動態(tài)前饋補償?shù)母倪M廣義預(yù)測自適應(yīng)控制方法及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及單自由度磁致伸縮驅(qū)動器及多自由度精密平臺驅(qū)動定位控制領(lǐng)域，具 體是一種用于單自由度驅(qū)動器及多自由度精密耦合驅(qū)動平臺的精密驅(qū)動定位以及振動主 動隔振的動態(tài)前饋補償?shù)母倪M廣義預(yù)測自適應(yīng)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，為實現(xiàn)高精密的驅(qū)動控制，自適應(yīng)控制技術(shù)得到越來越廣 泛的應(yīng)用。該種控制方法，本質(zhì)上是一種閉環(huán)反饋控制，通過在線或者離線構(gòu)建被控對象的 數(shù)學(xué)模型，并通過數(shù)學(xué)逆模型計算相應(yīng)的控制量，進而實現(xiàn)對被控對象的驅(qū)動控制。如研 宄論文楊斌堂孫曉芬等的"巨磁致伸縮自適應(yīng)精密驅(qū)動和振動控制研宄"（《噪聲與振動控 制》）中所提出的一種基于CARMA模型在線辨識出被控對象磁致伸縮驅(qū)動器的數(shù)學(xué)模型，并 基于改進的廣義預(yù)測自適應(yīng)控制方法實現(xiàn)被控對象的精密驅(qū)動定位及振動主動控制。
[0003] 然而，由于這種控制方法本質(zhì)上是一種閉環(huán)反饋控制，這種方法由于控制方法的 響應(yīng)速度總是存在一定的時滯，進而造成被控對象存在無可避免的控制誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了進一步提高被控對象的驅(qū)動控制精度，本發(fā)明結(jié)合前饋反饋控制以及自適應(yīng) 控制方法，提出了一種動態(tài)前饋補償?shù)母倪M廣義預(yù)測自適應(yīng)控制方法及其應(yīng)用，可以有效 的減少反饋控制時滯的影響，提高控制算法的精度和響應(yīng)速度。
[0005] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的。
[0006] 根據(jù)本發(fā)明的第一個方面，提供了一種動態(tài)前饋補償?shù)母倪M廣義預(yù)測自適應(yīng)控制 方法，包括如下步驟：
[0007] 基于受控自回歸滑動平均模型在線辨識出被控對象的實時數(shù)學(xué)模型A;
[0008] 將實時數(shù)學(xué)模型A用于前饋控制器，結(jié)合改進的廣義預(yù)測自適應(yīng)控制方法進行動 態(tài)前饋補償；
[0009] 將實時數(shù)學(xué)模型A用于反饋控制器，結(jié)合改進的廣義預(yù)測自適應(yīng)控制方法進行自 適應(yīng)反饋控制；
[0010] 最終實現(xiàn)被控對象的前饋反饋復(fù)合控制；
[0011] 所述改進的廣義預(yù)測自適應(yīng)控制方法具體為：
[0012] 在預(yù)測控制的基礎(chǔ)上進行動態(tài)前饋補償準(zhǔn)備、多步預(yù)測以及控制量求解；
[0013] 動態(tài)前饋補償準(zhǔn)備：
[0014] 通過實時數(shù)學(xué)模型A，將被控對象在線辨識的k時刻數(shù)學(xué)模型用于k+1時刻的前饋 模型，用于實現(xiàn)動態(tài)前饋補償；
[0015] 多步預(yù)測：
[0016] 將被控對象設(shè)定為在未來某一段時間內(nèi)，預(yù)測輸出位移序列跟蹤預(yù)先設(shè)定的期望 位移序列，進而得到改進的廣義預(yù)測自適應(yīng)控制規(guī)律表達(dá)式為：
[0017] J=E{(Y-Yr)T (Y-Yr) +AUtrAU}
[0018] 式中
【主權(quán)項】
