CN111865171B - 辨识设备参数的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种辨识设备参数的方法和设备。所述方法包括：获取至少三个时刻的角速度数据和对应的至少三个时刻的转矩指令数据；根据至少三个时刻的角速度数据计算角加加速度；当角加加速度大于预设阈值时，将至少三个时刻角速度数据和对应的转矩指令数据代入动力学方程的目标变换公式，得到设备的粘性摩擦系数和转动惯量，其中，对动力学方程连续信号进行拉普拉斯变换得到传递函数，对传递函数进行零阶信号保持的Z变换，得到第二变换公式，对第二变换公式进行逆Z变换，获得目标变换公式。角加加速度满足预设条件的情况下，可以在线获取负载的转动惯量和摩擦系数，提升控制系统的动态响应特性。

Description

辨识设备参数的方法和设备

技术领域

本申请涉及计算机技术领域，尤其涉及一种辨识设备参数的方法和设备。

背景技术

基于系统动力学方程来构建速度环路，其涉及到负载的惯量和摩擦系数。实际中，负载惯量和摩擦力不仅影响速度环路设备的设计，而且对负载的加减速时间亦有较大的影响。此外，一些场合中，负载的惯量或者摩擦系数存在变化的情况，这就需要设备对相应的参数进行动态的调整而获得优良的控制性能。因此获取准确的惯量和摩擦系数有着重大的意义。

发明内容

为了解决上述技术问题，本申请提供了一种辨识设备参数的方法和设备。

在一个实施例中，提供了一种辨识设备参数的方法，包括：

获取至少三个时刻的角速度数据，和对应的至少三个时刻的转矩指令数据；

根据至少三个时刻的角速度数据计算角加加速度；

当所述角加加速度大于预设阈值时，将至少三个时刻所述角速度数据和对应的所述转矩指令数据代入动力学方程的目标变换公式，得到设备的粘性摩擦系数和惯量，其中，所述动力学方程连续信号进行拉普拉斯变换得到传递函数，对所述传递函数进行零阶信号保持的Z变换，得到第二变换公式，对所述第二变换公式进行逆Z变换，获得目标变换公式。

对所述动力学方程连续信号进行拉普拉斯变换得到所述传递函数。

在其中一个实施例中，所述动力学方程连续信号为

其中，F_T(t)表示所述转矩指令数据，ω(t)表示所述角速度数据，D表示所述粘性摩擦系数，J表示所述惯量，对所述动力学方程连续信号进行拉普拉斯变换得到所述传递函数

对所述传递函数进行零阶信号保持的Z变换，得到所述第二变换公式为

若

则所述第二变换公式为

对所述第二变换公式两边进行逆Z变换，得到所述目标变换公式为ω(z)＝Bz^-1F_T(z)-Az^-1ω(z)，其中z^-1表示采样时间的延迟，将所述目标变换公式按照时域差分方程的形式进行变换，则所述目标变换公式为ω(k)＝BF_T(k-1)-Aω(k-1)。

在其中一个实施例中，所述角速度数据包括ω(k-1)，ω(k)，ω(k+1)，ω(k)表示在采样时刻t＝kT时的角速度数据，T表示采样周期，所述转矩指令数据包括：F_T(k+1)，F_T(k)，F_T(k-1)，F_T(k)表示在采样时刻t＝kT时的转矩指令数据，将三个采样时刻的角速度数据和转矩指令数据代入公式ω(k)＝BF_T(k-1)-Aω(k-1)，计算得到：

将

和

代入公式

计算得到粘性摩擦系数D和惯量J如下：

在一个实施例中，提供了一种设备，所述设备包括：

运算模块、第一控制模块、第二控制模块和辨识模块，

所述运算模块的输出端与所述第一控制模块的输入端连接；

所述第一控制模块的输出端与所述第二控制模块的输入端和所述辨识模块的输入端连接；

所述第二控制模块的输出端用于与被控对象的输入端连接；

所述辨识模块的输入端和所述运算模块的输入端用于与所述被控对象的输出端连接；

所述运算模块的输入端还用于接收角速度指令值；

所述辨识模块用于根据所述第一控制模块的输出端的输出数据和被控对象输出端的输出数据，辨识出所述设备的参数。

在其中一个实施例中，所述第一控制模块包括运算单元和滤波单元，所述运算单元用于接收所述运算模块输出的角速度偏差值，并对所述角速度偏差值进行比例处理和积分，得到转矩指令，其中，所述角速度偏差值根据所述角速度指令值和所述被控对象的角速度反馈值计算得到；所述滤波单元用于所述转矩指令进行滤波，并将滤波后得到的转矩指令发送至所述第二控制模块的输入端。

