電磁致驅(qū)動定位控制方法及其應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種電磁致驅(qū)動定位控制方法，包括如自適應(yīng)反饋控制過程和/或自適應(yīng)前饋控制過程。其中，自適應(yīng)反饋控制過程主要包括模型在線識別、輸出量預(yù)測和輸入電流控制，根據(jù)辨識誤差，連續(xù)不斷的進(jìn)行得到被控系統(tǒng)最小辨識誤差，實(shí)現(xiàn)一個循環(huán)的閉環(huán)控制；自適應(yīng)前饋控制過程主要包括向前饋控制模型中賦予被控系統(tǒng)的控制電流，并得到被控系統(tǒng)的實(shí)際輸出位移，實(shí)現(xiàn)一個循環(huán)的開環(huán)控制。同時還提供了上述控制方法的應(yīng)用。本發(fā)明在被控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型未知或時變的情況下，使被控系統(tǒng)面向最優(yōu)或次優(yōu)的狀態(tài)自動調(diào)整和運(yùn)行，提高了時變干擾下被控系統(tǒng)的驅(qū)動實(shí)時性、精度和效率。
【專利說明】電磁致驅(qū)動定位控制方法及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及精密驅(qū)動定位控制【技術(shù)領(lǐng)域】，具體是一種用于電磁、電磁永磁復(fù)合以及磁致伸縮等智能材料定位驅(qū)動器或振動裝置驅(qū)動位移或驅(qū)動振幅精確控制的電磁致驅(qū)動定位控制方法及其應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]在精密驅(qū)動控制領(lǐng)域，為提高輸出位移控制精度，工程上往往采用閉環(huán)控制方法。該種控制方法，具體而言，就是針對被控驅(qū)動器的物理或結(jié)構(gòu)特征，先離線構(gòu)建被控對象數(shù)學(xué)模型，然后基于該模型實(shí)現(xiàn)基于前饋或反饋的控制算法，完成對該驅(qū)動器輸出位移的控制。如研究論文楊斌堂、徐彭有等的“大行程精密定位超磁致伸縮驅(qū)動器的設(shè)計(jì)與控制”研究(《機(jī)械工程學(xué)報(bào)》，2012，第48卷第一期，25-31頁)所提出的一種閉環(huán)控制方法就是根據(jù)磁致伸縮驅(qū)動器的物理特征機(jī)理，根據(jù)磁致伸縮本構(gòu)關(guān)系以及Jiles-Atherton模型建立磁致伸縮驅(qū)動模型，然后通過建立其逆模型，確定位移輸出所對應(yīng)的輸入電信號量值，完成前饋或反饋控制。這種方法，可以提高精確位移控制速度，在定常環(huán)境下會較好地提高驅(qū)動位移精度。然而，由于這種方法是通過被控制對象固有的物理或給定的結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)特征構(gòu)建的模型(傳遞函數(shù)模型)，它不適用于非定常環(huán)境和時變被控對象/系統(tǒng)，即用離線的固定的模型對非定常的變化被控驅(qū)動器(執(zhí)行器)對象進(jìn)行控制，顯然存在較大問題，這也是目前一些傳統(tǒng)的控制方法，不易實(shí)現(xiàn)實(shí)際工況下驅(qū)動系統(tǒng)精確驅(qū)動控制的一個主要原因。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足，提供了一種電磁致驅(qū)動定位控制方法及其應(yīng)用。該控制方法針對磁致、或智能材料驅(qū)動器在時變系統(tǒng)環(huán)境下，利用構(gòu)建級數(shù)模型，在線實(shí)時構(gòu)建被控驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動模型(傳遞函數(shù)模型)，實(shí)現(xiàn)被控制對象在實(shí)際工程環(huán)境下，或系統(tǒng)時變干擾情況下的驅(qū)動位移的快速、精確驅(qū)動實(shí)現(xiàn)和驅(qū)動位移控制。
[0004]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
