CN115793600B - 一种基于数据和模型的伺服控制系统测试平台及方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于数据和模型的伺服控制系统测试平台及方法,在上位机软件中建立伺服系统模型,模型输出电机驱动的PWM波。在伺服系统模型中,添加基于机器学习的摩擦非线性解算模块及负载刚度非线性解算模块,用来实时解算反馈回来的摩擦非线性参数及负载刚度非线性参数,从而不断修正模型中的控制器参数,此类模块在高算力解算平台上完成运算。摩擦非线性解算模块在添加之前需要大量试验建立,负载刚度非线性解算模块需要大量试验建立。工控机、高算力解算平台、电机通过CAN总线的方式,完成实时通信。在运行过程中,各模块反复学习更新。

Description

一种基于数据和模型的伺服控制系统测试平台及方法
技术领域
本发明涉及一种基于数据和模型的伺服控制系统测试平台及方法,属于飞行器控制及测试领域。
背景技术
现有技术中的伺服测试,主要采用Matlab进行算法研究,再通过其他C语言编程软件写入控制器内,最后由专门的控制器上位机软件完成控制指令的发送来完成对控制算法的测试,整个流程耗费时间较长。同时,在测试过程中,通常忽略对非线性因素的影响,使得实际应用过程中与测试结果存在一定偏差,不能完全满足控制系统的使用要求。因此,需要提出一种基于数据+模型的新型伺服控制系统测试平台及方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是:克服现有技术的不足,解决了伺服控制系统的测试准确性和测试效率问题。
本发明目的通过以下技术方案予以实现:
一种基于数据和模型的伺服控制系统测试平台,包括:工控机、高算力解算平台、控制器、驱动器、加载平台、旋变传感器、力传感器、位置传感器、摩擦非线性解算模块、负载刚度非线性解算模块;
工控机,搭载与高算力解算平台相匹配的上位机软件,上位机软件用于完成伺服系统模型的搭建,测试指令的修改及加载;
高算力解算平台,用于将工控机的上位机软件程序下载到高算力解算平台上进行实时解算,用于实时接收所有传感器的信号,解算出位置误差补偿量,在完成一个周期的解算之后,对摩擦非线性解算模块、负载刚度非线性解算模块进行更新;
控制器,基于反馈信号完成系统三环计算,并将信号传递给驱动器;
驱动器,接收控制器指令,驱动伺服机构完成相应动作;
加载平台,用于对伺服机构进行不同刚度、不同惯量的被动加载;
旋变传感器安装在伺服机构的驱动电机上,用来实时测量电机的旋转角度,并反馈给高算力解算平台;
力传感器安装在伺服机构与加载平台之间,用来实时测量伺服机构所受到的外部负载并反馈给高算力解算平台;
位置传感器安装在伺服机构与加载平台之间,用来实时测量伺服机构的运动行程量并反馈给高算力解算平台;
摩擦非线性解算模块的模型采用有监督学习的方式建立;
负载刚度非线性解算模块的模型采用有监督学习的方式建立。
优选的,工控机,硬件上安装与高算力解算平台相匹配的通信接口,包含多路CAN接口,多路穿行接口,通过上位机软件实现测试指令的实时发送。
优选的,高算力解算平台,用于实时接收所有传感器的信号,并结合摩擦非线性解算模块、负载刚度非线性解算模块解算出位置误差补偿量。
优选的,控制器,用于接收来自高算力解算平台的测试指令以及摩擦非线性解算模块、负载刚度非线性解算模块解算后的反馈信号,在控制器完成系统三环的计算。
优选的,对于不同刚度通过手动调节钢板固定作用点来完成,对于不同惯量通过调节惯量盘上的惯量来完成。
优选的,该伺服控制系统测试平台还包括电源,用于同时为工控机,高算力解算平台,控制器,驱动器,加载平台,伺服机构,旋变传感器,力传感器,位置传感器进行控制电和功率电的供应。
