电机伺服系统参数辨识方法以及消隙控制方法技术方案

本发明专利技术公开了电机伺服控制系统参数辨识方法以及消隙控制方法，能够实现电机快速和准确跟踪的目的。本发明专利技术技术方案为：建立含有齿隙的电机伺服系统的动力学方程，根据电机和负载接触时的传输力矩来表示齿隙模型，针对齿隙模型进行线性化处理；针对含有齿隙的电机伺服系统的动力学方程进行离散化处理，利用离散化处理后的含有齿隙的电机伺服系统的动力学方程，对线性化处理后的齿隙模型进行重构得到第一紧凑型表达式，并采用递归最小二乘法对第一紧凑型表达式进行辨识，获得电机参数；将得到电机参数的辨识结果代入线性化处理后的齿隙模型之后，再次建立第二紧凑型表达式并辨识获得负载参数。同时基于辨识结果给出了消隙控制方法。

【技术实现步骤摘要】
电机伺服系统参数辨识方法以及消隙控制方法
本专利技术涉及电机伺服控制

技术介绍
随着现代科学技术的快速发展，工业过程和军事领域对动力传递系统的控制精度有了更高的要求。但是由于受齿隙、死区、摩擦、迟滞及饱和等非线性的影响，进一步减少了传递系统的控制精度。因此提高电机伺服系统的跟踪精度已经成为当前动力传递系统中一个研究的热点问题。在这些非线性因素中，齿隙是一种最主要的非线性，它产生的原因主要是由于机械传输系统中传递部件之间的间隙造成的。齿隙不仅是传输系统中必不可少的非线性因素而且也是严重影响着系统的控制性能的一种非线性因素。它往往产生许多具有破坏性的影响，例如，输出误差、极限环现象、冲击效应甚至系统不稳定，尤其在高速运动时这种不利影响变得更加显著。因此，齿隙是高精度传动系统重要研究对象。但是由于齿隙是一种高度的非线性因素，而且通常齿隙参数是未知的。这使得对于齿隙非线性的补偿成为一个难题。所以，如何辨识齿隙参数并消除齿隙的影响对于提高电机伺服系统的精度非常重要，特别是高精度控制系统。为了能够对齿隙进行精确的补偿，国内外学者和工程师们在辨识齿隙参数方面进行了广泛的研究。Seidl等人设计神经网络辨识齿隙参数，采用“bang-bang”在线切换时间的控制策略。Jang等人采用相应的模糊规则去表示齿隙，设计了相应的模糊预补偿函数及在线自适应调整方法。Selmic等人采用采用基于Hebbian调整的神经网络去逼近齿隙非线性，之后设计一个动态逆补偿方案消除齿隙的影响并设计了自适应算法。Hatipoglu等人基于反馈线性化构造了两层滑动面来处理齿隙和摩擦非线性，最终得到相应的期望状态和控制律。Liu等人采用一个平滑自适应齿隙逆补偿去消除齿隙的影响，设计了一个分散鲁棒模糊自适应算法保证输出跟踪预设的值。此外，在已知齿隙参数的基础上，如何设计控制器对含有齿隙的非线性系统进行有效的控制是一个研究的课题，特别是随着对电机伺服系统控制精度要求的提高，如何实现电机的高精度控制也是许多研究人员关注的问题。在电机控制方面，研究者和工程师通常考虑控制器的两个方面，鲁棒性，是指控制系统在外部干扰下，控制系统是否可以保持控制系统的一些规定的性能；跟踪能力，是指给定一个参数轨迹，电机系统是否可以准确的跟踪给定的参考信号。如何设计一个控制器，这个控制器具有高鲁棒性和精确的跟踪性能是电机控制领域研究的热点问题。Guo等人设计了基于自适应算法的鲁棒控制器，保证电机跟踪误差在任意期望的精度范围之内，很大程度上提高了电机的控制精度。Ma等人设计了“backstepping”算法，反推出基于状态反馈的自适应控制器，提高了系统的控制性能。Masumpoor等人将滑膜控制和神经网络模糊控制算法相结合，提出一种复合的自适应滑膜神经网络模糊控制器，保证了电机的强鲁棒性和准确跟踪性能。Chen等人设计一个基于观测器的自适应滑膜控制策略实现了电机的跟踪，文中验证结果显示该算法不但能实现电机的有效跟踪而且具有一定的鲁棒性能。综上文献所述，在齿隙辨识方面，以上文献采用智能算法或者其他算法来逼近齿隙非线性或者仅仅辨识出系统参数和齿隙参数相结合的耦合参数，这样的辨识结果不但增加了辨识算法的计算复杂度，而且对于后续高精度控制是不利的，因为无法知道各个独立参数的辨识结果，仅仅知道复合参数的辨识结果。在控制方面，以上文献只是补偿了齿隙非线性带来的不利影响，没有考虑其他非线性带来的影响，这制约着电机的控制精度，造成一定的跟踪误差。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了电机伺服控制系统参数辨识方法以及消隙控制方法，能够基于两步辨识算法估计出系统的各个独立的参数，并设计了基于补偿齿隙和其他非线性的快速变增益终端滑膜控制方法，实现电机快速和准确跟踪的目的。