[0005]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種電磁致驅(qū)動定位控制方法，包括如下任一個或任多個過程:
[0006]-自適應(yīng)反饋控制過程，包括如下步驟:
[0007]步驟1.1，模型在線識別:建立被控系統(tǒng)的受控自回歸滑動平均模型(CARMA)，通過受控自回歸滑動平均模型與遞推增廣最小二乘法(RELS)相結(jié)合，對被控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)模型在線構(gòu)建和辨識，形成辨識模型；
[0008]步驟1.2，輸出量預(yù)測:利用步驟I中得到的辨識模型，并對辨識模型通過改進(jìn)的廣義預(yù)測控制算法進(jìn)行自校正控制，對辨識模型的輸出量做出預(yù)測，得到辨識位移；
[0009]步驟1.3，輸入電流控制:設(shè)定被控系統(tǒng)的期望位移，并根據(jù)期望位移向被控系統(tǒng)加載相應(yīng)的控制電流，采集被控系統(tǒng)的實(shí)際輸出位移，實(shí)現(xiàn)一個循環(huán)的閉環(huán)控制；[0010]步驟1.4，比較辨識位移和實(shí)際輸出位移，得到辨識誤差；
[0011]步驟1.5，根據(jù)辨識誤差，重復(fù)步驟1.1至步驟1.4，連續(xù)不斷的進(jìn)行模型在線識另IJ、輸出量預(yù)測以及輸入電流控制，得到被控系統(tǒng)最小辨識誤差，最終實(shí)現(xiàn)被控系統(tǒng)的精密定位控制；
[0012]-自適應(yīng)前饋控制過程，包括如下步驟:
[0013]步驟2.1，建立被控系統(tǒng)的前饋控制模型；
[0014]步驟2.2，向前饋控制模型中賦予被控系統(tǒng)的控制電流，并得到被控系統(tǒng)的實(shí)際輸出位移，實(shí)現(xiàn)一個循環(huán)的開環(huán)控制。
[0015]優(yōu)選地，所述步驟2.1中，前饋控制模型通過以下方式建立:
[0016]-建立被控系統(tǒng)的受控自回歸滑動平均模型，通過受控自回歸滑動平均模型與遞推增廣最小二乘法相結(jié)合，對被控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)模型在線構(gòu)建和辨識，形成辨識前饋模型；或
[0017]利用經(jīng)典物理關(guān)系，建立被控系統(tǒng)的輸入控制電流和實(shí)際輸出位移之間的關(guān)系前饋模型。
[0018]優(yōu)選地，所述被控系統(tǒng)的受控自回歸滑動平均模型采用矩陣元素建立。
[0019]優(yōu)選地，所述步驟1.2中，改進(jìn)的廣義預(yù)測控制算法具體包括如下步驟:
[0020]步驟1.2.1，采用矩陣元素建立被控系統(tǒng)的受控自回歸滑動平均模型:
[0021]O (z_1) y (k) = z_dP (z_1) u (k) +R (ζ_1) ξ (k)
[0022]0(ζ~' ) = 1 + O1Z-1 + 02Ζ~2 + …+ O”。:—"。
[0023]P(z~l) = P0+ P1^1 + Ρ,Χ1 +...+ ρΗρΖ—ηρ O0 豐 O)
[0024]i?(z_1) = 1 + rjZ-1 + r2z~2 +…+ rn z~'K
[0025]式中，u(k)和y (k)分別為被控系統(tǒng)的輸入和輸出；ξ (k)為被控系統(tǒng)隨機(jī)擾動；夕為滯后一步算子，即Z4yQO =y(k-l) ;0、P、R分別為被控系統(tǒng)的輸出、輸入和擾動系數(shù)；k為米集點(diǎn)；d為被控系統(tǒng)的純延時；n。、np、nr為分別為|旲型結(jié)構(gòu)的階次；Ρο為|旲型對k時刻輸入的加權(quán)系數(shù)分別為模型對k-Ι時亥lj、k-2時刻，“.1?-η。時刻輸出的加權(quán)系數(shù)；Α，~…，Λ,分別為模型對k-Ι時刻、k-2時刻，-k-np時刻輸入的加權(quán)系數(shù)；'?，~..4分別為模型對k-Ι時亥lj、k-2時刻，…k-r^時刻擾動的加權(quán)系數(shù)；
[0026]步驟1.2.2，將被控系統(tǒng)設(shè)定為在未來某一段時間內(nèi)，被控系統(tǒng)實(shí)際輸出位移序列能夠成功跟蹤期望位移序列；將被控系統(tǒng)實(shí)際輸出位移序列和期望位移序列的方差最小化，進(jìn)而使被控系統(tǒng)的輸入控制電流的總能量最小，如下式:
[0027]J = E {(Y-Yr)T (Y-Yr) + Λ Ut gamma Λ U}
[0028]式中，
[0029]Y = [y (k+1), y (k+2),..., y(k+N)]T
[0030]Yr = [yr(k+l), yr(k+2),..., yr (k+N)]T
[0031]AU= [ Δ u (k), Au (k+1),..., Δ u (k+Nu~l) ]T
[0032]gamma = diag(/,,r2,...,rv )
[0033]y(k+j)和yr(k+j)為被控對象在k+j時刻的預(yù)測輸出及期望位移，j = 1，2，…，N ;N為系統(tǒng)的位移輸出長度；NU是系統(tǒng)的控制信號序列長度；AuGO為k時刻的控制增量；Au (k+j)為k+j時刻的控制增量，j = 1,2, , Nu-1 ；rj為控制信號的加權(quán)系數(shù)，j = 1，2,..., Nu ;J為被控系統(tǒng)的性能指標(biāo)；
[0034]步驟1.2.3，根據(jù)步驟1.2.2中得到的廣義預(yù)測控制律，可得當(dāng)前時刻的輸入電流控制量為:
[0035]u(k) = u(k-l) + [l 0...0] (GtG+ )^1Gt(Yr-Ym))
[0036]
【權(quán)利要求】
1.一種電磁致驅(qū)動定位控制方法，其特征在于，包括如下任一個或任多個過程: -自適應(yīng)反饋控制過程，包括如下步驟: 步驟1.1，模型在線識別:建立被控系統(tǒng)的受控自回歸滑動平均模型，通過受控自回歸滑動平均模型與遞推增廣最小二乘法相結(jié)合，對被控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)模型在線構(gòu)建和辨識，形成辨識模型； 步驟1.2，輸出量預(yù)測:利用步驟I中得到的辨識模型，并對辨識模型通過改進(jìn)的廣義預(yù)測控制算法進(jìn)行自校正控制，對辨識模型的輸出量做出預(yù)測，得到辨識位移； 步驟1.3，輸入電流控制:設(shè)定被控系統(tǒng)的期望位移，并根據(jù)期望位移向被控系統(tǒng)加載相應(yīng)的控制電流，采集被控系統(tǒng)的實(shí)際輸出位移，實(shí)現(xiàn)一個循環(huán)的閉環(huán)控制； 步驟1.4，比較辨識位移和實(shí)際輸出位移，得到辨識誤差； 步驟1.5，根據(jù)辨識誤差，重復(fù)步驟1.1至步驟1.4，連續(xù)不斷的進(jìn)行模型在線識別、輸出量預(yù)測以及輸入電流控制，得到被控系統(tǒng)最小辨識誤差，最終實(shí)現(xiàn)被控系統(tǒng)的精密定位控制； -自適應(yīng)前饋控制過程，包括如下步驟: 步驟2.1，建立被控系統(tǒng)的前饋控制模型； 步驟2.2，向前饋控制模型中賦予被控系統(tǒng)的控制電流，并得到被控系統(tǒng)的實(shí)際輸出位移，實(shí)現(xiàn)一個循環(huán)的開環(huán)控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁致驅(qū)動定位控制方法，其特征在于，所述步驟2.1中，前饋控制模型通過以下方式建立: -建立被控系統(tǒng)的受控自回歸滑動平均模型，通過受控自回歸滑動平均模型與遞推增廣最小二乘法相結(jié)合，對被控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)模型在線構(gòu)建和辨識，形成辨識前饋模型；或 -利用經(jīng)典物理關(guān)系，建立被控系統(tǒng)的輸入控制電流和實(shí)際輸出位移之間的關(guān)系前饋模型。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電磁致驅(qū)動定位控制方法，其特征在于，所述被控系統(tǒng)的受控自回歸滑動平均模型采用矩陣元素建立。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁致驅(qū)動定位控制方法，其特征在于，所述步驟1.2中，改進(jìn)的廣義預(yù)測控制算法具體包括如下步驟: 步驟1.2.1，采用矩陣元素建立被控系統(tǒng)的受控自回歸滑動平均模型:
0(z-1)y(k) = z_dP (z_1) u (k) +R(z_1) ξ (k)
Ο(ζ^) = 1 + O1Z 1 + O2Z^2 +...+ On^n''
尸(Ζ—1 ) = Po + PiZ'1 + ρ2ζ~2 + …+ Ρ、ζ-ηρ (ρ0 豐 O)
i?(z_1) = I + T1Z-1 +r^z~2 +…+ r(i z~"r 式中，u(k)和y(k)分別為被控系統(tǒng)的輸入和輸出；ξ (k)為被控系統(tǒng)隨機(jī)擾動-’z-1為滯后一步算子，即fyGO =y(k-l) ;0、P、R分別為被控系統(tǒng)的輸出、輸入和擾動系數(shù)；k為采集點(diǎn)；d為被控系統(tǒng)的純延時；n。、np、nr為分別為模型結(jié)構(gòu)的階次；P(I為模型對k時刻輸入的加權(quán)系數(shù)5分別為模型對k-Ι時刻、k-2時刻，".1?-η。時刻輸出的加權(quán)系數(shù)；~分別為模型對k-Ι時刻、k-2時刻，-k-np時刻輸入的加權(quán)系數(shù)；^，…4分別為模型對k-Ι時亥lj、k-2時亥lj，…k-r^時刻擾動的加權(quán)系數(shù)；步驟1.2.2，將被控系統(tǒng)設(shè)定為在未來某一段時間內(nèi)，被控系統(tǒng)實(shí)際輸出位移序列能夠成功跟蹤期望位移序列；將被控系統(tǒng)實(shí)際輸出位移序列和期望位移序列的方差最小化，進(jìn)而使被控系統(tǒng)的輸入控制電流的總能量最小，如下式:
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電磁致驅(qū)動定位控制方法，其特征在于，所述改進(jìn)的廣義預(yù)測控制算法還包括如下步驟: 步驟1.2.2.1，引入將來的輸入控制電流序列信息，進(jìn)行辨識位移的多步預(yù)測，具體為，對被控系統(tǒng)將來一段時間里的實(shí)際輸出位移序列做出預(yù)測，得到[y(k+l)，-,y(k+N)]； 步驟1.2.2.2，對被控系統(tǒng)某一段時域內(nèi)的輸入控制電流和實(shí)際輸出位移滾動求優(yōu)，獲得Iu (k+j) j = 0,1,…，Nu-1} Nu 個未來控制電流輸入； 步驟1.2.2.3，在當(dāng)前時刻k，僅對被控系統(tǒng)輸入當(dāng)前時刻k的控制作用u(k);到下一個控制時刻k+Ι，被控系統(tǒng)的性能指標(biāo)隨著時域的推移而發(fā)生更新，同時，利用新的輸入輸出數(shù)據(jù)計(jì)算新的控制序列，最終得到穩(wěn)定、平滑和實(shí)時的被控系統(tǒng)輸出。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁致驅(qū)動定位控制方法，其特征在于，所述自適應(yīng)反饋控制過程和自適應(yīng)前饋控制過程中，采用激光位移傳感器實(shí)時獲取被控系統(tǒng)的實(shí)際輸出位移數(shù)據(jù)，并基于串口通訊反饋給PC機(jī)。
7.一種用于巨磁致伸縮驅(qū)動器的電磁致驅(qū)動定位控制方法，其特征在于，采用了權(quán)利要求I至6中任一項(xiàng)所述的電磁致驅(qū)動定位控制方法。
8.一種用于智能材料驅(qū)動器的電磁致驅(qū)動定位控制方法，其特征在于，采用了權(quán)利要求I至6中任一項(xiàng)所述的電磁致驅(qū)動定位控制方法。
9.一種用于電磁-永磁磁致驅(qū)動驅(qū)動器及振動臺的電磁致驅(qū)動定位控制方法，其特征在于，采用了權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的電磁致驅(qū)動定位控制方法。
10.一種用于位移驅(qū)動機(jī)構(gòu)的電磁致驅(qū)動定位控制方法，其特征在于，采用了權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的電磁致驅(qū)動定位控制方法。
【文檔編號】G05B13/04GK103955136SQ201410178050
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月29日
【發(fā)明者】楊斌堂, 孫曉芬, 張婷, 鄧凱 申請人:上海交通大學(xué)