一种永磁同步直线伺服系统速度环PI-IP控制参数自校正方法技术方案

本发明专利技术公开了一种永磁同步直线伺服系统速度环PI‑IP控制参数自校正方法，采用PI‑IP控制器，并实时自动校正PI‑IP控制器的参数，实现对永磁同步直线伺服系统的高性能速度控制，该方法包括以下步骤：S1、提取永磁同步直线伺服系统的推力电流指令与直线速度反馈，实时辨识速度环被控模型参数；S2、基于速度环被控模型，预测k+j时刻永磁同步直线伺服系统的速度输出；建立李雅普诺夫评价指标，判断速度跟踪性能；S3、简化李雅普诺夫评价指标增量函数，在稳定条件下得到PI‑IP控制器的参数在线优化结果，实现速度环PI‑IP控制器的控制参数自校正。本发明专利技术的方法利用PI‑IP控制器取代传统的PI或IP控制器，并实时校正控制器参数，具有控制结构简单、抗扰动能力强和速度响应快等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种永磁同步直线伺服系统速度环PI-IP控制参数自校正方法
本专利技术涉及高频响永磁同步直线伺服系统的
，尤其涉及一种永磁同步直线伺服系统速度环PI-IP控制参数自校正方法。
技术介绍
永磁同步直线伺服系统结构简单，不需要中间传动环节就能直接实现直线运动，具有相对小的负载惯量及高动态响应的优点，广泛应用于数控机床、半导体芯片制造及精密仪器等领域。永磁同步直线伺服系统的控制性能不仅取决于其硬件制造水平，而且决定于直线伺服驱动中所采用的控制策略和设置的控制参数。只有当直线伺服驱动采用的控制策略、设置的控制参数和永磁同步直线伺服系统自身固有特性之间形成良好匹配时，永磁同步直线伺服系统才能处于最优工作状态。在永磁同步直线电机运行过程中，速度指令可能需要做出调整，针对这样的调整，直线伺服驱动需要具备良好的瞬态响应跟踪。当速度指令恒定时，针对不同的运行工况，直线伺服驱动需要具备较强的抗扰动能力。这样直线伺服驱动使用PI或IP控制器很难同时满足瞬态响应和抗扰动能力的要求。大量研究表明，PI-IP控制器综合了PI和IP控制器的优缺点，能够在不影响永磁同步直线伺服系统闭环稳定性的基础上，有效地提高永磁同步直线伺服系统的动态性能。但是PI-IP控制器存在更多的控制参数需要实时调整，为了满足永磁同步直线伺服系统高速高精的发展趋势，需要探求一种高效的永磁同步直线伺服系统速度环PI-IP控制器的参数自校正方法和途径。一般而言，可将控制器参数自校正方法分为以下两类：一类是基于规则的自校正方法，如模糊PID，神经网络等，文献(A.Rohan,F.Asghar,S.H.Kim,DesignofFuzzyLogicTunedPIDControllerforElectricVehiclebasedonIPMSMUsingFlux-weakening[J],JournalofElectricalEngineeringandTechnology,2018,13(1):451-459提出一种随机模糊PID的自校正方法。这类算法的计算量较大，不能满足伺服系统实时性需求，同时不恰当的控制参数初始值会使得在线校正过程陷入局部最优，无法保证最优的实时控制效果。另一类是基于模型的自校正方法，文献(YasukiKansha,LiJia,Min-SenChiu.Self-tuningPIDcontrollersbasedontheLyapunovapproach[J].ChemicalEngineeringScience,2008,63(10):2732-2740)提出一种基于模型的PID控制参数自校正方法。基于模型的自校正方法算法简单，稳定性好，但是依赖被控模型结构和参数的辨识精度。鉴于上述两类自校正方法的优缺点，本专利技术拟采用改进的递推经验频率参数估计法对速度环被控模型参数进行在线高精辨识，同时提出一种李雅普诺夫控制方法来实现速度环PI-IP控制器的参数自动校正。