雙電機(jī)節(jié)能消隙控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種雙電機(jī)節(jié)能消隙控制方法，屬于機(jī)電控制【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明通過(guò)施加偏置力矩與轉(zhuǎn)速負(fù)反饋使得非線性雙電機(jī)系統(tǒng)變?yōu)榻凭€性系統(tǒng)。而為了在保證跟蹤效果的基礎(chǔ)上盡量節(jié)約能量，設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)的偏置力矩。從電機(jī)的速度和加速度反饋構(gòu)成閉環(huán)控制，使得偏置力矩的大小隨著系統(tǒng)的狀態(tài)而變化，即在開(kāi)始和換向的時(shí)候施加較大的偏置力矩，而穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)由于不需要偏置力矩，施加很小的值保持即可。為了解決雙電機(jī)系統(tǒng)偏置力矩參數(shù)和PID控制器參數(shù)的設(shè)計(jì)問(wèn)題，采用粒子群算法對(duì)多個(gè)控制器參數(shù)同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化。本發(fā)明解決了雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制器優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，同時(shí)保證系統(tǒng)快速跟蹤輸入信號(hào)、穩(wěn)態(tài)誤差較小、雙電機(jī)的同步、消除齒隙和減少能耗的效果。
【專利說(shuō)明】雙電機(jī)節(jié)能消隙控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種雙電機(jī)節(jié)能消隙控制方法，屬于機(jī)電控制【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]齒隙即齒輪之間的間隙，在需要用到齒輪進(jìn)行減速的裝置中不可避免的存在著齒隙。齒隙的存在使系統(tǒng)變?yōu)椴煌耆煽叵到y(tǒng)，在齒輪間隙期，驅(qū)動(dòng)電機(jī)與負(fù)載是不接觸的，因此，系統(tǒng)在啟動(dòng)和換向的過(guò)程中由于齒隙非線性的影響，存在回程誤差，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)精度。為了消除齒隙對(duì)系統(tǒng)的影響，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者作了很多研究，對(duì)于齒隙本身來(lái)講，目前使用較多的有三種模型，即遲滯模型、死區(qū)模型和沖撞模型。位于輸入輸出端的齒隙，建模時(shí)一般米用遲滯模型；位于傳動(dòng)系統(tǒng)的中部的齒隙，建模時(shí)一般米用死區(qū)模型；沖撞模型相對(duì)比較繁瑣，不易于建模，因此使用較少，但是由于涉及到碰撞后的速度和能量守恒定律，所以可以應(yīng)用于預(yù)測(cè)控制中。
[0003]消除齒隙的辦法一般分為兩種，一種是機(jī)械消隙，即改變機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)消除齒隙，中科院的胡超等人介紹了彈簧消隙的原理，并以天線為例提出了軟件機(jī)械消隙方法，這種方法需要根據(jù)具體的系統(tǒng)進(jìn)行軟硬件的協(xié)同設(shè)計(jì)；另一種是電氣消隙，即采用不同的控制方法來(lái)消除齒隙的影響，南京大學(xué)的胡維里教授及其學(xué)生提出了基于Backstepping方法的雙電機(jī)冗余驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制；華中科技大學(xué)的楊靜提出了一種具有耦合性質(zhì)的同步以及消隙策略；還有加拿大紐布倫斯威克大學(xué)的Jinzhu Peng提出了含有死區(qū)的直流電機(jī)系統(tǒng)自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制；西安電子科技大學(xué)的胡曉璐提出了常值偏置力矩消隙法改進(jìn)的方法。以上方法都可以在一定程度上改善齒隙的影響，但前三種方法設(shè)計(jì)繁瑣，實(shí)際應(yīng)用困難，后一種方法實(shí)施簡(jiǎn)單，但是能耗較高。因此，本文的主要工作是對(duì)施加的偏置力矩進(jìn)行改進(jìn)，使偏置力矩可以根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行變化，在保證穩(wěn)定跟蹤的前提下，盡可能的降低施加偏置力矩所消耗的能量，同時(shí)保證控制器的參數(shù)最優(yōu)。
[0004]常用的尋優(yōu)算法包括傳統(tǒng)的解析法、枚舉法、隨機(jī)法以及新興的粒子群算法和遺傳算法。在這些優(yōu)化算法中，解析法要求目標(biāo)函數(shù)連續(xù)光滑，且需要導(dǎo)數(shù)信息，這兩個(gè)缺點(diǎn)將導(dǎo)致魯棒性較差。枚舉法計(jì)算效率太低，“指數(shù)爆炸”，對(duì)中等規(guī)模和適度復(fù)雜性的問(wèn)題也常常無(wú)能為力。隨機(jī)法出于效率考慮，搜索到一定程度便終止，所得結(jié)果一般尚不是最優(yōu)解。而粒子群算法由于其操作簡(jiǎn)單性和運(yùn)行高效性成為尋優(yōu)問(wèn)題中最常用的方法，因此，本發(fā)明采用粒子群算法，尋找控制器參數(shù)的最優(yōu)值，既保證系統(tǒng)能克服齒隙的影響，快速的跟蹤上輸入信號(hào)、穩(wěn)態(tài)誤差較小，同時(shí)又可以降低施加偏置力矩所消耗的能量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是為克服齒隙和不同步等非線性的影響，提供了一種雙電機(jī)節(jié)能消隙控制方法，其中包括消除齒隙非線性、雙電機(jī)間的同步控制和對(duì)多個(gè)控制器參數(shù)的優(yōu)化，使系統(tǒng)的輸出快速的跟蹤上參考信號(hào)、系統(tǒng)的超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)誤差都較小、提供偏置力矩消耗的能量較小。[0006]本發(fā)明的基本構(gòu)思是施加偏置力矩與轉(zhuǎn)速負(fù)反饋使得非線性雙電機(jī)系統(tǒng)變?yōu)榻凭€性系統(tǒng)。而為了在保證跟蹤效果的基礎(chǔ)上盡量節(jié)約能量，設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)的偏置力矩。方法是從電機(jī)的速度和加速度反饋構(gòu)成閉環(huán)控制，使得偏置力矩的大小隨著系統(tǒng)的狀態(tài)而變化，即在開(kāi)始和換向的時(shí)候施加較大的偏置力矩，而穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)由于不需要偏置力矩，施加很小的值保持即可。為了解決雙電機(jī)系統(tǒng)偏置力矩參數(shù)和PID控制器參數(shù)的設(shè)計(jì)問(wèn)題，采用粒子群算法對(duì)多個(gè)控制器參數(shù)同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化。
[0007]具體技術(shù)方案如下:
[0008]步驟1，含齒隙的雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)建模。
[0009]根據(jù)機(jī)理建模的方法，根據(jù)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和物理定律，建立雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型如下:
【權(quán)利要求】
1.一種雙電機(jī)節(jié)能消隙控制方法，其特征在于:具體包括如下步驟: 步驟1，含齒隙的雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)建模； 根據(jù)機(jī)理建模的方法，根據(jù)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和物理定律，建立雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型如下:
【文檔編號(hào)】H02P5/50GK103701368SQ201410015352
【公開(kāi)日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2014年1月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月14日
【發(fā)明者】任雪梅, 吳珂, 李冬伍 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)