基于变增益迭代学习的超声波电机转速控制方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种基于变增益迭代学习的超声波电机转速控制方法及装置，本发明专利技术对基于改进P型迭代学习控制器或者基于P型迭代学习控制器的超声波电机转速控制方法做了改进，使其中的学习增益根据超声波电机实际转速进行变化，超声波电机转速实际值越大，学习增益越小，超声波电机转速实际值越小，学习增益越大。本发明专利技术在提高了收敛速度的同时，又使响应曲线没有出现振荡的现象，有效改善了超声波迭代学习控制性能。

【技术实现步骤摘要】
基于变增益迭代学习的超声波电机转速控制方法及装置
本专利技术属于超声波电机
，具体涉及基于变增益迭代学习的超声波电机转速控制方法及装置。
技术介绍
超声波电机在汽车电子、精密仪器、机器人、航空航天以及武器装备等领域有着广阔的应用前景。但是，由于超声波电机内部压电材料、定转子间机械能摩擦传递等方面的非线性，使超声波电机具有比传统电磁电机更强的时变非线性运行特性。同时，超声波电机驱动电路工作在开关状态，其控制关系也有着非线性的特征，使得超声波电机系统的时变非线性更加明显，不易获得良好的运动控制性能。为改善其控制性能，通常应采用具有自适应特点的控制策略，实时调整控制器参数或结构。Arimoto等人在上世纪80年代提出了迭代学习控制思想，是一种具有自学习能力的控制方法。该控制器在重复的运行过程中，基于经验知识学习来逐渐趋近期望控制过程，得到更好的控制效果。“P型迭代学习控制器”是迭代学习控制器的一种简洁形式，《微特电机》2015年第43卷第1期出版的作者为刘玉、史敬灼、黄景涛等的《超声波电动机P与PI型迭代学习转速控制》便将“P型迭代学习控制器”应用于超声波电机转速控制，其控制系统结构如图1所示，图中虚线框内的结构单元是“P型迭代学习控制器”。如图1所示，“P型迭代学习控制器”的表达式为：uk+1(t)＝uk(t)+KPek(t)(1)e(t)＝Nref(t)-n(t)(2)其中，uk+1(t)为第k+1次迭代学习控制输出量，uk(t)为第k次迭代学习控制输出量；KP为比例环节的比例系数，即学习增益；ek(t)为第k次的超声波电机转速误差值；Nref(t)为超声波电机转速给定值，n(t)为超声波电机转速实际值，e(t)为超声波电机转速值。迭代学习过程是通过记忆前次控制过程，逐步学习不断改进的过程。图1和式(1)表明，迭代学习控制，在一次次重复的控制过程中，每一次控制器的输出量，都是在前一次控制量的基础上，增加一个修正量，试图减小误差、持续改善控制性能。这个修正量，如式(1)等号右侧第二项所示，与误差值相关，学习增益Kp用来调节修正量的幅度大小，即调节学习进程的快、慢。显然，学习增益Kp是该P型迭代学习控制器中唯一的控制参数。学习增益Kp的取值，对迭代学习过程及超声波电机转速控制性能有着重要影响。关于学习增益Kp的具体取值，至今没有规范化的设计方法。在超声波电机转速控制系统中的实际应用表明，若学习增益Kp取值稍小，则迭代学习的收敛速度慢，转速控制响应趋近于期望状态的速度也就慢，如图2的转速阶跃响应实验结果所示。图2中，共进行了6次迭代学习，从右至左依次为第1至第6次迭代学习的阶跃响应曲线，随着迭代学习的一次次进行，转速阶跃响应曲线逐渐趋近于图中虚线所示的柔化的阶跃给定值变化曲线，只是趋近的速率较慢。实际应用中，我们总是期望较快的学习收敛速率以保持较好的控制性能。若学习增益Kp取值稍大，由于超声波电机运行的明显非线性影响，又会导致阶跃响应过程出现振荡，稳态特性较差，如图3所示。另外，该篇文献还公开了一种将“改进P型迭代学习控制器”应用于超声波电机转速控制的控制方法，其控制框图如图4所示，其中，虚线框内的结构单元为作者提出的“改进P型迭代学习控制器”。“改进P型迭代学习控制器”的输出控制量的表达式为：uk+1(t)＝uk(t)+KPek+1(t)(3)e(t)＝Nref(t)-n(t)(4)其中，t为时间；uk+1(t)为第k+1次运行过程中t时刻迭代学习控制输出量(这里的迭代学习控制输出量为超声波电机频率的给定值)；uk(t)为第k次运行过程中t时刻迭代学习控制输出量；ek+1(t)为系统第k+1次运行过程中t时刻的超声波电机转速误差值；Kp为比例环节的比例系数，亦为学习增益；e(t)为超声波电机转速误差值，Nref(t)为超声波电机转速给定值，n(t)为超声波电机转速实际值。该超声波电机转速控制方法也存在上述问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于变增益迭代学习的超声波电机转速控制方法及装置，用以解决现有技术无法兼顾收敛速度和稳态特性的问题。为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案为：本专利技术的一种基于变增益迭代学习的超声波电机转速控制方法，包括如下步骤：将超声波电机转速给定值与超声波电机转速实际值作差，得到超声波电机转速误差值；将超声波电机转速误差值经过P型迭代学习控制器或改进P型迭代学习控制器，得到迭代学习控制输出量，将迭代学习控制输出量作为超声波电机频率的给定值，用以作用于超声波电机；P型迭代学习控制器或改进P型迭代学习控制器中的学习增益与超声波电机转速实际值有关；超声波电机转速实际值越大，学习增益越小，超声波电机转速实际值越小，学习增益越大。本专利技术的一种基于变增益迭代学习的超声波电机转速控制装置，包括处理器和存储器，所述处理器用于执行存储在存储器中的指令以实现如下方法：将超声波电机转速给定值与超声波电机转速实际值作差，得到超声波电机转速误差值；将超声波电机转速误差值经过P型迭代学习控制器或改进P型迭代学习控制器，得到迭代学习控制输出量，将迭代学习控制输出量作为超声波电机频率的给定值，用以作用于超声波电机；P型迭代学习控制器或改进P型迭代学习控制器中的学习增益KP与超声波电机转速实际值有关；超声波电机转速实际值越大，学习增益KP越小，超声波电机转速实际值越小，学习增益KP越大。本专利技术的有益效果：本专利技术将P型迭代学习控制器中的学习增益进行优化，使学习增益跟随超声波电机转速实际值变化，当超声波电机转速实际值较大时，设置学习增益较小，当超声波电机转速实际值较小时，设置学习增益较大。本专利技术在提高了收敛速度的同时，又使响应曲线没有出现振荡的现象，有效改善了迭代学习控制性能。作为方法及装置的进一步改进，将实测超声波电机频率对对应的实测超声波电机稳态转速进行微分，得到与实测超声波电机稳态转速对应的微分值；当超声波电机转速实际值与实测超声波电机稳态转速相同时，取与实测超声波电机稳态转速对应的微分值的绝对值作为与该超声波电机转速实际值相对应的学习增益。采用该方法来确定学习增益的具体取值，能够有效改善迭代学习控制性能。作为方法及装置的进一步改进，当超声波电机转速实际值小于等于设定转速阈值时，对应的学习增益为：实测超声波电机稳态转速为设定转速阈值所对应的微分值的绝对值。当超声波电机转速实际值较小时，进行限幅，避免动态控制过程中出现过大的超调、失稳等状况。附图说明图1是现有技术中的基于P型迭代学习控制器的超声波电机转速控制方法的控制框图；图2是采用现有技术的基于P型迭代学习控制器的超声波电机转速控制方法的转速阶跃响应曲线图；图3是采用现有技术的基于P型迭代学习控制器的超声波电机转速控制方法且学习增益较大时的转速阶跃响应曲线图；图4是现有技术中的基于改进P型迭代学习控制器的超声波电机转速控制方法的控制框图；图5是本专利技术的基于变增益迭代学习的超声波电机转速控制方法的控制框图；图6是本专利技术的电机频率-稳态转速的稳态特性示意图；图7是本专利技术的电机稳态转速-频率的稳态特性示意图；图8是本专利技术的电机稳态转速-频率关系的数值微分与拟合示意图；图9是本专利技术的学习增益Kp在线更新曲线示意图；图10是采用本专利技术的基于变增益迭代学习的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于变增益迭代学习的超声波电机转速控制方法，包括如下步骤：将超声波电机转速给定值与超声波电机转速实际值作差，得到超声波电机转速误差值；将超声波电机转速误差值经过P型迭代学习控制器或改进P型迭代学习控制器，得到迭代学习控制输出量，将迭代学习控制输出量作为超声波电机频率的给定值，用以作用于超声波电机；其特征在于，P型迭代学习控制器或改进P型迭代学习控制器中的学习增益与超声波电机转速实际值有关；超声波电机转速实际值越大，学习增益越小，超声波电机转速实际值越小，学习增益越大。