优选的,摩擦非线性解算模块的模型建立方法为:
将被测的伺服机构安装在相同的加载平台上,采用相同的工控机,控制器,驱动器以及测试指令,来完成不少于一定数量次数的测试,采用的测试指令为三角函数,选取不同的频率值,在某一刚度的情况下,完成伺服机构位移量的测量,实时采集电流数值,以电流为输入,测量的位移量为输出,建立摩擦非线性解算模块模型。
优选的,负载刚度非线性解算模块的模型建立方法为:
将被测的伺服机构安装在相同的加载平台上,采用相同的工控机,控制器,驱动器以及测试指令,来完成不少于一定数量次数的测试,采用的测试指令为斜坡函数,选取不同的斜率值,并通过调节钢板固定作用点设置不同的负载刚度,完成伺服机构位移量的测量,实时采集电流数值,以电流为输入,测量的位移量为输出,建立负载刚度非线性解算模块模型。
一种基于数据和模型的伺服控制系统测试方法,包括:
建立摩擦非线性解算模块模型,将被测伺服系统安装在加载平台上,使用工控机,控制器,驱动器连接被测伺服系统,旋变传感器实时测量电机的旋转角度,并反馈给控制器和工控机,力传感器实时测量伺服机构所受到的外部负载并反馈给控制器和工控机,位置传感器实时测量伺服机构的运动行程量并反馈给控制器和工控机,工控机下发三角函数测试指令,以w1的频率,在某一刚度的情况下,完成不少于20次的测量,测量伺服机构位移量并实时采集电流数值,依照此方法依次完成w2,w3,w4,w5的频率,在某一刚度的情况下,完成不少于20次的测量,测量伺服机构位移量并实时采集电流数值,然后将电流为输入,测量的位移量为输出,建立负载刚度非线性解算模块模型;
建立负载刚度非线性解算模块模型,将被测伺服系统安装在加载平台上,使用工控机,控制器,驱动器连接被测伺服系统,旋变传感器实时测量电机的旋转角度,并反馈给控制器和工控机,力传感器实时测量伺服机构所受到的外部负载并反馈给控制器和工控机,位置传感器实时测量伺服机构的运动行程量并反馈给控制器和工控机,工控机下发斜坡函数测试指令,以a1的频率,在某一刚度的情况下,完成不少于20次的测量,测量伺服机构位移量并实时采集电流数值,依照此方法依次完成a2,a3,a4,a5的斜率,在某一刚度的情况下,完成不少于20次的测量,测量伺服机构位移量并实时采集电流数值,然后将电流为输入,测量的位移量为输出,建立负载刚度非线性解算模块模型;
搭建测试硬件平台,将工控机、高算力解算平台、控制器、驱动器、被测伺服系统、加载平台、旋变传感器、力传感器、位置传感器通过线缆依次连接,电源同时为工控机,高算力解算平台,控制器,驱动器,加载平台,伺服机构,旋变传感器,力传感器,位置传感器进行控制电和功率电的供应;
在工控机上的与高算力解算平台相匹配的上位机软件中建立被测伺服系统的模型,并将摩擦非线性解算模块模型和负载刚度非线性解算模块模型写入被测伺服系统的模型中;
将被测伺服系统的模型中的测试指令设定为暂态信号,通过与高算力解算平台相匹配的通信接口传递给高算力解算平台及控制器,控制器将控制指令发递给驱动器并驱动伺服机构运动,旋变传感器、力传感器、位置传感器实时测量伺服系统驱动电机角度值,线位移值以及负载值,并反馈给高算力解算平台,高算力解算平台接收以上信号并结合摩擦非线性解算模块模型、负载刚度非线性解算模块模型完成位置误差补偿量的解算,对被测伺服系统的位置误差进行前馈补偿,当所获得的动态性能及精度不能满足要求时,高算力解算平台对摩擦非线性解算模块模型、负载刚度非线性解算模块模型进行实时更新,直至动态性能及精度满足要求。
优选的,被测伺服系统的模型中的测试指令除以上的暂态信号,还包括扫频信号和或位置信号,测试步骤与暂态信号的情况相同。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果:
(1)通过建立摩擦非线性解算模块模型、负载刚度非线性解算模块模型,使得伺服系统的仿真模型更加准确,仿真精度得到进一步提高,更加逼近真实工况;
(2)本发明提供了一种建立摩擦非线性解算模块模型、负载刚度非线性解算模块模型的实验测试方法;
(3)本发明提出了一种能够直接采用与高算力解算平台直接相连且编程简便的测试平台及方法,不需要在matlab等仿真软件完成理论研究,再去编写编译语言的繁琐过程;
(4)摩擦非线性解算模块模型、负载刚度非线性解算模块模型可通过高算力解算平台实时接收各个传感器,根据动态性能及精度指标要求,实现对以上两个模型的自动更新。
附图说明
图1为硬件结构连接图。
图2为控制原理图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
本发明提出了一种基于数据和模型的新型伺服控制系统测试平台及方法,该平台包含工控机、高算力解算平台、驱动器、实时通信卡、角度传感器、转矩传感器、摩擦非线性解算模块、负载刚度非线性解算模块,如图1和图2所示。
工控机安装高算力解算平台的上位机软件,上位机软件可实现测试指令发送、伺服系统模型搭建及修改、信号输出。
高算力解算平台可实现对智能算法的快速解算。
实时通信卡将高算力解算平台解算完的指令传递给驱动器,由驱动器完成对伺服机构的驱动。
摩擦非线性解算模块通过不同数值的正弦信号反复试验获得大量数据并通过智能算法学习建立。
负载刚度非线性解算模块通过不同数值的斜坡信号反复试验获得大量数据并通过智能算法学习建立。
在测试过程中实时获得反馈数据更新摩擦非线性解算模块、负载刚度非线性解算模块模型。本发明为采用智控制算法的伺服系统提供在线测试手段。
一种基于数据和模型的新型伺服控制系统测试方法,包括:
(1)在上位机软件中建立伺服系统模型,模型输出电机驱动的PWM波。
(2)在伺服系统模型中,添加基于机器学习的摩擦非线性解算模块及负载刚度非线性解算模块,用来实时解算反馈回来的摩擦非线性参数及负载刚度非线性参数,从而不断修正模型中的控制器参数,此类模块在高算力解算平台上完成运算。
(3)摩擦非线性解算模块在添加之前需要大量试验建立,负载刚度非线性解算模块需要大量试验建立。
(4)工控机、高算力解算平台、电机通过CAN总线的方式,完成实时通信。
(5)在运行过程中,各模块反复学习更新。
实施例:
一种基于数据和模型的伺服控制系统测试平台,包括:工控机,高算力解算平台,控制器,驱动器,加载平台,电源,旋变传感器,力传感器,位置传感器,摩擦非线性解算模块,负载刚度非线性解算模块。
工控机,可搭载与高算力解算平台相匹配的上位机软件,上位机软件可以完成伺服系统模型的搭建,测试指令的修改及加载,硬件上安装与高算力解算平台相匹配的通信接口,包含多路CAN接口,多路穿行接口,通过上位机软件实现测试指令的实时发送;
高算力解算平台,内部具有可以处理大数据解算模块的硬件,能够将工控机的上位机软件程序下载到高算力解算平台上进行实时解算,能够实时接收各类传感器的信号,并结合摩擦非线性解算模块、负载刚度非线性解算模块进行解算出位置误差补偿量,在完成一个周期的解算之后,通过使用新的数据对摩擦非线性解算模块、负载刚度非线性解算模块进行更新;
控制器,可以接受来自高算力解算平台的测试指令以及摩擦非线性解算模块、负载刚度非线性解算模块解算后的反馈信号,在控制器完成系统三环的计算,并将信号传递给驱动器;
驱动器,接收控制器指令,驱动伺服机构完成相应动作;
加载平台,可实现对伺服机构进行不同刚度、不同惯量的被动加载,对于不同刚度通过手动调节钢板固定作用点来完成,对于不同惯量通过调节惯量盘上的惯量来完成;
