CN117272846A - 一种两自由度回转俯仰运动机构动态响应预测算法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及机械工程动力学技术领域,具体地涉及一种两自由度回转俯仰运动机构动态响应预测算法,包括:获取指令回转和俯仰角度;机理模型接收指令角度,计算理论回转俯仰角度;Stacking集成学习模型,以指令回转和俯仰角度和机理模型的计算数据作为输入,以机理模型计算的理论回转和俯仰角度与指令回转和俯仰角度之间的差值作为输出,将机理模型的计算数据作为Stacking集成学习模型的训练数据,使机理模型融入到集成学习模型中,以补偿指令角度与理论回转俯仰角度之间的残差;将残差与机理模型计算的理论回转俯仰角度相加得到预测的回转俯仰运动机构的动态响应。本发明能够对回转俯仰角实时预测,同时提高了预测精度和稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及机械工程动力学技术领域,具体地涉及一种两自由度回转俯仰运动机构动态响应预测算法。
背景技术
在机械系统中,回转俯仰运动机构的动态响应预测对于设计和控制具有重要意义。然而,为了提高预测精度,可通过回转俯仰运动机构进行动力学建模,同时进行动力学模型仿真。然而现有的动力学模型存在复杂物理过程难以用解析形式的数学模型描述、非线性拟合能力不强等问题。还可以采用机理与数据混合驱动的建模方法,该建模方法均采用了单一的神经网络模型,不合理的模型结构和超参数容易导致过拟合或欠拟合,限制了模型的预测精度和稳定性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点,提出设计一种两自由度回转俯仰运动机构动态响应预测算法,实现了回转俯仰角的实时预测,提高了预测精度和稳定性。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是:
一种两自由度回转俯仰运动机构动态响应预测算法,包括:
步骤1、获取指令回转和俯仰角度p t ;
步骤2、机理模型接收指令回转和俯仰角度,计算出理论回转俯仰角度pʹ t ;
步骤3、选取Stacking集成学习模型,以指令回转和俯仰角度和机理模型的计算数据作为输入,以机理模型计算的理论回转和俯仰角度与指令回转和俯仰角度之间的差值作为输出,将机理模型的计算数据作为Stacking集成学习模型的训练数据,使机理模型充分的融入到集成学习模型中,以补偿指令回转和俯仰角度与理论回转俯仰角度之间的残差e t ;
步骤4、将残差与机理模型计算的理论回转俯仰角度相加得到预测的回转俯仰运动机构的动态响应p t * :
p t * =pʹ t +e t 。
进一步的,所述机理模型包括伺服系统模型和动力学模型;所述伺服系统模型用于计算电机的位置、速度、力矩等;所述动力学模型用于计算回转俯仰运动机构的回转和俯仰角度、速度等。
进一步的,所述伺服系统模型采用永磁同步电机(PMSM,Permanent MagnetSynchronous Motor)的交流伺服系统,包括电流环、速度环和位置环组成的三环嵌套控制结构,最内环为电流环,包含电流控制器以及坐标变换、空间矢量脉宽调制(SVPWM,SpaceVector Pulse Width Modulation)。中间环和最外环分别为速度环和位置环,分别包含速度环控制器和位置环控制器。
进一步的,所述动力学模型包括:
回转运动部分,包括回转运动部分转动惯量J_r、回转角度θ_r、回转角速度ω_r、回转角加速度α_r、施加在回转部分上的扭矩T_r,其中,J_r*α_r=T_r;
俯仰运动部分,包括俯仰运动部分转动惯量J_p、俯仰角度θ_p、俯仰角速度ω_p、俯仰角加速度α_p、施加在俯仰部分上的扭矩T_p、阻尼力D_p、重力力矩G_p,其中,J_p*α_p=T_p-D_p-G_p;
联立运动部分,回转运动部分和俯仰运动部分之间存在耦合,耦合系数为K,回转角度和俯仰角度之间的相对运动角度为θ_rp,其中,K*(θ_r-θ_p-θ_rp)=0。
进一步的,所述Stacking集成学习模型包括三个基学习器:卷积神经网络(CNN,Convolutional Neural Networks)、长短期记忆网络(LSTM,Long Short-Term Memory)、LightGBM(LightGradient Boosting Machine)。本发明Stacking集成学习模型通过组合多个具有弱学习能力的基学习器以构建强学习器,以及通过迭代使用基学习器来补偿上一个基学习器的预测残差,并将各基学习器的预测结果加权作为集成模型的整体输出,能够有效的提高整体模型的精度。
