CN112821814B - 一种降低位置同步波动的多舵机同步控制方法及系统 - Google Patents

一种降低位置同步波动的多舵机同步控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种降低位置同步波动的多舵机同步控制方法及系统，本发明包括根据同步时间
Figure DDA0002919471090000011
和同步位置角
Figure DDA0002919471090000012
实时位置角θim及其导数ωim，通过位置转速联合控制律获得当前周期k的q轴电流i″iq(k)；由未知负载扰动观测器对q轴电流指令i″iq(k)扰动补偿，获得第i台子舵机q轴电流指令值
Figure DDA0002919471090000013
再经电流预测控制器获得第i台子舵机的下一个周期k+1的d轴电压
Figure DDA0002919471090000014
和q轴电压
Figure DDA0002919471090000015
并控制第i台子舵机的电动机转动。本发明能使多舵机系统实现同步时间可控，同时采用电流环的预测控制降低传统方法中的位置波动，能够避免负载扰动对系统性能的影响，保证多舵机应用对象的准确位置控制。

Description

一种降低位置同步波动的多舵机同步控制方法及系统
技术领域
本发明涉及多舵机协同控制技术，具体涉及一种降低位置同步波动的多舵机同步控制方法及系统。
背景技术
舵机是一种位置伺服的驱动系统，其应用对象主要在于那些需要对位置精确控制的应用领域，舵机的位置角可以时变也可在控制指令下保持不变。目前舵机在高档遥控玩具，如飞机、潜艇模型，遥控机器人中已经得到了普遍应用。舵机的核心部分是电动机，在电动机类型中永磁同步电机具有转矩惯性比高，功率密度高，效率高、结构简单等优点，被广泛应用于各类型的舵机中。舵机在大多数引用中都是起到运行方向改变的作用，然而单一的舵机无法满足空间多向的变化，所以舵机的应用大多数都是涉及多台舵机协同配合运行，来满足应用对象的需求。
然而，多舵机同步控制系统是一个多变量、非线性的复杂模型。舵机中的核心是电动机，在电动机的控制研究中，单个电动机的驱动系统控制较易实现，但多个电动机的同步性控制却一直以来是控制系统的难点与重点。非耦合协同控制方式和耦合协同控制方式是目前多电动机的两种主要控制方式。非耦合协同控制方式为各个子电机之间不存在位置关联关系，每一个电机都是独立控制。耦合协同控制方式则将各个子电机的位置耦合使得控制中互相考虑式的控制。目前多舵机的驱动器中位置、转速、电流这三环的控制多以PID算法为主。但传统采用PID的控制参数整定困难，存在超调，且容易受电机参数变化影响，鲁棒性不强。负载扰动也将使得个控制系统的控制性能下降，无法达到高精度的定位与同步运行目标。以上原因都可能使得控制系统的位置输出存在波动，而由于舵机被用于应用对象的方向控制，位置波动的存在都将导致应用对象的方向偏离，造成无法到达指定位置。因此提出一种降低位置同步波动的多舵机同步控制方法及系统十分迫切。
发明内容
本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种降低位置同步波动的多舵机同步控制方法及系统，本发明能使多舵机系统实现同步时间可控，同时采用电流环的预测控制降低传统方法中的位置波动，能够避免负载扰动对系统性能的影响，保证多舵机应用对象的准确位置控制，且系统鲁棒性强，保证了系统不受负载波动的干扰。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种降低位置同步波动的多舵机同步控制方法，包括：
1)根据同步时间
Figure BDA0002919471070000021
和同步位置角
Figure BDA0002919471070000022
第i台子舵机的实时位置角θim及实时角速度ωim，通过位置转速联合控制律获得第i台子舵机当前周期k的q轴电流指令i″iq(k)；
2)通过预设的未知负载扰动观测器观测得到的负载观测项对第i台子舵机当前周期k的q轴电流指令i″iq(k)进行扰动补偿，得到第i台子舵机当前周期k的q轴电流指令值
Figure BDA0002919471070000023
3)通过预设的电流预测控制器，根据第i台子舵机当前周期k的q轴电流指令值
Figure BDA0002919471070000024
和
Figure BDA0002919471070000025
获得下一个周期k+1的d轴电压
Figure BDA0002919471070000026
和q轴电压
Figure BDA0002919471070000027
并通过下一个周期k+1的d轴电压
Figure BDA0002919471070000028
和q轴电压
Figure BDA0002919471070000029
控制第i台子舵机的电动机转动。
可选地，步骤1)通过位置转速联合控制律获得第i台子舵机当前周期k的q轴电流指令i″iq(k)包括：
1.1)将第i台子舵机的实时位置角θim及实时角速度ωim定义为状态变量，根据状态变量以及子舵机电动机的运动方程建立子舵机系统的非线性二阶方程：
Figure BDA00029194710700000210
上式中，xi1和xi2为状态变量，
Figure BDA00029194710700000211
为状态变量xi1的一阶导数，ωim为第i台子舵机的实时角速度，
Figure BDA00029194710700000212
为状态变量xi2的一阶导数，B为阻尼系数，J为转动惯量，Pn为极对数，
Figure BDA00029194710700000213