在其中一个实施例中，所述第二控制模块接收所述第一控制模块输出的转矩指令生成转矩，所述转矩用于驱动电机运行。

在其中一个实施例中，所述辨识模块包括：第一数据采集处理单元、第二数据采集处理单元、数据存储单元，数据运算单元和数据控制模块，其中，第一数据采集模块和第二数据采集模块分别与所述数据存储单元连接，所述数据存储单元与所述数据运算单元连接，所述数据运算单元与所述数据控制模块连接，所述第一数据采集模块用于采集所述第一控制模块输出的转矩指令；所述第二数据采集模块用于采集所述被控对象输出的角速度反馈值。

在其中一个实施例中，所述第一数据采集处理单元和所述第二数据采集处理单元采集数据的周期相同。

在其中一个实施例中，所述数据存储单元存储数据时采用先入先出的存储方式。

在其中一个实施例中，所述数据运算单元用于执行上述辨识设备参数的方法。

上述辨识设备参数的方法和设备，通过对转矩指令和控制对象的角速度的数据采集而进行摩擦系数和惯量的辨识，在整个辨识过程中，只需要满足一定大小的角加加速度，对负载的运行距离和转速没有太大要求，即可在线方式获取负载的转动惯量和摩擦系数，极大的提高系统速度环路模型的构建，提升控制系统的动态响应特性，同时辨识过程简单，计算量少。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，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为一个实施例中辨识设备参数的方法的流程示意图；

图2为一个实施例中设备的结构示意图；

图3为一个实施例中第一控制模块的结构示意图；

图4为一个实施例中辨识模块的结构示意图；

图5为一个实施例中为控制对象的力和角速度的时域关系图；

图6为一个实施例中为控制对象的力和角速度的频域关系图；

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

如图1所示，在一个实施例中，提供了一种辨识设备参数的方法。参照图1，该辨识设备参数的方法具体包括如下步骤：

步骤S201，获取至少三个时刻的角速度数据，和对应的至少三个时刻的转矩指令数据。

步骤S202，根据至少三个时刻的角速度数据计算角加加速度。

步骤S203，当角加加速度大于预设阈值时，将至少三个时刻角速度数据和对应的转矩指令数据代入动力学方程的目标变换公式，得到设备的粘性摩擦系数和惯量。

在本具体实施例中，动力学方程连续信号进行拉普拉斯变换得到传递函数，对传递函数进行零阶信号保持的Z变换，得到第二变换公式，对第二变换公式进行逆Z变换，获得目标变换公式。

具体地，角速度数据是指设备控制的对象的角速度数据，转矩指令数据是指设备输出的转矩。根据三个时刻的角速度数据计算角加加速度。预设阈值为预先设定的阈值，该阈值可以为经验值，不同的设备的阈值可以不同。判断角加加速度是否大于预设阈值，若角加加速度大于预设阈值，表示角速度的变化较大。在角速度变化较大的情况，可以有效的测量出粘性摩擦系数和惯量。将至少三个时刻角速度数据和对应的转矩指令数据代入动力学方程的目标变换公式，得到设备的粘性摩擦系数和惯量。对动力学方程连续信号进行拉普拉斯变换，得到粘性摩擦力作用在被控制对象上的力和被控制对象的角速度传递函数。对该对该传递函数进行零阶信号保持的Z变换，得到第二变换公式，对第二变换公式进行逆Z变化，的到目标变换公式，按照差分方程形式表示目标变换公式。

在一个实施例中，动力学方程连续信号为

其中，F_T(t)表示转矩指令数据，ω(t)表示角速度数据，D表示粘性摩擦系数，J表示惯量，对所述动力学方程连续信号进行拉普拉斯变换得到所述传递函数

对所述传递函数进行零阶信号保持的Z变换，得到所述第二变换公式为

若

则所述第二变换公式为

对所述第二变换公式两边进行逆Z变换，得到所述目标变换公式为ω(z)＝Bz^-1F_T(z)-Az^-1ω(z)，其中z^-1表示采样时间的延迟，将所述目标变换公式按照时域差分方程的形式进行变换，则所述目标变换公式为ω(k)＝BF_T(k-1)-Aω(k-1)。