本专利技术实施例提供了电机伺服系统参数辨识方法，包括如下步骤：步骤1、建立含有齿隙的电机伺服系统的动力学方程，根据电机和负载接触时的传输力矩τ(t)来表示齿隙模型，针对所述齿隙模型进行线性化处理；步骤2，针对所述含有齿隙的电机伺服系统的动力学方程进行离散化处理，利用离散化处理后的所述含有齿隙的电机伺服系统的动力学方程，对线性化处理后的所述齿隙模型进行重构得到第一紧凑型表达式，并采用递归最小二乘法对所述第一紧凑型表达式进行辨识，获得电机参数，包括为电机的转动惯量J，电机的粘性摩擦系数b，电机、负载结合处的阻尼系数c以及齿隙宽度α；步骤3，将步骤2得到电机参数J,b,c,α的辨识结果代入线性化处理后的所述齿隙模型之后，再利用离散化处理后的所述含有齿隙的电机伺服系统的动力学方程，对线性化处理后的所述齿隙模型进行重构得到第二紧凑型表达式，并采用递归最小二乘法对所述第二紧凑型表达式进行辨识，获得负载参数，包括为负载的转动惯量Jm，负载的粘性摩擦系数bm。进一步地，步骤1包括如下具体步骤：S101、建立含有齿隙的电机伺服系统的动力学方程：其中，θ(t),分别为电机的位移和转速；θm(t),分别为负载的位移和转速；表示*的一阶导数；表示*的二阶导数；J为电机的转动惯量；b为电机的粘性摩擦系数；Jm为负载的转动惯量；bm为负载的粘性摩擦系数；u(t)表示所述电机伺服系统的输入转矩；τ(t)为电机和负载接触时的传输力矩；t是时间变量；S102、根据电机和负载接触时的传输力矩τ(t)来表示齿隙模型：其中，Δθ(t)＝θ(t)-θm(t)；k表示电机、负载结合处的刚性系数；c表示电机、负载结合处的阻尼系数；α为齿隙宽度，其中电机逆向转时α为负；S103、针对所述齿隙模型进行参数化处理：其中，f1(t),f2(t)为切换函数；f1(t),f2(t)表达式为：进一步地，步骤2包括如下具体步骤：S201、将所述含有齿隙的电机伺服系统的动力学方程转化为状态方程：定义S202、对所述状态方程进行离散化处理，得到离散化模型其中，T为采样时间。S203、将参数化处理后的齿隙模型(3)代入公式(4)第一个式子Jx4(t)-Jx4(t-1)-bTx4(t)＝Tu(t)-Tτ(t)，可得：S204、定义第一辅助函数为定义第二辅助函数为θ1＝[1,T/J,kT/J,kαT/J,Tc/J,bT/J]T得到公式(5)的紧凑型表达式：其中，v(t)为与输入无关的白噪声序列。S205、采用递归最小二乘法对公式(6)进行辨识，得到电机参数J,b,c,α的辨识结果分别为进一步地，步骤3包括如下具体步骤：S301、将步骤2的辨识结果代入参数化处理后的齿隙模型(3)中：S302、将公式(8)代入公式(4)的第二个式子Jmx2(t)-Jmx2(t-1)-bmTx2(t)＝Tτ(t)中，可得：S303、定义第三辅助函数为；定义第四辅助函数为：得到公式(9)的紧凑型表达式：S304、采用递归最小二乘法对公式(10)进行辨识，得到负载参数Jm,bm的辨识结果分别为本专利技术实施例还提供了电机伺服系统消隙控制方法，包括如下步骤：第一步、采用上述电机伺服系统参数辨识方法对所述电机伺服进行参数辨识得到电机参数J,b,c,α的辨识结果以及负载参数Jm,bm的辨识结果第二步、建立所述电机伺服系统的跟踪误差模型：e(t)＝x1(t)-yd(t)yd(t)为设置的期望输出。建立变增益终端滑模，包括第一滑模面S本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.电机伺服系统参数辨识方法，其特征在于，该辨识方法包括如下步骤：步骤1、建立含有齿隙的电机伺服系统的动力学方程，根据电机和负载接触时的传输力矩τ(t)来表示齿隙模型，针对所述齿隙模型进行线性化处理；步骤2，针对所述含有齿隙的电机伺服系统的动力学方程进行离散化处理，利用离散化处理后的所述含有齿隙的电机伺服系统的动力学方程，对线性化处理后的所述齿隙模型进行重构得到第一紧凑型表达式，并采用递归最小二乘法对所述第一紧凑型表达式进行辨识，获得电机参数，包括为电机的转动惯量J，电机的粘性摩擦系数b，电机、负载结合处的阻尼系数c以及齿隙宽度α；步骤3，将步骤2得到电机参数J,b,c,α的辨识结果代入线性化处理后的所述齿隙模型之后，再利用离散化处理后的所述含有齿隙的电机伺服系统的动力学方程，对线性化处理后的所述齿隙模型进行重构得到第二紧凑型表达式，并采用递归最小二乘法对所述第二紧凑型表达式进行辨识，获得负载参数，包括为负载的转动惯量Jm，负载的粘性摩擦系数bm。