为永磁体磁链，iiq为第i台子舵机定子电流的q轴分量，TiL为第i台子舵机的负载转矩；
1.2)根据同步位置角
Figure BDA00029194710700000214
指令与第i台子舵机的实时位置角θim的差εi、同步位置角
Figure BDA00029194710700000215
的导数
Figure BDA00029194710700000216
与第i台子舵机的实时角速度ωim的差
Figure BDA00029194710700000217
组合为第i台子舵机的误差向量Ei；
Figure BDA00029194710700000218
1.3)根据同步时间
Figure BDA00029194710700000219
和第i台子舵机的误差向量Ei设计位置转速滑模函数si1；
Figure BDA00029194710700000220
上式中，X1和Q为中间变量，Ei为第i台子舵机的误差向量，xi为第i台子舵机的常数系数，q为terminal多项式函数，
Figure BDA0002919471070000031
为terminal多项式函数q的一阶导数；
1.4)确定位置转速滑模函数的趋近律方程如下：
Figure BDA0002919471070000032
λi、hi均为大于零的第i台子舵机的给定系数，sgn(si1)为符号函数。
1.5)根据非线性二阶方程、滑模函数si1和滑模趋近律设计第i台子舵机的位置转速联合控制律如下式所示：
Figure BDA0002919471070000033
上式中，i″iq(k)表示第i台子舵机当前周期k的q轴电流指令，J为转动惯量，Pn为极对数，
Figure BDA0002919471070000034
为永磁体磁链，bi1为大于零的第i台子舵机的给定系数，
Figure BDA0002919471070000035
为同步位置角
Figure BDA0002919471070000036
指令与实时位置角θim的差εi的一阶导数，
Figure BDA0002919471070000037
为terminal多项式函数q的一阶导数，
Figure BDA0002919471070000038
为terminal多项式函数q的二阶导数，ωim为第i台子舵机的实时位置角θim的导数，
Figure BDA0002919471070000039
为同步位置角
Figure BDA00029194710700000310
的导数。
可选地，步骤2)中通过预设的未知负载扰动观测器观测得到的负载观测项对第i台子舵机当前周期k的q轴电流指令i″iq(k)进行扰动补偿的函数表达式为：
Figure BDA00029194710700000311
上式中，
Figure BDA00029194710700000312
为第i台子舵机当前周期k的q轴电流指令值，iiq(k)为第i台子舵机当前周期k的q轴电流，c为干扰系数，
Figure BDA00029194710700000313
为预设的未知负载扰动观测器得到的负载观测项。
可选地，步骤2)中预设的未知负载扰动观测器观测得到的负载观测项的步骤包括：
2.1)设计未知负载扰动观测器的滑模函数si2如下：
Figure BDA00029194710700000314
上式中，X2和Q为中间变量，Ei为第i台子舵机的误差向量，xi2为第i台子舵机的未知负载扰动观测器的常数系数，q为terminal多项式函数，
Figure BDA00029194710700000315
为terminal多项式函数q的一阶导数；
2.2)确定滑模函数的趋近律方程如下：
Figure BDA0002919471070000041
上式中，
Figure BDA0002919471070000042
为滑模函数si2的导数，ki为待整定常系数，sgn(si2)为符号函数；
2.3)基于滑模函数的趋近律方程，通过下式所示的未知负载扰动观测器得到负载观测项
Figure BDA0002919471070000043
Figure BDA0002919471070000044
上式中，J为转动惯量，xi为常数系数，
Figure BDA0002919471070000045
为同步位置角
Figure BDA0002919471070000046
的导数
Figure BDA0002919471070000047
与第i台子舵机的实时角速度ωim的差，
Figure BDA0002919471070000048
为terminal多项式函数q的一阶导数，
Figure BDA0002919471070000049
为terminal多项式函数q的二阶导数，B为阻尼系数，ωim为第i台子舵机的实时位置角θim的导数，Pn为极对数，
Figure BDA00029194710700000410
为永磁体磁链，iiq为第i台子舵机当前周期k的q轴电流，
Figure BDA00029194710700000411
为第i台子舵机当前周期k的q轴电流指令值，ki为待整定常系数。
可选地，步骤3)中根据第i台子舵机当前周期k的q轴电流指令值
Figure BDA00029194710700000412
和
Figure BDA00029194710700000413
获得下一个周期k+1的d轴电压
Figure BDA00029194710700000414
和q轴电压
Figure BDA00029194710700000415
的步骤包括：
3.1)根据下式计算第i台子舵机的下一个周期k+1的d、q轴预测电流i′id(k+1)和i′iq(k+1)：