根据机电系统动力学方程，使用被控对象的粘性摩擦系数D和转动惯量J，可以准确地构建模型，减小外部干扰以及PI调节器的滞后性，对控制器参数进行在线动态调整，准确计算出转矩指令。

在一个实施例中，如图2所示，提供了一种设备200，包括：

运算模块110、第一控制模块120、第二控制模块130和辨识模块140，

运算模块110的输出端与第一控制模块120的输入端连接；

第一控制模块120的输出端与第二控制模块130的输入端和辨识模块的输入端连接；

第二控制模块130的输出端用于与被控对象150的输入端连接；

辨识模块140的输入端和运算模块110的输入端用于与被控对象150的输出端连接；

运算模块110的输入端还用于接收角速度指令值；

辨识模块140用于根据第一控制模块的输出端的输出数据和被控对象输出端的输出数据，辨识出设备的参数。

在一个实施例中，如图3所示，第一控制模块120包括运算单元121和滤波单元122，

运算单元121用于接收运算模块110输出的角速度偏差值，并对角速度偏差值进行比例处理和积分，得到转矩指令，其中，角速度偏差值根据角速度指令值和被控对象的角速度反馈值计算得到；

滤波单元122用于转矩指令进行滤波，并将滤波后得到的转矩指令发送至第二控制模块130的输入端。

在一个实施例中，上述设备200为伺服系统或变频器。

在一个实施例中，第二控制模块130接收第一控制模块120输出的转矩指令生成转矩，转矩用于驱动电机运行。

在一个实施例中，如图4所示，辨识模块140包括：第一数据采集处理单元141、第二数据采集处理单元142、数据存储单元143、数据运算单元144和数据控制单元145，

其中，第一数据采集模块141和第二数据采集模块142分别与数据存储单元143连接，数据存储单元143与数据运算单元144连接，数据运算单元144与数据控制单元145连接，

第一数据采集模块141用于采集第一控制模块120输出的转矩指令；

第二数据采集模块142用于采集被控对象输出的角速度反馈值。

在一个实施例中，第一数据采集处理单元141和第二数据采集处理单元142采集数据的周期相同。

在一个实施例中，数据存储单元143存储数据的时采用先入先出的存储方式。

在一个实施例中，数据运算单元144用于执行上述任一实施例中的辨识设备参数的方法。

在一个具体的实施例中，提供了一种设备，设备包括运算模块、第一控制模块、第二控制模块和辨识模块，其中第一控制模块包括运算单元和滤波单元，辨识模块包括第一数据采集处理单元、第二数据采集处理单元、数据存储单元、数据运算单元和数据控制单元。运算模块的输出端与第一控制模块的运算单元的输入端连接；第一控制模块的滤波模块的输出端与第二控制模块的输入端连接；第一数据采集处理单元的输入端连接至第一控制模块输出端连接，第一数据采集处理单元的输出端与数据存储模单元的输入端连接，第二数据采集处理单元的输入端连接至控制对象的输出端，数据存储单元的输出端连接至数据运算单元的输入端，数据运算单元的输出端连接至数据控制模块的输入端，第二控制模块的输出端用于与被控对象的输入端连接。

运算模块的输入端接收角速度指令值和被控对象输出的角速度反馈值，基于角速度指令值和被控对象输出的角速度反馈值来计算出角速度偏差值，将角速度偏差输出至第一控制模块的运算单元的输入端。

运算单元接收输入的角速度偏差值，对该角速度偏差进行比例处理和积分处理，将这些运算处理相加得到转矩指令。滤波器单元对运算模块计算的转矩指令进行滤波。滤波器模通常使用低通滤波器。滤波器模块将滤波后的转矩指令输出值第二控制模块的输入端。第二控制模块接收第一控制模块输出的转矩指令作为输入端，并生成转矩，驱动电机运行。

辨识模块用于辨识出对控制对象的粘性摩擦系数和惯量。在本辨识模块的第一数据采集处理单元用于对第一控制模块输出的转矩指令数据进行采集，第二数据采集处理单元用于采集控制对象输出的角速度。第一数据采集处理单元和第二数据采集处理单元每隔相同周期时间连续采集数据并输出值数据存储单元。数据存储单元将第一数据采集处理单元和第二数据采集处理单元采集的数据存储至存储介质中，且在存储时采用先入先出(FIFO)的方式进行数据存储。