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种永磁同步直线伺服系统速度环PI-IP控制参数自校正方法，该控制方法能适应永磁同步直线电机高频响特性，快速跟踪系统指令，也能适应具有负载质量、负载力等非线性特点的高速高精应用场合。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：本专利技术提供一种永磁同步直线伺服系统速度环PI-IP控制参数自校正方法，通过在永磁同步直线伺服系统中采用PI-IP控制器，并实时自动校正PI-IP控制器的参数，实现对永磁同步直线伺服系统的高性能速度控制，该方法包括以下步骤：S1、提取永磁同步直线伺服系统的推力电流指令与直线速度反馈，建立速度环被控模型，并实时辨识速度环被控模型参数；S2、基于速度环被控模型，预测k+j时刻永磁同步直线伺服系统的速度输出；建立李雅普诺夫评价指标，判断速度跟踪性能；S3、简化李雅普诺夫评价指标增量函数，在稳定条件下得到PI-IP控制器的参数在线优化结果，实现速度环PI-IP控制器的控制参数自校正。进一步地，本专利技术的该方法中实时辨识速度环被控模型参数的方法为：永磁同步直线伺服系统中，速度环被控模型的参数通过改进的递推经验频率参数估计法来在线辨识，其中，速度环被控对象模型的离散表达式为：其中，a1、a2和b1是要辨识的模型参数，ωf为直线速度反馈，为推力电流指令；其在线辨识过程可以通过如下方程组来进行：H(k)＝H(k-1)-m-1(k)H(k-1)×[φ(k)βT(k)Φ(k-1)+Φ(k-1)Tβ(k)ψT(k)]H(k-1)+l-1(k)m-1(k)H(k-1)×[ψ(k)H(k-1)ψT(k)ΦT(k-1)β(k)×βT(k)Φ(k-1)-σ(k)ψ(k)ψT(k)]H(k-1)其中，k为采样时刻，为待辨识的模型参数向量，为输入输出数据向量，H(k)为二次递推矩阵，其余中间变量如下：Φ(k)＝[ψ(k-1),ψ(k)]TY(k)＝[ωf(k-1),ωf(k)]Tβ(k)＝[1,1]T×[x(k)x(k-1)+x(k-1)x(k-2)+x(k)x(k-2)]σ(k)＝x*(k)-βT(k)Φ(k-1)H(k-1)ΦT(k-1)β(k)l(k)＝1+ψT(k)H(k-1)ΦT(k-1)β(k)m(k)＝l(k)+l-1(k)σ(k)ψT(k)H(k-1)ψ(k)x*(k)＝x2(k)+x2(k-1)+x2(k-2)其中，Φ(k)为输入输出历史与当前数据，Y(k)为输出历史与当前数据，β(k)为加权向量，σ(k)、l(k)、m(k)和x*(k)均为参与递推运算的中间变量。进一步地，本专利技术的该方法中采用李雅普诺夫来实现PI-IP控制器的参数最优校正，其具体步骤如下：(1)预测输出：结合永磁同步直线伺服系统速度环被控模型参数，预测k+1时刻系统的速度输出，得到预测速度误差，其推导过程如下：e(k+1)＝ωr(k+1)-ωf(k+1)其中，ωr(k)为直线速度指令，为预测速度输出，ωf(k+1)为实际速度输出，er(k+1)为预测速度误差，e(k+1)为实际速度误差；(2)建立李雅普诺夫评价指标：通过更新速度环PI-IP控制参数，使得速度预测输出和速度指令保持一致，其评价指标函数表示为：其中，λ是一个正实数；(3)PI-IP控制参数在线自校正：永磁同步直线伺服系统的加速度定义为α，优化李雅普诺夫评价指标增量函数，得到PI-IP控制参数在线学习过程；其中，ψ(k+j)＝[ψ1(k+j),ψ2(k+j),ψ3(k+j)]T，ωf(k)为其余中间变量如下：eu(k)＝[e(k),Δωr(k),-Δωf(k)]进一步地，本专利技术的该方法中PI-IP控制参数在线校正结果通过如下公式计算得到：进一步地，本专利技术的该方法中的PI-IP控制器表达为以下增量模式：其中，kv，ki和kα为PI-IP控制器的控制参数且kα∈[0,1]；当kα＝1，PI-IP控制器退化为PI控制器，当kα＝0，PI-IP控制器退化为IP控制器。