【技术特征摘要】
1.电机伺服系统参数辨识方法，其特征在于，该辨识方法包括如下步骤：步骤1、建立含有齿隙的电机伺服系统的动力学方程，根据电机和负载接触时的传输力矩τ(t)来表示齿隙模型，针对所述齿隙模型进行线性化处理；步骤2，针对所述含有齿隙的电机伺服系统的动力学方程进行离散化处理，利用离散化处理后的所述含有齿隙的电机伺服系统的动力学方程，对线性化处理后的所述齿隙模型进行重构得到第一紧凑型表达式，并采用递归最小二乘法对所述第一紧凑型表达式进行辨识，获得电机参数，包括为电机的转动惯量J，电机的粘性摩擦系数b，电机、负载结合处的阻尼系数c以及齿隙宽度α；步骤3，将步骤2得到电机参数J,b,c,α的辨识结果代入线性化处理后的所述齿隙模型之后，再利用离散化处理后的所述含有齿隙的电机伺服系统的动力学方程，对线性化处理后的所述齿隙模型进行重构得到第二紧凑型表达式，并采用递归最小二乘法对所述第二紧凑型表达式进行辨识，获得负载参数，包括为负载的转动惯量Jm，负载的粘性摩擦系数bm。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1包括如下具体步骤：S101、建立含有齿隙的电机伺服系统的动力学方程：其中，分别为电机的位移和转速；分别为负载的位移和转速；表示*的一阶导数；表示*的二阶导数；J为电机的转动惯量；b为电机的粘性摩擦系数；Jm为负载的转动惯量；bm为负载的粘性摩擦系数；u(t)表示所述电机伺服系统的输入转矩；τ(t)为电机和负载接触时的传输力矩；t是时间变量；S102、根据电机和负载接触时的传输力矩τ(t)来表示齿隙模型：其中，Δθ(t)＝θ(t)-θm(t)；k表示电机、负载结合处的刚性系数；c表示电机、负载结合处的阻尼系数；α为齿隙宽度，其中电机逆向转时α为负；S103、针对所述齿隙模型进行参数化处理：其中，f1(t),f2(t)为切换函数；f1(t),f2(t)表达式为：3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤2包括如下具体步骤：S201、将所述含有齿隙的电机伺服系统的动力学方程转化为状态方程：定...

【专利技术属性】
技术研发人员：任雪梅，李林伟，吕永峰，王敏林，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11