从数据存储单元中取出存储的角速度和转矩指令数据；对取出的角速度计算出控制对象相应的角加加速度值；对角加加速度值阈值的判断处理来对数据的有效性进行判断；将相应的角速度值和转矩指令代入公式计算粘性摩擦系数和惯量；数据控制单元用于对粘性摩擦系数和转动惯量辨识计算结果的终止判断单元。

数据运算模单元对粘性摩擦系数和转动惯量辨识计算步骤为：

A1：每隔周期T从数据存储模块中取出存储的角速度数据ω(k+1)、ω(k)、ω(k+1)和转矩指令数据F_T(k+1)，F_T(k)，F_T(k-1)。

A2：数据运算单元对取出的数据进行运算。控制对象的角加加速度△的计算，即△＝|ω(k)+ω(k-2)-2ω(k-1)|。

A3：根据计算获的控制对象的角加加速度△的值来判断当前的数据是否有效，角加加速度△的值大于设定的阈值时，则进入步骤A4进行粘性摩擦系数计算，角加加速度△的值小于设定的阈值时，则进入A1重新读取数据进行计算。

A4：将角速度数据ω(k+1)、ω(k)、ω(k+1)和转矩指令数据F_T(k+1)，F_T(k)，F_T(k-1)代入粘性摩擦系数和惯量计算公式中计算获得控制对象的粘性摩擦系数D和惯量J。

其中，粘性摩擦系数D和惯量J计算公式的推导过程包括以下步骤：

粘性摩擦发生在电机的轴部以及机械的接触面等处，粘性摩擦力F_f(t)其大小与角速度ω成正比，其方向与速度的方向相反，即F_f(t)＝-Dω(t)。D：为粘性摩擦系数；ω(t)为角速度。

如图5所示，角加速度α(t)和实际作用于负载的转矩τ(t)的关系为

角速度ω(t)是角加速度α(t)的积分：

根据拉普拉斯变换积分性质，积分环节可以表示为

则角速度

根据拉普拉斯线性变换性质，如图6所示，可以获得控制对象的角速度数据为

其中F_T(s)转矩作为输入信号，角速度ω(s)作为输出信号，摩擦力作用在负载上的力和负载的角速度传递关系为传递函数：

对传递函数对该传递函数进行零阶信号保持的Z变换，得到第二变换公式

若

则第二变换公式为

第二变换公式两边进行逆Z变换，得到所述目标为ω(z)＝Bz^-1F_T(z)-Az^-1ω(z)，其中z^-1表示采样时间的延迟，将目标变换公式按照时域差分方程的形式进行变换，则所述目标变换公式为ω(k)＝BF_T(k-1)-Aω(k-1)。

同时，在一个采样周期T以后，等式ω(k+1)＝BF_T(k)-Aω(k)也成立。

角速度数据包括ω(k-1)，ω(k)，ω(k+1)，ω(k)表示在采样时刻t＝kT时的角速度数据，T表示采样周期，转矩指令数据包括：F_T(k+1)，F_T(k)，F_T(k-1)，F_T(k)表示在采样时刻t＝kT时的转矩指令数据，将三个采样时刻的角速度数据和转矩指令数据代入公式ω(k)＝BF_T(k-1)-Aω(k-1)，计算得到：

将

和

代入公式

计算得到粘性摩擦系数D和转动惯量J如下：

数据控制单元是对粘性摩擦系数D和转动惯量J辨识计算结果的终止判断模块。采集被控对象的转矩指令和角速度反馈值，符合一定角加加速度条件时，即符合角加加速度大于预设阈值时，通过采集到的数据(角速度数据和转矩指令数据)计算出被控对象的粘性摩擦系数和惯量。同时，只需预先监控被控对象输出的角速度、角加加速度或者转矩指令中的一个或者组合，仅在这些变量达到预先设定的阈值以上，进行相关的数据采集处理和计算处理，即可获得较高准确度的粘性摩擦系数和惯量。此外，辨识出的粘性摩擦系数和惯量中一个或者组合，在达到预定的稳定值后，也可以作为终止判断的条件。