旋变传感器安装在伺服机构的驱动电机上,用来实时测量电机的旋转角度,并反馈给高算力解算平台;
力传感器安装在伺服机构与加载平台之间,用来实时测量伺服机构所受到的外部负载并反馈给高算力解算平台;
位置传感器安装在伺服机构与加载平台之间,用来实时测量伺服机构的运动行程量并反馈给高算力解算平台;
电源同时为工控机,高算力解算平台,控制器,驱动器,加载平台,伺服机构,旋变传感器,力传感器,位置传感器进行控制电和功率电的供应;
摩擦非线性解算模块模型是采用有监督学习的方式建立的,即将被测的伺服机构安装在相同的加载平台上,采用相同的工控机,控制器,驱动器以及测试指令,来完成不少于一定数量次数的测试,采用的测试指令为三角函数,选取w1,w2,w3,w4,w5一系列不同的频率值,在某一刚度的情况下,完成伺服机构位移量的测量,并实时采集电流数值,以电流为输入,测量的位移量为输出,建立摩擦非线性解算模块模型;
负载刚度非线性解算模块模型是采用有监督学习的方式建立的,即将被测的伺服机构安装在相同的加载平台上,采用相同的工控机,控制器,驱动器以及测试指令,来完成不少于一定数量次数的测试,采用的测试指令为斜坡函数,选取a1,a2,a3,a4,a5一系列不同的斜率值,并通过调节钢板固定作用点设置不同的负载刚度K1,K2,K3,K4,K5,完成伺服机构位移量的测量,并实时采集电流数值,以电流为输入,测量的位移量为输出,建立负载刚度非线性解算模块模型;
一种基于数据和模型的伺服控制系统测试方法,包括:
建立摩擦非线性解算模块模型,将被测伺服系统安装在加载平台上,使用工控机,控制器,驱动器连接被测伺服系统,旋变传感器实时测量电机的旋转角度,并反馈给控制器和工控机,力传感器实时测量伺服机构所受到的外部负载并反馈给控制器和工控机,位置传感器实时测量伺服机构的运动行程量并反馈给控制器和工控机,工控机下发三角函数测试指令,以w1的频率,在某一刚度的情况下,完成不少于20次的测量,测量伺服机构位移量并实时采集电流数值,依照此方法依次完成w2,w3,w4,w5的频率,在某一刚度的情况下,完成不少于20次的测量,测量伺服机构位移量并实时采集电流数值,然后将电流为输入,测量的位移量为输出,建立负载刚度非线性解算模块模型;
建立负载刚度非线性解算模块模型,将被测伺服系统安装在加载平台上,使用工控机,控制器,驱动器连接被测伺服系统,旋变传感器实时测量电机的旋转角度,并反馈给控制器和工控机,力传感器实时测量伺服机构所受到的外部负载并反馈给控制器和工控机,位置传感器实时测量伺服机构的运动行程量并反馈给控制器和工控机,工控机下发斜坡函数测试指令,以a1的频率,在某一刚度的情况下,完成不少于20次的测量,测量伺服机构位移量并实时采集电流数值,依照此方法依次完成a2,a3,a4,a5的斜率,在某一刚度(K1,K2,K3,K4,K5)的情况下,完成不少于20次的测量,测量伺服机构位移量并实时采集电流数值,然后将电流为输入,测量的位移量为输出,建立负载刚度非线性解算模块模型;
搭建测试硬件平台,将工控机、高算力解算平台、控制器、驱动器、被测伺服系统、加载平台、旋变传感器、力传感器、位置传感器通过线缆依次连接,电源同时为工控机,高算力解算平台,控制器,驱动器,加载平台,伺服机构,旋变传感器,力传感器,位置传感器进行控制电和功率电的供应;
在工控机上的与高算力解算平台相匹配的上位机软件中建立被测伺服系统的模型,并将摩擦非线性解算模块模型和负载刚度非线性解算模块模型写入被测伺服系统的模型中;