Figure BDA00029194710700000416
上式中，iid(k)和iiq(k)分别表示第i台子舵机的当前周期k的d、q轴预测电流，iid(k-1)和iiq(k-1)分别表示第i台子舵机的上一周期k-1的d、q轴预测电流，iid(k-2)和iiq(k-2)分别表示第i台子舵机的上上周期k-2的d、q轴预测电流；
3.2)根据下式对第i台子舵机的下一个周期k+1的d、q轴预测电流i′id(k+1)和i′iq(k+1)进行修正，得到修正后的下一个周期k+1的d、q轴预测电流i′xid(k+1)和i′xiq(k+1)：
Figure BDA00029194710700000417
上式中，Δid(k)和Δiq(k)分别为当前周期k的d、q轴电流误差项，当前周期k的d、q轴电流误差项分别为当前周期k的d、q轴电流与上一周期k-1的d、q轴电流之差，gi为第i台子舵机的修正因子；
3.3)通过下式所示的预设的电流预测控制器，根据当前周期k的q轴电流指令值
Figure BDA0002919471070000051
获得第i台子舵机的下一个周期k+1的d轴电压
Figure BDA0002919471070000052
和q轴电压
Figure BDA0002919471070000053
Figure BDA0002919471070000054
上式中，Ri为第i台子舵机的定子电阻，Lid和Liq分别为第i台子舵机的dq轴电感分量，i′id(k+1)和i′iq(k+1)分别为第i台子舵机的下一个周期k+1的d、q轴预测电流，Ts为采样周期，
Figure BDA0002919471070000055
和
Figure BDA0002919471070000056
分别为下下个周期k+2的d、q轴给定电流，下下个周期k+2的d、q轴给定电流值与周期k时刻的电流给定值相等，ωie(k)为第i台子舵机的转子电角速度，ωim(k)为第i台子舵机当前周期k的实时角速度，
Figure BDA0002919471070000057
为永磁体磁链。
可选地，步骤1)中第i台子舵机的实时角速度ωim为对第i台子舵机的实时位置角θim求导数得到。
可选地，步骤1)～步骤3)的执行主体为子舵机对应的控制单元，且步骤1)之前还包括控制单元与预设的总监控系统通信以接收同步时间
Figure BDA0002919471070000058
和同步位置角
Figure BDA0002919471070000059
以及上传第i台子舵机的实时位置角θim的步骤；且总监控系统收到第i台子舵机上传的实时位置角θim后包括下述处理步骤：判断是否收到所有子舵机上传的实时位置角，若收到所有子舵机上传的实时位置角、且所有子舵机上传的实时位置角均与同步位置角
Figure BDA00029194710700000510
之间的差值小于预设阈值，则结束并退出使得各个子舵机保持给定位置运行；否则，继续向各个子舵机下发同步时间
Figure BDA00029194710700000511
和同步位置角
Figure BDA00029194710700000512
此外，本发明还提供一种降低位置同步波动的多舵机同步控制系统，包括相互连接的微处理器和存储器，所述微处理器被编程或配置以执行前述降低位置同步波动的多舵机同步控制方法的步骤。
此外，本发明还提供一种降低位置同步波动的多舵机同步控制系统，包括总监控系统和带有多个子舵机的航行器，所述航行器的每一个子舵机对应有一个控制单元，所述控制单元相互连接的微处理器和存储器，所述总监控系统与控制单元通信连接，所述微处理器被编程或配置以执行前述降低位置同步波动的多舵机同步控制方法的步骤；所述控制单元还包括无线接收器安装在子舵机电动机上的编码器，所述编码器的输出端与对应的微处理器相连以用于输出对应第i台子舵机实时位置角θim，所述无线接收器与总监控系统之间通过无线网络相连。
此外，本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有被编程或配置以执行前述降低位置同步波动的多舵机同步控制方法的计算机程序。
和现有技术相比，本发明具有下述优点：
1、本发明根据同步时间和同步位置角、第i台子舵机的实时位置角及其导数，通过位置转速联合控制律获得第i台子舵机当前周期k的q轴电流，简化了控制方法。
2、本发明改进了设计了负载扰动观测器，使得系统通过将扰动项的反馈补偿，使系统鲁棒性强，保证了系统不受负载波动的干扰。
3、本发明的电流环采用修正的预测电流控制，实现位置同步时间可控，满足了多舵机导向的精确控制，同时相比传统PI可明显降低位置同步过程中的位置波动。
附图说明
图1是本发明实施例中多舵机同步控制系统的结构示意图。
图2是本发明实施例方法的控制原理示意图。
图3是本发明实施例中总监控系统和子舵机的总体控制流程示意图。
图4是本发明实施例方法与传统PI控制方法的对比效果图1。
图5是本发明实施例方法与传统PI控制方法的对比效果图2。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明，本发明的目的和效果将更加明显。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
本实施例以三定向舵机的飞行器为例，对本发明进行详细说明。图1是本发明实施例提供的多舵机同步控制系统结构示意图。如图1所示，该系统包括：总监控系统远程发送同步时间
Figure BDA0002919471070000061
和同步位置角
Figure BDA0002919471070000062
多舵机系统中各子舵机采用无线接收器2接受同步时间
