專利名稱：一種交流位置伺服系統(tǒng)模型參數(shù)在線辨識(shí)和控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及交流永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)，特別涉及一種交流位置伺服系統(tǒng)模型參數(shù)在線辨識(shí)和控制方法，屬于同步電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
一個(gè)新的交流伺服系統(tǒng)建立以后，其諸多系統(tǒng)參數(shù)都是未知的，而控制系統(tǒng)的控制器參數(shù)都是依據(jù)系統(tǒng)的模型參數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)的。另外在許多控制問(wèn)題中，面向的對(duì)象通常是不確定的，工作負(fù)載的改變會(huì)導(dǎo)致伺服系統(tǒng)模型參數(shù)的變化。因此，一個(gè)高性能的交流伺服系統(tǒng)不僅要求系統(tǒng)能對(duì)伺服指令做出快速、準(zhǔn)確的響應(yīng)，而且還要求當(dāng)負(fù)載特征變化時(shí)，仍能保證系統(tǒng)具有良好的控制性能，這就要求伺服系統(tǒng)的控制器參數(shù)能夠隨負(fù)載特性作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。交流伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法一般分為三種，第一種是先離線辨識(shí)出系統(tǒng)模型參數(shù)，再根據(jù)辨識(shí)出的模型參數(shù)設(shè)計(jì)控制器參數(shù)，該方法效率比較低，并且離線辨識(shí)需要大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，要對(duì)多組數(shù)據(jù)進(jìn)行處理才能得到系統(tǒng)的參數(shù)，計(jì)算量很大，并且當(dāng)負(fù)載的變化導(dǎo)致系統(tǒng)模型參數(shù)變化時(shí)要重新進(jìn)行離線參數(shù)辨識(shí)，增加了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)間和工作量，專利申請(qǐng)?zhí)枮?007100M700. 4名稱為《一種交流位置伺服系統(tǒng)中干擾的觀測(cè)和補(bǔ)償方法》的中國(guó)專利介紹了參數(shù)變化等對(duì)被控對(duì)象控制性能的影響。第二種是先辨識(shí)出系統(tǒng)模型參數(shù)，再根據(jù)辨識(shí)出的模型參數(shù)在線設(shè)計(jì)控制器參數(shù)，并自動(dòng)切換到位置控制。第三種是位置自適應(yīng)控制算法，和第二種方法不同的是在控制系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中不斷進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)和控制器的修改，此種方法系統(tǒng)設(shè)計(jì)比較復(fù)雜難于實(shí)現(xiàn)，并且對(duì)控制系統(tǒng)的硬件要求較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)上的缺陷，提供一種交流位置伺服系統(tǒng)模型參數(shù)在線辨識(shí)和控制方法，以提高設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的效率。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種交流位置伺服系統(tǒng)模型參數(shù)在線辨識(shí)和控制方法，其特征在于，包括以下步驟1)設(shè)定交流伺服系統(tǒng)被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型利用一階微分方程表示為 J6 = -ito + w，其中ω是系統(tǒng)輸出速度，u是被控對(duì)象輸入速度信號(hào)，J和B是交流伺服系統(tǒng)被控對(duì)象的模型參數(shù)，是未知參數(shù)，分別是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和粘性阻尼系數(shù)；設(shè)定被控對(duì)象辨識(shí)的參考模型-JjK^-Bj^+a — ref， _ref是辨識(shí)輸入的外部參考信號(hào)，控制系統(tǒng)希望達(dá)到的控制性能指標(biāo)，參數(shù)丄和良分別為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和粘性阻尼系數(shù)在控制系統(tǒng)中希望達(dá)到的控制性能指標(biāo)，均為正數(shù)；2)在被控對(duì)象模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)中，將辨識(shí)的模型參數(shù)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J和粘性阻尼系數(shù)B的辨識(shí)值和其前一采樣周期的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J和粘性阻尼系數(shù)B進(jìn)行比較，直到它們的差值小于預(yù)先給定的性能指標(biāo)ε時(shí)停止辨識(shí)，輸出辨識(shí)的參數(shù)值J和B;3)根據(jù)步驟幻輸出的被控對(duì)象辨識(shí)的參數(shù)值在線計(jì)算位置控制器，并自動(dòng)切換到位置控制。前述的一種交流位置伺服系統(tǒng)模型參數(shù)在線辨識(shí)和控制方法，其特征在
于在所述步驟幻中，被控對(duì)象辨識(shí)的參考模型和實(shí)際模型參數(shù)之間的跟蹤偏差
采用比例運(yùn)算，控制規(guī)律為u = θ r(t) _ref- θ y(t) ω，其中θ Jt)和θ y(t)
是分別是t時(shí)刻的辨識(shí)值和參考模型參數(shù)的時(shí)變反饋增益，閉環(huán)系統(tǒng)函數(shù)為
= -(Β + θγ)ω!J + Orw_ref U ；跟蹤偏差為e =跟蹤偏差的動(dòng)態(tài)表達(dá)式為
... Bm .Bm Oy B. ￡ 1 . ,
β = ω-ω =——-e + (—-———)ω + (—--)ω ref 0
m J V J Jj yJ J
υ mυ m ° °° υ m前述的一種交流位置伺服系統(tǒng)模型參數(shù)在線辨識(shí)和控制方法，其特征在于在所述步驟2~)中，利用李雅普諾夫穩(wěn)定性判據(jù)判斷被控對(duì)象模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)是否穩(wěn)定，具體方法為李雅普諾夫 Lyapunov 函數(shù)為
V(e,er,6y) = ke2 +^( + ^-^)2 +^--L)2) γ 為自適應(yīng)增益，當(dāng) e = O、控制
2 r J J Jm r J Jm
器參數(shù)θ ^和θ y等于它們的最優(yōu)值時(shí)，李雅普諾夫函數(shù)V為零，V的導(dǎo)數(shù)為曼=—^么+丄在—丄)叢 dt dt γ J J J dt γ J J dt
/m‘m=—丄Λ.尋—苧—_+丄存―知苧+聲―re/)
人 Y J J J ㈣ dtγ J J ㈣ dt
m‘m‘m如果控制器參數(shù)根據(jù)自適應(yīng)規(guī)律，=-7咖— re/,，= 7規(guī)進(jìn)行更新，則
atat
dV Bm 2
得I = -/ 如果誤差e不等于零，函數(shù)V就減小，可以得出誤差將趨于零，判
m
斷出被控對(duì)象模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)是穩(wěn)定的。 自適應(yīng)規(guī)律的差分方程為
O fk)-0 fk-1)θ (k)-6 (k-1)
Λ) ^ J--Ye{k)a_ref{k)，"《J - Ye(k)a(k)，則轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和粘性阻尼系數(shù)的差分方程為■ — J, — 1) = -JmYe{k)rn_ref{k) ,MlMlll = -BmYe(k)a_ref(k)~ Ye{k)m{k)，Ts 為采樣周期，
er(k)、0y(k)、e(k)、ω (k)、co_ref(k)、J(k)、B(k)和 6r(k-l), θ y(k_l)、J(k_l)、B(k_l) 分別為第k個(gè)和第k-1個(gè)采樣周期的值。前述的一種交流位置伺服系統(tǒng)模型參數(shù)在線辨識(shí)和控制方法，其特征在于在所述步驟3)中，位置控制器采用PD控制，傳遞函數(shù)表示為G。(s) = Kp+Kds,則位置環(huán)的閉環(huán)
Kn +KdS
傳遞函數(shù)為…丄r、，根據(jù)二階系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)形式^^——r，得到ωη2
Js +^ + Kd)s + KpS + IgmnS + ωη
=Kp/J, 2 ζ ωη= (B+Kd)/J，mW&=^ 2，Kd = 24 ωη-Β，其中，KP+Kds 為位置控制器，其中Kp為比例系數(shù)，Kd為微分系數(shù)，s為拉普拉斯變量；令《 表示位置環(huán)的期望自然頻率， ζ表示位置環(huán)的期望阻尼比。本發(fā)明的有益效果是，利用基于李雅普諾夫(Lyapimov)穩(wěn)定性理論的模型參考自適應(yīng)辨識(shí)算法，對(duì)交流伺服系統(tǒng)被控對(duì)象的模型參數(shù)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J和粘性阻尼系數(shù)B進(jìn)行
