应函数,τ=φ2e2+φ3e3,φ2为速度指令跟踪相关的参数更新矩阵,φ2=[x1 μ2a 1 0 0 0 0],x1表示加载系统的实际输出位移,μ2a表示第二自适应控制参数,φ3为电流指令跟踪相关的参数更新矩阵,φ3=[k2x1 e2+k2x3 k2 x2x3 μ3a 1],k2为第二误差比例系数,x2表示对加载系统的实际输出位移求导后得到的加载系统的输出速度,x3表示输入电机的q轴电流,μ3a表示第三自适应控制参数,e2表示加载系统的速度指令跟踪误差,e3为加载系统的q轴电流指令跟踪误差,表示非连续映射函数,·表示带入非连续映射函数的变量,表示加载系统参数的估计值,θmax和θmin分别表示加载系统参数变化的上界和下界。
4.根据权利要求3所述的电动加载系统的自适应鲁棒控制方法,其特征在于,所述根据加载系统的实际输出值和加载系统的参数,对加载系统的q轴电流指令进行反推,获得输入给加载系统的电机的电压,具体包括:
根据加载系统的实际输出值和加载系统的参数,利用公式μ3=μ3a+μ3s,计算输入给加载系统的电机的电压μ3;
5.一种电动加载系统,其特征在于,所述加载系统包括:
电机、底板、丝杠、导轨、滑动平台、螺纹连接杆、测量加载系统的实际输出值的传感器、加载轴和加载控制系统;
所述导轨设置在所述底板上,所述电机的输出轴与所述丝杠连接,所述丝杠安装在所述滑动平台上,所述滑动平台在所述导轨上滑动;
所述螺纹连接杆的一端与所述滑动平台连接,所述螺纹连接杆的另一端与所述传感器连接;
所述传感器与所述加载轴连接,所述加载轴用于连接加载件;
所述加载控制系统与所述电机连接,所述加载控制系统用于采用权利要求1-4任一项所述的自适应鲁棒控制方法对所述电机进行控制。
6.根据权利要求5所述的电动加载系统,其特征在于,所述加载系统还包括两个底板凸台;
两个所述底板凸台设置于所述底板上,并分别位于所述滑动平台的两侧;
所述丝杠穿过两个所述底板凸台,并分别与两个所述底板突带轴承连接。
7.根据权利要求5所述的电动加载系统,其特征在于,所述传感器包括力传感器;
所述力传感器的一端与所述螺纹连接杆的另一端螺纹连接,所述力传感器的另一端与所述加载轴连接。
8.根据权利要求5所述的电动加载系统,其特征在于,所述传感器包括LVDT传感器;
所述LVDT传感器通过LVDT传感器支架固定在底板上,所述加载轴通过连接片与LVDT传感器连接。
9.根据权利要求5所述的电动加载系统,其特征在于,所述加载控制系统包括:
参数初始值测量模块,用于采用测量的方式获取加载系统的参数的初始值;
速度指令反推模块,用于根据加载系统的实际输出值对加载系统的加载指令进行反推,得到加载系统的速度指令;
q轴电流指令反推模块,用于根据加载系统的实际输出值和加载系统的参数,对加载系统的速度指令进行反推,获得加载系统的电机的q轴电流指令;
电压计算模块,用于根据加载系统的实际输出值和加载系统的参数,对加载系统的q轴电流指令进行反推,获得输入给加载系统的电机的电压;
参数更新模块,用于采用自适应算法更新加载系统的参数,调用“q轴电流指令反推模块”,执行步骤“根据加载系统的实际输出值和加载系统的参数,对加载系统的速度指令进行反推,获得加载系统的电机的q轴电流指令”,直到加载系统的加载指令跟踪误差收敛。
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