Figure BDA0002919471070000063
和同步位置角
Figure BDA0002919471070000064
用于执行针对子舵机电动机的控制。
如图1和图2所示，本实施例降低位置同步波动的多舵机同步控制方法包括：
1)根据同步时间
Figure BDA0002919471070000065
和同步位置角
Figure BDA0002919471070000066
第i台子舵机的实时位置角θim及实时角速度ωim，通过位置转速联合控制律获得第i台子舵机当前周期k的q轴电流指令i″iq(k)；
2)通过预设的未知负载扰动观测器观测得到的负载观测项对第i台子舵机当前周期k的q轴电流指令i″iq(k)进行扰动补偿，得到第i台子舵机当前周期k的q轴电流指令值
Figure BDA0002919471070000071
3)通过预设的电流预测控制器，根据第i台子舵机当前周期k的q轴电流指令值
Figure BDA0002919471070000072
和
Figure BDA0002919471070000073
获得下一个周期k+1的d轴电压
Figure BDA0002919471070000074
和q轴电压
Figure BDA0002919471070000075
并通过下一个周期k+1的d轴电压
Figure BDA0002919471070000076
和q轴电压
Figure BDA0002919471070000077
控制第i台子舵机的电动机转动。
参见图2，本实施例包括采集子舵机实时转子位置角和转速，并根据同步时间指令设计子舵机位置转速联合控制律；采集子舵机定子电流，对子舵机的电流环采用改进型电流预测控制器，设计了未知负载扰动观测器，补偿电流环的控制。总监控系统根据航行轨迹与舵机间的数学模型，将航行目标转化为子舵机的同步时间
Figure BDA0002919471070000078
和同步位置角
Figure BDA0002919471070000079
指令。同时，总监控系统集成了各子舵机同步位置角实时显示功能；本实施例降低位置同步波动的多舵机同步控制方法的执行主体即为子舵机的控制单元。
本实施例中，步骤1)通过位置转速联合控制律获得第i台子舵机当前周期k的q轴电流指令i″iq(k)包括：
1.1)将第i台子舵机的实时位置角θim及实时角速度ωim定义为状态变量，根据状态变量以及子舵机电动机的运动方程建立子舵机系统的非线性二阶方程：
Figure BDA00029194710700000710
上式中，xi1和xi2为状态变量，
Figure BDA00029194710700000711
为状态变量xi1的一阶导数，ωim为第i台子舵机的实时角速度，
Figure BDA00029194710700000712
为状态变量xi2的一阶导数，B为阻尼系数，J为转动惯量，Pn为极对数，
Figure BDA00029194710700000713
为永磁体磁链，iiq为第i台子舵机定子电流的q轴分量，TiL为第i台子舵机的负载转矩；
1.2)根据同步位置角
Figure BDA00029194710700000714
指令与第i台子舵机的实时位置角θim的差εi、同步位置角
Figure BDA00029194710700000715
的导数
Figure BDA00029194710700000716
与第i台子舵机的实时角速度ωim的差
Figure BDA00029194710700000717
组合为第i台子舵机的误差向量Ei；
Figure BDA00029194710700000718
1.3)根据同步时间
Figure BDA00029194710700000719
和第i台子舵机的误差向量Ei设计位置转速滑模函数si1；
Figure BDA0002919471070000081
上式中，X1和Q为中间变量，Ei为第i台子舵机的误差向量，xi为第i台子舵机的常数系数，q为terminal多项式函数，
Figure BDA0002919471070000082
为terminal多项式函数q的一阶导数；
1.4)确定位置转速滑模函数的趋近律方程如下：
Figure BDA0002919471070000083
λi、hi均为大于零的第i台子舵机的给定系数，sgn(si1)为符号函数。
1.5)根据非线性二阶方程、滑模函数si1和滑模趋近律设计第i台子舵机的位置转速联合控制律如下式所示：
Figure BDA0002919471070000084
上式中，i″iq(k)表示第i台子舵机当前周期k的q轴电流指令，J为转动惯量，Pn为极对数，
Figure BDA0002919471070000085
为永磁体磁链，bi1为大于零的第i台子舵机的给定系数，
Figure BDA0002919471070000086
为同步位置角
Figure BDA0002919471070000087
指令与实时位置角θim的差εi的一阶导数，
Figure BDA0002919471070000088
为terminal多项式函数q的一阶导数，
Figure BDA0002919471070000089
为terminal多项式函数q的二阶导数，ωim为第i台子舵机的实时位置角θim的导数，
Figure BDA00029194710700000810
为同步位置角
Figure BDA00029194710700000811
的导数。作为一种可选的实施方式，terminal多项式函数q的函数表达式为：
Figure BDA00029194710700000812
上式中，q(t)表示terminal多项式函数，ε(0)为0时刻的误差量，