【技术特征摘要】
1.一种基于变增益迭代学习的超声波电机转速控制方法，包括如下步骤：将超声波电机转速给定值与超声波电机转速实际值作差，得到超声波电机转速误差值；将超声波电机转速误差值经过P型迭代学习控制器或改进P型迭代学习控制器，得到迭代学习控制输出量，将迭代学习控制输出量作为超声波电机频率的给定值，用以作用于超声波电机；其特征在于，P型迭代学习控制器或改进P型迭代学习控制器中的学习增益与超声波电机转速实际值有关；超声波电机转速实际值越大，学习增益越小，超声波电机转速实际值越小，学习增益越大。2.根据权利要求1所述的基于变增益迭代学习的超声波电机转速控制方法，其特征在于，将实测超声波电机频率对对应的实测超声波电机稳态转速进行微分，得到与实测超声波电机稳态转速对应的微分值；当超声波电机转速实际值与实测超声波电机稳态转速相同时，取与实测超声波电机稳态转速对应的微分值的绝对值作为与该超声波电机转速实际值相对应的学习增益。3.根据权利要求2所述的基于变增益迭代学习的超声波电机转速控制方法，其特征在于，当超声波电机转速实际值小于等于设定转速阈值时，对应的学习增益为：实测超声波电机稳态转速为设定转速阈值所对应的微分值的绝对值。4.一种基于变增益迭代学习的超...

【专利技术属性】
技术研发人员：史敬灼，宋璐，黄文文，周颖，姚跃，
申请(专利权)人：河南科技大学，
类型：发明
国别省市：河南,41