进一步的,Stacking集成学习模型训练阶段:使用已标注的训练数据集,对所述Stacking集成学习模型进行训练,通过优化算法和反向传播,调整模型参数,使其能够预测出对应指令回转和俯仰角度下的残差;Stacking集成学习模型预测阶段:将指令回转和俯仰角度以及机理模型的计算数据输入至Stacking集成学习模型,由Stacking集成学习模型输出预测的残差。
本发明的技术效果:
与现有技术相比,本发明提出以机理模型为主体,以Stacking集成学习方法为补充,使机理模型充分的融入到集成学习模型中,能够补偿指令回转和俯仰角度与理论回转俯仰角度之间的残差,提高了预测精度和稳定性。
附图说明
图1为本发明两自由度回转俯仰运动机构动态响应预测算法流程图;
图2为本发明伺服系统模型结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面结合说明书附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1:
如图1所示,本实施例涉及的一种两自由度回转俯仰运动机构动态响应预测算法,包括:
步骤1、获取指令回转和俯仰角度p t ;
步骤2、机理模型接收指令回转和俯仰角度,计算出理论回转俯仰角度pʹ t ;
步骤3、选取Stacking集成学习模型,以指令回转和俯仰角度和机理模型的计算数据作为输入,以机理模型计算的理论回转和俯仰角度与指令回转和俯仰角度之间的差值作为输出,将机理模型的计算数据作为Stacking集成学习模型的训练数据,这种非端到端的数据集形式,使机理模型充分的融入到集成学习模型中,以补偿指令回转和俯仰角度与理论回转俯仰角度之间的残差e t ;
步骤4、将残差与机理模型计算的理论回转俯仰角度相加得到预测的回转俯仰运动机构的动态响应p t * :
p t * =pʹ t +e t 。
所述机理模型包括伺服系统模型和动力学模型;所述伺服系统模型用于计算电机的位置、速度、力矩等;所述动力学模型用于计算回转俯仰运动机构的回转和俯仰角度、速度等。
所述伺服系统模型采用永磁同步电机(PMSM,Permanent Magnet SynchronousMotor)交流伺服系统,其简化所述伺服系统模型如图2所示,包括电流环、速度环和位置环组成三环嵌套控制结构。最内环是电流环,包含电流控制器以及坐标变换、空间矢量脉宽调制(SVPWM,Space Vector Pulse Width Modulation)。中间环和最外环分别为速度环和位置环,分别包含速度环控制器和位置环控制器。
其中,θ d 为电机转动角度给定值,θ m 为电机实际转动角度,ω d 为转速给定值,ω m 为电机实际转速,i q * 为电流给定值,i q 为实际加载到电机的电流值,U d * 为定子绕组电压给定值,U d 为加载定子绕组的实际电压值,T m 为电机输入转矩,T L 为电机受到的负载转矩。各环路控制器多采用PID控制策略。位置环采用P控制器,速度环、电流环采用 PI控制器。
;
;
;
其中,J m 为电机转子转动惯量,B m 为粘滞摩擦因数,L q 为电感,R电机电阻,K T 是电机转矩常数,U q 为q轴的实际电压值,P n 为极对数,λ PM 为磁链,s用作拉普拉斯变换中的复变量。
在电流控制过程中,SVPWM逆变器一般简化为一阶惯性环节,传递函数为:
;
其中,K PWM 是逆变器放大倍数,T PWM 是逆变器的开关周期。
所述动力学模型包括:
回转运动部分,包括回转运动部分转动惯量J_r、回转角度θ_r、回转角速度ω_r、回转角加速度α_r、施加在回转部分上的扭矩T_r,其中,J_r*α_r=T_r;
俯仰运动部分,包括俯仰运动部分转动惯量J_p、俯仰角度θ_p、俯仰角速度ω_p、俯仰角加速度α_p、施加在俯仰部分上的扭矩T_p、阻尼力D_p、重力力矩G_p,其中,J_p*α_p=T_p-D_p-G_p;
联立运动部分,回转运动部分和俯仰运动部分之间存在耦合,耦合系数为K,回转角度和俯仰角度之间的相对运动角度为θ_rp,其中,K*(θ_r-θ_p-θ_rp)=0。
所述Stacking集成学习模型包括卷积神经网络(CNN,Convolutional NeuralNetworks)、长短期记忆网络(LSTM,Long Short-Term Memory)、LightGBM(LightGradientBoosting Machine)三个基学习器。CNN是卷积神经网络,特别适合用于提取特征。LSTM模型则通过时空建模以捕捉高维特征,用于处理图像、自然语言等问题。LightGBM是一种基于梯度提升决策树的机器学习模型,通过迭代地训练多个决策树,每颗树都是在前一棵树的残差上进行训练,以逐步提高模型的准确性。