Figure BDA00029194710700000813
为ε(0)的一阶导数，
Figure BDA00029194710700000814
为ε(0)的二阶导数，t为时间，
Figure BDA00029194710700000815
为同步时间，通过构造的上述terminal多项式函数，可使多舵机能在指定同步时间实现位置同步。
本实施例中，步骤2)中通过预设的未知负载扰动观测器观测得到的负载观测项对第i台子舵机当前周期k的q轴电流指令i″iq(k)进行扰动补偿的函数表达式为：
Figure BDA0002919471070000091
上式中，
Figure BDA0002919471070000092
为第i台子舵机当前周期k的q轴电流指令值，iiq(k)为第i台子舵机当前周期k的q轴电流，c为干扰系数，
Figure BDA0002919471070000093
为预设的未知负载扰动观测器得到的负载观测项。
本实施例采用了改进型电流预测控制器，对硬件采集的电流进行了修正，同时对控制器的q轴控制指令来自
Figure BDA0002919471070000094
做了负载扰动补偿。步骤2)中预设的未知负载扰动观测器观测得到的负载观测项的步骤包括：
2.1)设计未知负载扰动观测器的滑模函数si2如下：
Figure BDA0002919471070000095
上式中，X2和Q为中间变量，Ei为第i台子舵机的误差向量，xi2为第i台子舵机的未知负载扰动观测器的常数系数，q为terminal多项式函数，
Figure BDA00029194710700000917
为terminal多项式函数q的一阶导数；
2.2)确定滑模函数的趋近律方程如下：
Figure BDA0002919471070000096
上式中，
Figure BDA0002919471070000097
为滑模函数si2的导数，ki为待整定常系数，sgn(si2)为符号函数；
2.3)基于滑模函数的趋近律方程，通过下式所示的未知负载扰动观测器得到负载观测项
Figure BDA0002919471070000098
Figure BDA0002919471070000099
上式中，J为转动惯量，xi为常数系数，
Figure BDA00029194710700000910
为同步位置角
Figure BDA00029194710700000911
的导数
Figure BDA00029194710700000912
与第i台子舵机的实时角速度ωim的差，
Figure BDA00029194710700000913
为terminal多项式函数q的一阶导数，
Figure BDA00029194710700000914
为terminal多项式函数q的二阶导数，B为阻尼系数，ωim为第i台子舵机的实时位置角θim的导数，Pn为极对数，
Figure BDA00029194710700000915
为永磁体磁链，iiq为第i台子舵机当前周期k的q轴电流，
Figure BDA00029194710700000916
为第i台子舵机当前周期k的q轴电流指令值，ki为待整定常系数。
本实施例中，步骤3)中根据第i台子舵机当前周期k的q轴电流指令值
Figure BDA0002919471070000101
和
Figure BDA0002919471070000102
获得下一个周期k+1的d轴电压
Figure BDA0002919471070000103
和q轴电压
Figure BDA0002919471070000104
的步骤包括：
3.1)根据下式计算第i台子舵机的下一个周期k+1的d、q轴预测电流i′id(k+1)和i′iq(k+1)：
Figure BDA0002919471070000105
上式中，iid(k)和iiq(k)分别表示第i台子舵机的当前周期k的d、q轴预测电流，iid(k-1)和iiq(k-1)分别表示第i台子舵机的上一周期k-1的d、q轴预测电流，iid(k-2)和iiq(k-2)分别表示第i台子舵机的上上周期k-2的d、q轴预测电流；
3.2)根据下式对第i台子舵机的下一个周期k+1的d、q轴预测电流i′id(k+1)和i′iq(k+1)进行修正，得到修正后的下一个周期k+1的d、q轴预测电流i′xid(k+1)和i′xiq(k+1)：
Figure BDA0002919471070000106
上式中，Δid(k)和Δiq(k)分别为当前周期k的d、q轴电流误差项，当前周期k的d、q轴电流误差项分别为当前周期k的d、q轴电流与上一周期k-1的d、q轴电流之差，gi为第i台子舵机的修正因子；
3.3)通过下式所示的预设的电流预测控制器，根据当前周期k的q轴电流指令值
Figure BDA0002919471070000107
获得第i台子舵机的下一个周期k+1的d轴电压
Figure BDA0002919471070000108
和q轴电压
Figure BDA0002919471070000109
Figure BDA00029194710700001010
上式中，Ri为第i台子舵机的定子电阻，Lid和Liq分别为第i台子舵机的dq轴电感分量，i′id(k+1)和i′iq(k+1)分别为第i台子舵机的下一个周期k+1的d、q轴预测电流，Ts为采样周期，
Figure BDA00029194710700001011
和
Figure BDA00029194710700001012
分别为下下个周期k+2的d、q轴给定电流，下下个周期k+2的d、q轴给定电流值与周期k时刻的电流给定值相等，ωie(k)为第i台子舵机的转子电角速度，ωim(k)为第i台子舵机当前周期k的实时角速度，