将被测伺服系统的模型中的测试指令设定为暂态信号,通过与高算力解算平台相匹配的通信接口传递给高算力解算平台及控制器,控制器将控制指令发递给驱动器并驱动伺服机构运动,旋变传感器、力传感器、位置传感器实时测量伺服系统驱动电机角度值,线位移值以及负载值,并反馈给高算力解算平台,高算力解算平台接收以上信号并结合摩擦非线性解算模块模型、负载刚度非线性解算模块模型完成位置误差补偿量的解算,对被测伺服系统的位置误差进行前馈补偿,当所获得的动态性能及精度不能满足要求时,高算力解算平台对摩擦非线性解算模块模型、负载刚度非线性解算模块模型进行实时更新,直至动态性能及精度满足要求;
被测伺服系统的模型中的测试指令除以上的暂态信号,还可以设定为扫频信号及位置信号,具体方法与以上描述相同。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上,但其并不是用来限定本发明,任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内,都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改,因此,凡是未脱离本发明技术方案的内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰,均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于数据和模型的伺服控制系统测试平台,其特征在于,包括:工控机、高算力解算平台、控制器、驱动器、加载平台、旋变传感器、力传感器、位置传感器、摩擦非线性解算模块、负载刚度非线性解算模块;
工控机,搭载与高算力解算平台相匹配的上位机软件,上位机软件用于完成伺服系统模型的搭建,测试指令的修改及加载;
高算力解算平台,用于将工控机的上位机软件程序下载到高算力解算平台上进行实时解算,用于实时接收所有传感器的信号,解算出位置误差补偿量,在完成一个周期的解算之后,对摩擦非线性解算模块、负载刚度非线性解算模块进行更新;
控制器,基于反馈信号完成系统三环计算,并将信号传递给驱动器;
驱动器,接收控制器指令,驱动伺服机构完成相应动作;
加载平台,用于对伺服机构进行不同刚度、不同惯量的被动加载;
旋变传感器安装在伺服机构的驱动电机上,用来实时测量电机的旋转角度,并反馈给高算力解算平台;
力传感器安装在伺服机构与加载平台之间,用来实时测量伺服机构所受到的外部负载并反馈给高算力解算平台;
位置传感器安装在伺服机构与加载平台之间,用来实时测量伺服机构的运动行程量并反馈给高算力解算平台;
摩擦非线性解算模块的模型采用有监督学习的方式建立;
负载刚度非线性解算模块的模型采用有监督学习的方式建立。
2.根据权利要求1所述的伺服控制系统测试平台,其特征在于,工控机,硬件上安装与高算力解算平台相匹配的通信接口,包含多路CAN接口,多路穿行接口,通过上位机软件实现测试指令的实时发送。
3.根据权利要求1所述的伺服控制系统测试平台,其特征在于,高算力解算平台,用于实时接收所有传感器的信号,并结合摩擦非线性解算模块、负载刚度非线性解算模块解算出位置误差补偿量。
4.根据权利要求1所述的伺服控制系统测试平台,其特征在于,控制器,用于接收来自高算力解算平台的测试指令以及摩擦非线性解算模块、负载刚度非线性解算模块解算后的反馈信号,在控制器完成系统三环的计算。
5.根据权利要求1所述的伺服控制系统测试平台,其特征在于,对于不同刚度通过手动调节钢板固定作用点来完成,对于不同惯量通过调节惯量盘上的惯量来完成。
6.根据权利要求1所述的伺服控制系统测试平台,其特征在于,该伺服控制系统测试平台还包括电源,用于同时为工控机,高算力解算平台,控制器,驱动器,加载平台,伺服机构,旋变传感器,力传感器,位置传感器进行控制电和功率电的供应。
7.根据权利要求1所述的伺服控制系统测试平台,其特征在于,摩擦非线性解算模块的模型建立方法为:
将被测的伺服机构安装在相同的加载平台上,采用相同的工控机,控制器,驱动器以及测试指令,来完成不少于一定数量次数的测试,采用的测试指令为三角函数,选取不同的频率值,在某一刚度的情况下,完成伺服机构位移量的测量,实时采集电流数值,以电流为输入,测量的位移量为输出,建立摩擦非线性解算模块模型。
8.根据权利要求1所述的伺服控制系统测试平台,其特征在于,负载刚度非线性解算模块的模型建立方法为:
将被测的伺服机构安装在相同的加载平台上,采用相同的工控机,控制器,驱动器以及测试指令,来完成不少于一定数量次数的测试,采用的测试指令为斜坡函数,选取不同的斜率值,并通过调节钢板固定作用点设置不同的负载刚度,完成伺服机构位移量的测量,实时采集电流数值,以电流为输入,测量的位移量为输出,建立负载刚度非线性解算模块模型。
9.一种基于数据和模型的伺服控制系统测试方法,其特征在于,包括:
建立摩擦非线性解算模块模型,将被测伺服系统安装在加载平台上,使用工控机,控制器,驱动器连接被测伺服系统,旋变传感器实时测量电机的旋转角度,并反馈给控制器和工控机,力传感器实时测量伺服机构所受到的外部负载并反馈给控制器和工控机,位置传感器实时测量伺服机构的运动行程量并反馈给控制器和工控机,工控机下发三角函数测试指令,以w1的频率,在某一刚度的情况下,完成不少于20次的测量,测量伺服机构位移量并实时采集电流数值,依照此方法依次完成w2,w3,w4,w5的频率,在某一刚度的情况下,完成不少于20次的测量,测量伺服机构位移量并实时采集电流数值,然后将电流为输入,测量的位移量为输出,建立负载刚度非线性解算模块模型;
建立负载刚度非线性解算模块模型,将被测伺服系统安装在加载平台上,使用工控机,控制器,驱动器连接被测伺服系统,旋变传感器实时测量电机的旋转角度,并反馈给控制器和工控机,力传感器实时测量伺服机构所受到的外部负载并反馈给控制器和工控机,位置传感器实时测量伺服机构的运动行程量并反馈给控制器和工控机,工控机下发斜坡函数测试指令,以a1的频率,在某一刚度的情况下,完成不少于20次的测量,测量伺服机构位移量并实时采集电流数值,依照此方法依次完成a2,a3,a4,a5的斜率,在某一刚度的情况下,完成不少于20次的测量,测量伺服机构位移量并实时采集电流数值,然后将电流为输入,测量的位移量为输出,建立负载刚度非线性解算模块模型;
搭建测试硬件平台,将工控机、高算力解算平台、控制器、驱动器、被测伺服系统、加载平台、旋变传感器、力传感器、位置传感器通过线缆依次连接;
在工控机上的与高算力解算平台相匹配的上位机软件中建立被测伺服系统的模型,并将摩擦非线性解算模块模型和负载刚度非线性解算模块模型写入被测伺服系统的模型中;
将被测伺服系统的模型中的测试指令设定为暂态信号,通过与高算力解算平台相匹配的通信接口传递给高算力解算平台及控制器,控制器将控制指令发递给驱动器并驱动伺服机构运动,旋变传感器、力传感器、位置传感器实时测量伺服系统驱动电机角度值,线位移值以及负载值,并反馈给高算力解算平台,高算力解算平台接收以上信号并结合摩擦非线性解算模块模型、负载刚度非线性解算模块模型完成位置误差补偿量的解算,对被测伺服系统的位置误差进行前馈补偿,当所获得的动态性能及精度不能满足要求时,高算力解算平台对摩擦非线性解算模块模型、负载刚度非线性解算模块模型进行实时更新,直至动态性能及精度满足要求。
10.根据权利要求9所述的伺服控制系统测试方法,其特征在于,被测伺服系统的模型中的测试指令除以上的暂态信号,还包括扫频信号和或位置信号,测试步骤与暂态信号的情况相同。
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