1. 一種動態(tài)前饋補償?shù)母倪M廣義預(yù)測自適應(yīng)控制方法，其特征在于，包括如下步驟： 基于受控自回歸滑動平均模型在線辨識出被控對象的實時數(shù)學(xué)模型A; 將實時數(shù)學(xué)模型A用于前饋控制器，結(jié)合改進的廣義預(yù)測自適應(yīng)控制方法進行動態(tài)前 饋補償； 將實時數(shù)學(xué)模型A用于反饋控制器，結(jié)合改進的廣義預(yù)測自適應(yīng)控制方法進行自適應(yīng) 反饋控制； 最終實現(xiàn)被控對象的前饋反饋復(fù)合控制. 所述改進的廣義預(yù)測自適應(yīng)控制方法具體為： 通過實時數(shù)學(xué)模型A，將被控對象在線辨識的k時刻數(shù)學(xué)模型用于k+1時刻的前饋模 型，用于動態(tài)前饋補償； 將被控對象設(shè)定為在未來某一段時間內(nèi)，預(yù)測輸出位移序列跟蹤預(yù)先設(shè)定的期望位移 序列，進而得到改進的廣義預(yù)測自適應(yīng)控制規(guī)律表達(dá)式為： J=E{(Y-Yr)T(Y-Yr) +A護rAU} 式中 Y= [y化+1)，y化巧），…，y化+腳]T Yr= [yr(k+l)，yr化+2)，…，y,化+N)]t AU= [Au化)，Au化+1)，…，Au化+Nu-1)]t r=diag{i\j\y'\i\ ) J為總能量最小化；EW為求方差；Y為預(yù)測輸出義為期望輸出；T為矩陣轉(zhuǎn)置；下 標(biāo)r為期望輸出下標(biāo)；U為控制量輸出序列；AU為控制量輸出增量序列；r為加權(quán)系數(shù) 矩陣；y化+j)和y,化+j)分別為被控對象在k+j時刻的預(yù)測輸出位移及期望位移，jG1， 2,......，N;N為被控對象的位移輸出長度；Nu是被控對象的控制信號序列長度；Au化+j) 為k+j時刻的控制增量，jG0，1，......，Nu-l 為控制信號的加權(quán)系數(shù)，jG1，2,......， Nu; 使用矩陣運算的方式進行控制量求解，根據(jù)多步預(yù)測中得到的改進的廣義預(yù)測自適應(yīng) 控制規(guī)律，得到當(dāng)前時刻的控制量u(k)為： u(k)=u化-1) + [1 0 …0]肛G+r)-iGT化-Ym) Ym= [y?；?d)y?；?d+l)…y。化W]
式中，Ym為預(yù)測輸出序列巧m化+j)為第k+j個預(yù)測輸出，jGd，d+1，......，d+N，完 全由被控對象過去的輸入輸出確定，d為被控對象的延時，N為預(yù)測輸出序列長度；G為控制 矩陣；bj,。為控制矩陣下標(biāo)，jG1，2,......，N-d+1。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的動態(tài)前饋補償?shù)母倪M廣義預(yù)測自適應(yīng)控制方法，其特征在 于，所述實時數(shù)學(xué)模型A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)合得 到。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的動態(tài)前饋補償?shù)母倪M廣義預(yù)測自適應(yīng)控制方法，其特征在 于，所述辨識出的實時數(shù)學(xué)模型A包括被控對象的信號輸入輸出特性W及周圍環(huán)境的干擾 因素產(chǎn)生的干擾信號。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的動態(tài)前饋補償?shù)母倪M廣義預(yù)測自適應(yīng)控制方法，其特征在 于，所述被控對象的前饋反饋復(fù)合控制表達(dá)式為：