Figure BDA00029194710700001013
为永磁体磁链。
参见图2，电流预测控制器输出的控制指令经过转标变换模块和SVPWM模块，从而生成驱动信号，并将驱动信号传输给子舵机逆变器驱动子舵机运行，改进的电流预测控制能明显降低位置波动。
本实施例中，步骤1)中第i台子舵机的实时角速度ωim为对第i台子舵机的实时位置角θim求导数得到。
参见图1和图3，步骤1)～步骤3)的执行主体为子舵机对应的控制单元，且步骤1)之前还包括控制单元与预设的总监控系统通信以接收同步时间
Figure BDA0002919471070000111
和同步位置角
Figure BDA0002919471070000112
以及上传第i台子舵机的实时位置角θim的步骤；且总监控系统收到第i台子舵机上传的实时位置角θim后包括下述处理步骤：判断是否收到所有子舵机上传的实时位置角，若收到所有子舵机上传的实时位置角、且所有子舵机上传的实时位置角均与同步位置角
Figure BDA0002919471070000113
之间的差值小于预设阈值，则结束并退出使得各个子舵机保持给定位置运行；否则，继续向各个子舵机下发同步时间
Figure BDA0002919471070000114
和同步位置角
Figure BDA0002919471070000115
图4为同步时间为1秒的情况下本实施例方法与传统PI控制方法的对比效果图，其中Themeref正弦变化的给定同步位置角，Theme1为子舵机1的实时位置角，Theme2为子舵机2的实时位置角，Theme3为子舵机2的实时位置角，各子舵机初始位置不同，传统PI控制结果为图4中子图(a)所示，本实施例控制方法结果为图4中子图(b)所示，对比可以看出本实施例方法能在指定时间实现同步，同时明显降低了位置同步波动。图5为同步时间为2秒的情况下本实施例方法与传统PI控制方法的对比效果图，其中Themeref正弦变化的给定同步位置角，Theme1为子舵机1的实时位置角，Theme2为子舵机2的实时位置角，Theme3为子舵机2的实时位置角，各子舵机初始位置不同，传统PI控制结果为图5中子图(a)所示，本实施例控制方法结果为图5中子图(b)所示，进一步验证了本实施例控制方法能够到达从图3得出的控制效果。结合图3和图5可知，与多舵机电流环传统PI、传统预测控制相比，本实施例多舵机协同控制方法能降低位置同步波动，实现位置同步时间可控，满足了多舵机导向的精确控制，且系统鲁棒性强，保证了系统不受负载波动的干扰。
此外，本实施例还提供一种降低位置同步波动的多舵机同步控制系统，包括相互连接的微处理器和存储器，所述微处理器被编程或配置以执行前述降低位置同步波动的多舵机同步控制方法的步骤。此外，参见图1和图2，本实施例还提供一种降低位置同步波动的多舵机同步控制系统，包括总监控系统和带有多个子舵机的航行器，航行器的每一个子舵机对应有一个控制单元，控制单元相互连接的微处理器和存储器，总监控系统与控制单元通信连接，微处理器被编程或配置以执行前述降低位置同步波动的多舵机同步控制方法的步骤。参见图1和图2，本实施例中控制单元还包括无线接收器安装在子舵机电动机上的编码器，编码器的输出端与对应的微处理器相连以用于输出对应第i台子舵机实时位置角θim，无线接收器与总监控系统之间通过无线网络相连。
此外，本实施例还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有被编程或配置以执行前述降低位置同步波动的多舵机同步控制方法的计算机程序。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可读存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/的处理器执行的指令产生用于实现在流程图的一个流程或多个流程和/或方框图的一个方框或多个方框中指定的功能的装置。这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图的一个流程或多个流程和/或方框图的一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图的一个流程或多个流程和/或方框图的一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种降低位置同步波动的多舵机同步控制方法，其特征在于，包括：
1)根据同步时间
Figure FDA0003686606180000011
和同步位置角
Figure FDA0003686606180000012
第i台子舵机的实时位置角θim及实时角速度ωim，通过位置转速联合控制律获得第i台子舵机当前周期k的q轴电流指令i″iq(k)；
2)通过预设的未知负载扰动观测器观测得到的负载观测项对第i台子舵机当前周期k的q轴电流指令i″iq(k)进行扰动补偿，得到第i台子舵机当前周期k的q轴电流指令值
Figure FDA0003686606180000013
3)通过预设的电流预测控制器，根据第i台子舵机当前周期k的q轴电流指令值
Figure FDA0003686606180000014
和
Figure FDA0003686606180000015
获得下一个周期k+1的d轴电压
Figure FDA0003686606180000016
和q轴电压
Figure FDA0003686606180000017
并通过下一个周期k+1的d轴电压
Figure FDA0003686606180000018