进一步，根据机电系统动力学方程

将辨识的粘性摩擦系数D和转动惯量J及系统模型，根据当前的角速度偏差值可以计算出控制对象所需的转矩指令。

本申请的发明可以使用电流指令来替代转矩指令，通过转矩常数，对电流和转矩的单位进行换算即可。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种辨识设备参数的方法，其特征在于，所述方法包括：

获取至少三个时刻的角速度数据，和对应的至少三个时刻的转矩指令数据；

根据至少三个时刻的角速度数据计算角加加速度；

当所述角加加速度大于预设阈值时，将至少三个时刻所述角速度数据和对应的所述转矩指令数据代入动力学方程的目标变换公式，得到设备的粘性摩擦系数和转动惯量，其中，所述动力学方程连续信号进行拉普拉斯变换得到传递函数，对所述传递函数进行零阶信号保持的Z变换，得到第二变换公式，对所述第二变换公式进行逆Z变换，获得目标变换公式；

其中，所述动力学方程连续信号为

其中，F_T(t)表示所述转矩指令数据，ω(t)表示所述角速度数据，D表示所述粘性摩擦系数，J表示所述惯量，对所述动力学方程连续信号进行拉普拉斯变换得到所述传递函数

对所述传递函数进行零阶信号保持的Z变换，得到所述第二变换公式为

若

则所述第二变换公式为

对所述第二变换公式两边进行逆Z变换，得到所述目标变换公式为ω(z)＝Bz^-1F_T(z)-Az^-1ω(z)，其中z^-1表示采样时间的延迟，将所述目标变换公式按照时域差分方程的形式进行变换，则所述目标变换公式为ω(k)＝BF_T(k-1)-Aω(k-1)；其中，ω(s)为角速度，F_T(s)为转矩，T为采样周期。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述角速度数据包括ω(k-1)，ω(k)，ω(k+1)，ω(k)表示在采样时刻t＝kT时的角速度数据，T表示采样周期，所述转矩指令数据包括：F_T(k+1)，F_T(k)，F_T(k-1)，F_T(k)表示在采样时刻t＝kT时的转矩指令数据，将所述三个采样时刻的角速度数据和转矩指令数据代入公式ω(k)＝BF_T(k-1)-Aω(k-1)，计算得到：

将

和

代入公式

计算得到粘性摩擦系数D和惯量J如下：

3.一种辨识设备参数的设备，其特征在于，所述设备包括：

运算模块、第一控制模块、第二控制模块和辨识模块，

所述运算模块的输出端与所述第一控制模块的输入端连接；

所述第一控制模块的输出端与所述第二控制模块的输入端和所述辨识模块的输入端连接；

所述第二控制模块的输出端用于与被控对象的输入端连接；

所述辨识模块的输入端和所述运算模块的输入端用于与所述被控对象的输出端连接；

所述运算模块的输入端用于接收角速度指令值；

所述辨识模块用于根据所述第一控制模块的输出端的输出数据和被控对象输出端的输出数据，辨识出所述设备的参数；

其中，所述第一控制模块包括运算单元和滤波单元；

所述运算单元用于接收所述运算模块输出的角速度偏差值，并对所述角速度偏差值进行比例处理和积分，得到转矩指令，其中，所述角速度偏差值根据所述角速度指令值和所述被控对象的角速度反馈值计算得到；所述运算单元用于执行所述权利要求1至2中的任一项方法；

所述滤波单元用于所述转矩指令进行滤波，并将滤波后得到的转矩指令发送至所述第二控制模块的输入端。

4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述第二控制模块接收所述第一控制模块输出的转矩指令生成转矩，所述转矩用于驱动电机运行。

5.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述辨识模块包括：第一数据采集处理单元、第二数据采集处理单元、数据存储单元，数据运算单元和数据控制模块，

其中，第一数据采集模块和第二数据采集模块分别与所述数据存储单元连接，所述数据存储单元与所述数据运算单元连接，所述数据运算单元与所述数据控制模块连接，

所述第一数据采集模块用于采集所述第一控制模块输出的转矩指令；

所述第二数据采集模块用于采集所述被控对象输出的角速度反馈值。

6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述第一数据采集处理单元和所述第二数据采集处理单元采集数据的周期相同。

7.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述数据存储单元存储数据时采用先入先出的存储方式。

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