本专利技术产生的有益效果是：本专利技术的永磁同步直线伺服系统速度环PI-IP控制参数自校正方法，1、在被控对象模型结构已知的情况下，采用改进的递推经验频率参数估计法，直接根据当前和过去的输入输出数据估计被控模型动态参数，算法实时性强，辨识精度本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种永磁同步直线伺服系统速度环PI‑IP控制参数自校正方法，其特征在于，通过在永磁同步直线伺服系统中采用PI‑IP控制器，并实时自动校正PI‑IP控制器的参数，实现对永磁同步直线伺服系统的高性能速度控制，该方法包括以下步骤：S1、提取永磁同步直线伺服系统的推力电流指令与直线速度反馈，建立速度环被控模型，并实时辨识速度环被控模型参数；S2、基于速度环被控模型，预测k+j时刻永磁同步直线伺服系统的速度输出；建立李雅普诺夫评价指标，判断速度跟踪性能；S3、简化李雅普诺夫评价指标增量函数，在稳定条件下得到PI‑IP控制器的参数在线优化结果，实现速度环PI‑IP控制器的控制参数自校正。

【技术特征摘要】
1.一种永磁同步直线伺服系统速度环PI-IP控制参数自校正方法，其特征在于，通过在永磁同步直线伺服系统中采用PI-IP控制器，并实时自动校正PI-IP控制器的参数，实现对永磁同步直线伺服系统的高性能速度控制，该方法包括以下步骤：S1、提取永磁同步直线伺服系统的推力电流指令与直线速度反馈，建立速度环被控模型，并实时辨识速度环被控模型参数；S2、基于速度环被控模型，预测k+j时刻永磁同步直线伺服系统的速度输出；建立李雅普诺夫评价指标，判断速度跟踪性能；S3、简化李雅普诺夫评价指标增量函数，在稳定条件下得到PI-IP控制器的参数在线优化结果，实现速度环PI-IP控制器的控制参数自校正。2.根据权利要求1所述的永磁同步直线伺服系统速度环PI-IP控制参数自校正方法，其特征在于，该方法中实时辨识速度环被控模型参数的方法为：永磁同步直线伺服系统中，速度环被控模型的参数通过改进的递推经验频率参数估计法来在线辨识，其中，速度环被控对象模型的离散表达式为：其中，a1、a2和b1是要辨识的模型参数，ωf为直线速度反馈，为推力电流指令；其在线辨识过程可以通过如下方程组来进行：H(k)＝H(k-1)-m-1(k)H(k-1)×[φ(k)βT(k)Φ(k-1)+Φ(k-1)Tβ(k)ψT(k)]H(k-1)+l-1(k)m-1(k)H(k-1)×[ψ(k)H(k-1)ψT(k)ΦT(k-1)β(k)×βT(k)Φ(k-1)-σ(k)ψ(k)ψT(k)]H(k-1)其中，k为采样时刻，为待辨识的模型参数向量，为输入输出数据向量，H(k)为二次递推矩阵，其余中间变量如下：Φ(k)＝[ψ(k-1),ψ(k)]TY(k)＝[ωf(k-1),ωf(k)]Tβ(k)＝[1,1]T×[x(k)x(k-1)+x(k-1)x(k-2)+x(k)x(k-2)]σ(k)＝x*(k)-βT(k)Φ(k-1)H(k-1)ΦT(k-1)β(k)l(k)＝1+ψT(k)H(k-1)ΦT(k...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢少武，余信中，龙丁，李汐，周凤星，马娅婕，但峰，严保康，胡轶，宁博文，
申请(专利权)人：武汉科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42