5在線辨識(shí)，當(dāng)辨識(shí)參數(shù)收斂后，根據(jù)J和B的值在線設(shè)計(jì)位置控制器，并自動(dòng)切換到位置控制，大大提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的效率。


圖1為本發(fā)明的基于模型參數(shù)在線辨識(shí)和位置控制原理圖；圖2為被控對(duì)象模型參數(shù)在線辨識(shí)和位置控制流程圖；圖3為被控對(duì)象模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)的框圖；圖4為一階系統(tǒng)的模型參考自適應(yīng)辨識(shí)框圖；圖5為簡(jiǎn)化后的位置閉環(huán)原理框圖；圖6為位置控制輸出跟蹤曲線。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。圖1中γ、表示交流伺服系統(tǒng)被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型，J和B是交流伺服系統(tǒng)被控對(duì)
象的模型參數(shù)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和粘性阻尼系數(shù)，Kp+Kds為位置控制器，θ _ref為系統(tǒng)的位置控制輸入?yún)⒖夹盘?hào)，《_ref是辨識(shí)輸入的外部參考信號(hào)。被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型用一階微分方程表示為/6 = -50+W，其中ω是系統(tǒng)輸出速度，u是速度環(huán)輸入。圖2 中推)
權(quán)利要求
1.一種交流位置伺服系統(tǒng)模型參數(shù)在線辨識(shí)和控制方法，其特征在于，包括以下步驟1)設(shè)定交流伺服系統(tǒng)被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型利用一階微分方程表示為
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種交流位置伺服系統(tǒng)模型參數(shù)在線辨識(shí)和控制方法，其特征在于在所述步驟幻中，被控對(duì)象辨識(shí)的參考模型和實(shí)際模型參數(shù)之間的跟蹤偏差采用比例運(yùn)算，控制規(guī)律為U= er(t)co_ref-ey(t)co，其中ejt)和 0y(t)分別是t時(shí)刻的辨識(shí)值和參考模型參數(shù)的時(shí)變反饋增益，閉環(huán)系統(tǒng)函數(shù)為
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種交流位置伺服系統(tǒng)模型參數(shù)在線辨識(shí)和控制方法，其特征在于在所述步驟幻中，利用李雅普諾夫穩(wěn)定性判據(jù)判斷被控對(duì)象模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)是否穩(wěn)定，具體方法為李雅普諾夫 Lyapunov 函數(shù)為
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的一種交流位置伺服系統(tǒng)模型參數(shù)在線辨識(shí)和控制方法，其特征在于在所述步驟幻中，位置控制器采用PD控制，傳遞函數(shù)表示為
全文摘要
本發(fā)明公開了一種交流位置伺服系統(tǒng)模型參數(shù)在線辨識(shí)和控制方法，利用基于李雅普諾夫(Lyapunov)穩(wěn)定性理論的模型參考自適應(yīng)辨識(shí)算法，對(duì)交流伺服系統(tǒng)被控對(duì)象的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J和粘性阻尼系數(shù)B進(jìn)行在線辨識(shí)，當(dāng)辨識(shí)參數(shù)收斂后，根據(jù)J和B的值在線設(shè)計(jì)位置控制器，并自動(dòng)切換到位置控制，本發(fā)明可大大提高交流伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)的效率。
文檔編號(hào)G05B13/04GK102354107SQ20111014273
公開日2012年2月15日 申請(qǐng)日期2011年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月30日
發(fā)明者劉向紅, 李向國(guó), 梅志千 申請(qǐng)人:河海大學(xué)常州校區(qū)