其中，A片1)為系統(tǒng)輸出系數(shù)；B(z4)為系統(tǒng)輸入系數(shù)；C片1)為系統(tǒng)擾動系數(shù)；為 滯后d步算子；U化）和y化）分別為被控對象的信號輸入和輸出a化）為系統(tǒng)隨機擾動；k 為采集點；d為被控對象的純延時；aj為系統(tǒng)輸出系數(shù)序列第aJ個，jG1，2,......，nn。 為系統(tǒng)輸出系數(shù)序列長度；bj為系統(tǒng)輸入系數(shù)第b/h，jG0,1，......，nb，nb為系統(tǒng)輸入 系數(shù)序列長度；Cj.為系統(tǒng)擾動系數(shù)第cj.個，jG1，2,……，n。，n。為系統(tǒng)擾動系數(shù)序列長 度；Z-嘴滯后j步算子，jG1，2,......，na、Db或ne，n。、Db或ne分別為滯后算子的步長 度。
5. -種權(quán)利要求1至4中任一項所述的動態(tài)前饋補償?shù)母倪M廣義預(yù)測自適應(yīng)控制方 法，應(yīng)用于單自由度磁致伸縮驅(qū)動器。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的應(yīng)用于單自由度磁致伸縮驅(qū)動器的動態(tài)前饋補償?shù)母倪M廣 義預(yù)測自適應(yīng)控制方法，其特征在于，在單自由度磁致伸縮驅(qū)動器的定位過程中，通過動態(tài) 前饋補償實現(xiàn)對干擾激勵的補償，通過自適應(yīng)反饋控制進行驅(qū)動定位控制。
7. -種權(quán)利要求1至4中任一項所述的動態(tài)前饋補償?shù)母倪M廣義預(yù)測自適應(yīng)控制方 法，應(yīng)用于多自由度精密禪合驅(qū)動平臺，所述多自由度精密禪合驅(qū)動平臺包括多個相互之 間禪合連接的單自由度磁致伸縮驅(qū)動器。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的應(yīng)用于多自由度精密禪合驅(qū)動平臺的動態(tài)前饋補償?shù)母倪M 廣義預(yù)測自適應(yīng)控制方法，其特征在于，在多自由度精密禪合驅(qū)動平臺的定位驅(qū)動控制過 程中，當(dāng)其中一個單自由度磁致伸縮驅(qū)動器運動時，將其余單自由度磁致伸縮驅(qū)動器的位 移輸出均看作是對運動狀態(tài)中的單自由度磁致伸縮驅(qū)動器的干擾激勵，通過動態(tài)前饋補償 實現(xiàn)對干擾激勵的補償，通過自適應(yīng)反饋控制對運動中的單自由度磁致伸縮驅(qū)動器進行驅(qū) 動定位控制。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種動態(tài)前饋補償?shù)母倪M廣義預(yù)測自適應(yīng)控制方法，包括如下步驟：基于受控自回歸滑動平均模型在線辨識出被控對象的實時數(shù)學(xué)模型A；將實時數(shù)學(xué)模型A用于前饋控制器，結(jié)合改進的廣義預(yù)測自適應(yīng)控制方法進行動態(tài)前饋補償；將實時數(shù)學(xué)模型A用于反饋控制器，結(jié)合改進的廣義預(yù)測自適應(yīng)控制方法進行自適應(yīng)反饋控制；最終實現(xiàn)被控對象的前饋反饋復(fù)合控制；所述改進的廣義預(yù)測自適應(yīng)控制方法為：在廣義預(yù)測控制的基礎(chǔ)上進行動態(tài)前饋補償準(zhǔn)備、多步預(yù)測以及控制量求解；同時給出了上述方法在單自由度磁致伸縮驅(qū)動器和多自由度精密耦合驅(qū)動平臺中的應(yīng)用。本發(fā)明提高了磁致伸縮驅(qū)動器的控制精度和控制方法的響應(yīng)速度。
【IPC分類】G05B13-04
【公開號】CN104793490
【申請?zhí)枴緾N201510158323
【發(fā)明人】鄧凱, 楊斌堂
【申請人】上海交通大學(xué)
【公開日】2015年7月22日
【申請日】2015年4月3日