和q轴电压
Figure FDA0003686606180000019
控制第i台子舵机的电动机转动；
步骤1)通过位置转速联合控制律获得第i台子舵机当前周期k的q轴电流指令i″iq(k)包括：
1.1)将第i台子舵机的实时位置角θim及实时角速度ωim定义为状态变量，根据状态变量以及子舵机电动机的运动方程建立子舵机系统的非线性二阶方程：
Figure FDA00036866061800000110
上式中，xi1和xi2为状态变量，
Figure FDA00036866061800000111
为状态变量xi1的一阶导数，ωim为第i台子舵机的实时角速度，
Figure FDA00036866061800000112
为状态变量xi2的一阶导数，B为阻尼系数，J为转动惯量，Pn为极对数，
Figure FDA00036866061800000113
为永磁体磁链，iiq为第i台子舵机定子电流的q轴分量，TiL为第i台子舵机的负载转矩；
1.2)根据同步位置角
Figure FDA00036866061800000114
指令与第i台子舵机的实时位置角θim的差εi、同步位置角
Figure FDA00036866061800000115
的导数
Figure FDA00036866061800000116
与第i台子舵机的实时角速度ωim的差
Figure FDA00036866061800000117
组合为第i台子舵机的误差向量Ei；
Figure FDA00036866061800000118
1.3)根据同步时间
Figure FDA00036866061800000119
和第i台子舵机的误差向量Ei设计位置转速滑模函数si1；
si1＝X1(Ei-Q)，X1＝[xi1,1]，
Figure FDA00036866061800000120
上式中，X1和Q为中间变量，Ei为第i台子舵机的误差向量，xi为第i台子舵机的常数系数，q为terminal多项式函数，
Figure FDA0003686606180000021
为terminal多项式函数q的一阶导数；
1.4)确定位置转速滑模函数的趋近律方程如下：
Figure FDA0003686606180000022
λi、hi均为大于零的第i台子舵机的给定系数，sgn(si1)为符号函数；
1.5)根据非线性二阶方程、滑模函数si1和滑模趋近律设计第i台子舵机的位置转速联合控制律如下式所示：
Figure FDA0003686606180000023
上式中，i″iq(k)表示第i台子舵机当前周期k的q轴电流指令，J为转动惯量，Pn为极对数，
Figure FDA0003686606180000024
为永磁体磁链，bi1为大于零的第i台子舵机的给定系数，
Figure FDA0003686606180000025
为同步位置角
Figure FDA0003686606180000026
指令与实时位置角θim的差εi的一阶导数，
Figure FDA0003686606180000027
为terminal多项式函数q的一阶导数，
Figure FDA0003686606180000028
为terminal多项式函数q的二阶导数，ωim为第i台子舵机的实时位置角θim的导数，
Figure FDA0003686606180000029
为同步位置角
Figure FDA00036866061800000210
的导数。
2.根据权利要求1所述的降低位置同步波动的多舵机同步控制方法，其特征在于，步骤2)中通过预设的未知负载扰动观测器观测得到的负载观测项对第i台子舵机当前周期k的q轴电流指令i″iq(k)进行扰动补偿的函数表达式为：
Figure FDA00036866061800000211
上式中，
Figure FDA00036866061800000212
为第i台子舵机当前周期k的q轴电流指令值，iiq(k)为第i台子舵机当前周期k的q轴电流，c为干扰系数，
Figure FDA00036866061800000213
为预设的未知负载扰动观测器得到的负载观测项。
3.根据权利要求2所述的降低位置同步波动的多舵机同步控制方法，其特征在于，步骤2)中预设的未知负载扰动观测器观测得到的负载观测项的步骤包括：
2.1)设计未知负载扰动观测器的滑模函数si2如下：
si2＝X2(Ei-Q)，X2＝[xi2,1]，
Figure FDA00036866061800000214
上式中，X2和Q为中间变量，Ei为第i台子舵机的误差向量，xi2为第i台子舵机的未知负载扰动观测器的常数系数，q为terminal多项式函数，
Figure FDA00036866061800000215
为terminal多项式函数q的一阶导数；
2.2)确定滑模函数的趋近律方程如下：
Figure FDA0003686606180000031
上式中，
Figure FDA0003686606180000032
为滑模函数si2的导数，ki为待整定常系数，sgn(si2)为符号函数；
2.3)基于滑模函数的趋近律方程，通过下式所示的未知负载扰动观测器得到负载观测项
Figure FDA0003686606180000033
Figure FDA0003686606180000034
上式中，J为转动惯量，xi为常数系数，
Figure FDA0003686606180000035
为同步位置角
Figure FDA0003686606180000036
的导数
Figure FDA0003686606180000037
与第i台子舵机的实时角速度ωim的差，
Figure FDA0003686606180000038