Stacking集成学习模型训练阶段:使用已标注的训练数据集,对所述Stacking集成学习模型进行训练,通过优化算法和反向传播,调整模型参数,使其能够预测出对应指令回转和俯仰角度下的残差;Stacking集成学习模型预测阶段:将指令回转和俯仰角度以及机理模型的计算数据输入至Stacking集成学习模型,由Stacking集成学习模型输出预测的残差。在所述训练数据集上使用蒙特卡洛方法生成回转俯仰运动机构的随机轨迹,能够增加训练数据的多样性和涵盖性,从而进一步提高模型的预测准确性和泛化能力。
本发明能够对两自由度回转俯仰角的预测,首先利用机理模型计算出一个理论回转俯仰角度,其次,借助集成学习方法去补偿指令回转和俯仰角度与理论角度之间的残差。集成学习方法通过组合多个具有弱学习能力的基学习器以构建强学习器,相比于常见的单一CNN、LSTM 等深度神经网络模型(Deep Neural Networks, DNN),集成学习通过迭代使用基学习器来补偿上一个基学习器的预测残差,并将各基学习器的预测结果加权作为集成模型的整体输出,能够有效的提高整体模型的精度,捕获大范围数据,提高预测精度和稳定性。
上述具体实施方式仅是本发明的具体个案,本发明的专利保护范围包括但不限于上述具体实施方式,任何符合本发明权利要求书且任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰,皆应落入本发明的专利保护范围。
Claims (6)
1.一种两自由度回转俯仰运动机构动态响应预测算法,其特征在于,包括:
步骤1、获取指令回转和俯仰角度p t ;
步骤2、机理模型接收指令回转和俯仰角度,计算出理论回转俯仰角度pʹ t ;
步骤3、选取Stacking集成学习模型,以指令回转和俯仰角度和机理模型的计算数据作为输入,以机理模型计算的理论回转和俯仰角度与指令回转和俯仰角度之间的差值作为输出,将机理模型的计算数据作为Stacking集成学习模型的训练数据,使机理模型融入到集成学习模型中,以补偿指令回转和俯仰角度与理论回转俯仰角度之间的残差e t ;
步骤4、将残差与机理模型计算的理论回转俯仰角度相加得到预测的回转俯仰运动机构的动态响应p t * :
p t * =pʹ t +e t 。
2.根据权利要求1所述的两自由度回转俯仰运动机构动态响应预测算法,其特征在于,所述机理模型包括伺服系统模型和动力学模型;所述伺服系统模型用于计算电机的位置、速度、力矩;所述动力学模型用于计算回转俯仰运动机构的回转和俯仰角度、速度。
3.根据权利要求2所述的两自由度回转俯仰运动机构动态响应预测算法,其特征在于,所述伺服系统模型采用永磁同步电机的交流伺服系统,包括电流环、速度环和位置环组成的三环嵌套控制结构,最内环为电流环,包含电流控制器以及坐标变换、空间矢量脉宽调制;中间环和最外环分别为速度环和位置环,分别包含速度环控制器和位置环控制器。
4.根据权利要求2所述的两自由度回转俯仰运动机构动态响应预测算法,其特征在于,所述动力学模型包括:
回转运动部分,包括回转运动部分转动惯量J_r、回转角度θ_r、回转角速度ω_r、回转角加速度α_r、施加在回转部分上的扭矩T_r,其中,J_r*α_r=T_r;
俯仰运动部分,包括俯仰运动部分转动惯量J_p、俯仰角度θ_p、俯仰角速度ω_p、俯仰角加速度α_p、施加在俯仰部分上的扭矩T_p、阻尼力D_p、重力力矩G_p,其中,J_p*α_p=T_p-D_p-G_p;
联立运动部分,回转运动部分和俯仰运动部分之间存在耦合,耦合系数为K,回转角度和俯仰角度之间的相对运动角度为θ_rp,其中,K*(θ_r-θ_p-θ_rp)=0。
5.根据权利要求1所述的两自由度回转俯仰运动机构动态响应预测算法,其特征在于,所述Stacking集成学习模型包括三个基学习器:卷积神经网络、长短期记忆网络、LightGBM。
6.根据权利要求1-5任一项所述的两自由度回转俯仰运动机构动态响应预测算法,其特征在于,Stacking集成学习模型训练阶段:使用已标注的训练数据集,对所述Stacking集成学习模型进行训练,通过优化算法和反向传播,调整模型参数,使其能够预测出对应指令回转和俯仰角度下的残差;Stacking集成学习模型预测阶段:将指令回转和俯仰角度以及机理模型的计算数据输入至Stacking集成学习模型,由Stacking集成学习模型输出预测的残差。
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