为terminal多项式函数q的一阶导数，
Figure FDA0003686606180000039
为terminal多项式函数q的二阶导数，B为阻尼系数，ωim为第i台子舵机的实时位置角θim的导数，Pn为极对数，
Figure FDA00036866061800000310
为永磁体磁链，iiq为第i台子舵机当前周期k的q轴电流，
Figure FDA00036866061800000311
为第i台子舵机当前周期k的q轴电流指令值，ki为待整定常系数。
4.根据权利要求1所述的降低位置同步波动的多舵机同步控制方法，其特征在于，步骤3)中根据第i台子舵机当前周期k的q轴电流指令值
Figure FDA00036866061800000312
和
Figure FDA00036866061800000313
获得下一个周期k+1的d轴电压
Figure FDA00036866061800000314
和q轴电压
Figure FDA00036866061800000315
的步骤包括：
3.1)根据下式计算第i台子舵机的下一个周期k+1的d、q轴预测电流i′id(k+1)和i′iq(k+1)：
Figure FDA00036866061800000316
上式中，iid(k)和iiq(k)分别表示第i台子舵机的当前周期k的d、q轴预测电流，iid(k-1)和iiq(k-1)分别表示第i台子舵机的上一周期k-1的d、q轴预测电流，iid(k-2)和iiq(k-2)分别表示第i台子舵机的上上周期k-2的d、q轴预测电流；
3.2)根据下式对第i台子舵机的下一个周期k+1的d、q轴预测电流i′id(k+1)和i′iq(k+1)进行修正，得到修正后的下一个周期k+1的d、q轴预测电流i′xid(k+1)和i′xiq(k+1)：
Figure FDA00036866061800000317
上式中，Δid(k)和Δiq(k)分别为当前周期k的d、q轴电流误差项，当前周期k的d、q轴电流误差项分别为当前周期k的d、q轴电流与上一周期k-1的d、q轴电流之差，gi为第i台子舵机的修正因子；
3.3)通过下式所示的预设的电流预测控制器，根据当前周期k的q轴电流指令值
Figure FDA0003686606180000041
获得第i台子舵机的下一个周期k+1的d轴电压
Figure FDA0003686606180000042
和q轴电压
Figure FDA0003686606180000043
Figure FDA0003686606180000044
上式中，Ri为第i台子舵机的定子电阻，Lid和Liq分别为第i台子舵机的dq轴电感分量，i′id(k+1)和i′iq(k+1)分别为第i台子舵机的下一个周期k+1的d、q轴预测电流，Ts为采样周期，
Figure FDA0003686606180000045
和
Figure FDA0003686606180000046
分别为下下个周期k+2的d、q轴给定电流，下下个周期k+2的d、q轴给定电流值与周期k时刻的电流给定值相等，ωie(k)为第i台子舵机的转子电角速度，ωim(k)为第i台子舵机当前周期k的实时角速度，
Figure FDA0003686606180000047
为永磁体磁链。
5.根据权利要求1所述的降低位置同步波动的多舵机同步控制方法，其特征在于，步骤1)中第i台子舵机的实时角速度ωim为对第i台子舵机的实时位置角θim求导数得到。
6.根据权利要求1所述的降低位置同步波动的多舵机同步控制方法，其特征在于，步骤1)～步骤3)的执行主体为子舵机对应的控制单元，且步骤1)之前还包括控制单元与预设的总监控系统通信以接收同步时间
Figure FDA0003686606180000048
和同步位置角
Figure FDA0003686606180000049
以及上传第i台子舵机的实时位置角θim的步骤；且总监控系统收到第i台子舵机上传的实时位置角θim后包括下述处理步骤：判断是否收到所有子舵机上传的实时位置角，若收到所有子舵机上传的实时位置角、且所有子舵机上传的实时位置角均与同步位置角
Figure FDA00036866061800000410
之间的差值小于预设阈值，则结束并退出使得各个子舵机保持给定位置运行；否则，继续向各个子舵机下发同步时间
Figure FDA00036866061800000411
和同步位置角
Figure FDA00036866061800000412
7.一种降低位置同步波动的多舵机同步控制系统，包括相互连接的微处理器和存储器，其特征在于，所述微处理器被编程或配置以执行权利要求1～6中任意一项所述降低位置同步波动的多舵机同步控制方法的步骤。
8.一种降低位置同步波动的多舵机同步控制系统，包括总监控系统和带有多个子舵机的航行器，所述航行器的每一个子舵机对应有一个控制单元，所述控制单元相互连接的微处理器和存储器，所述总监控系统与控制单元通信连接，其特征在于，所述微处理器被编程或配置以执行权利要求1～6中任意一项所述降低位置同步波动的多舵机同步控制方法的步骤；所述控制单元还包括无线接收器安装在子舵机电动机上的编码器，所述编码器的输出端与对应的微处理器相连以用于输出对应第i台子舵机实时位置角θim，所述无线接收器与总监控系统之间通过无线网络相连。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质中存储有被编程或配置以执行权利要求1～6中任意一项所述降低位置同步波动的多舵机同步控制方法的计算机程序。
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