基于负反馈校正的电动负载模拟器的控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于负反馈校正的电动负载模拟器的控制方法，首先建立电动负载模拟器系统的数学模型；然后对所建立的电动负载模拟器系统进行稳定性分析：如果系统不稳定，则需对系统校正；如果系统稳定，但加载带宽不满足加载要求，仍需要对系统进行校正；再对电动负载模拟器系统进行校正；最后引入模糊控制，设计自适应模糊PI控制器，通过自整定PI控制器的比例系数K

【技术实现步骤摘要】
基于负反馈校正的电动负载模拟器的控制方法
本专利技术涉及无刷直流电机控制技术，特别涉及一种基于负反馈校正的电动负载模拟器的控制方法。
技术介绍
负载模拟器是在实验室的条件下模拟舵机承受空气铰链力矩的半实物装置。它可以在实验室条件下实时的给舵机系统施加载荷以模拟舵面的受力情况，进而可对舵机系统的性能进行模拟测试。整个模拟系统由两部分组成，负载模拟器系统和舵机系统，也即加载系统和承载系统(或者加载对象和承载对象)。与实物的破坏性的实验相比，负载模拟器的操作简单，安全系数高，实验成本降低，开发周期缩短。而电动负载模拟器是随着电力电子技术和永磁材料的出现，且电动负载模拟器结构简单，维护方便，再加上近年来大力矩、低惯量的力矩电机技术和驱动技术的迅速发展而发展起来的。由于电动负载模拟器的加载电机在对舵机进行力矩加载时是被动的跟随舵机转动的，并且加载电机的参数会随着工作环境的变化而产生摄动，以及加载系统各连接部件之间的摩擦和间隙的存在，都会影响电动负载模拟器的性能，这就需要对电动负载模拟器的控制方法进行研究，通过控制方法来降低这些影响因素对电动负载模拟器性能的影响。现有的电动负载模拟器的控制方法虽然都能满足一定的控制精度，即“双十”指标要求(“双十”指标：是指在系统的最高工作频率下输出力矩相比于力矩加载指令幅值变化不大于10％和相角变化不大于10°。)，但控制算法都较复杂。因此需要设计一种控制方法，使电动负载模拟器的性能满足“双十”指标的同时，控制算法也得到简化。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种电动负载模拟器的控制方法，在简化控制算法的基础上，提高负载模拟器系统的稳定性，控制精度和鲁棒性。实现本专利技术目的的控制方案为：一种基于负反馈校正的电动负载模拟器的控制方法，包括以下步骤：步骤1、建立电动负载模拟器系统的数学模型：包括加载电机的数学模型、加载电机驱动器数学模型、弹簧杆的数学模型，根据以上三个数学模型建立电动负载模拟器的完整数学模型；步骤2、对所建立的电动负载模拟器系统进行稳定性分析：如果系统不稳定，则需对系统校正；如果系统稳定，但加载带宽不满足具体加载要求，仍需要对系统进行校正；步骤3、对电动负载模拟器系统进行校正：采用PI控制和力矩微分负反馈对系统进行校正；步骤4、引入模糊控制，设计自适应模糊PI控制器，通过自整定PI控制器的比例系数KP、积分系数KI和进一步调节力矩微分负反馈的时间常数Kfd的值来提高系统的控制精度和鲁棒性：计算力矩输入信号Tin与反馈的系统输出力矩TL形成力矩误差信号e和误差变化率ec，误差信号e和误差变化率ec进入到自适应模糊PI控制器，根据模糊控制规则对比例系数KP和积分系数KI进行整定，整定后得到的比例系数KP和积分系数KI进入到PI控制器，电动负载模拟器的输出力矩TL经过力矩微分负反馈反馈到PI控制器的输出端，通过调整反馈环节的时间常数Kfd可以改善系统的稳定性，并加入惯性环节作为低通滤波器，PI控制器的输出与力矩微分负反馈的反馈信号形成最终的控制信号对电动负载模拟器进行控制，得到系统输出力矩TL；其中τ为低通滤波器的时间常数，s为拉普拉斯变换的复变量。与现有控制方法相比，本专利技术的有益效果是：(1)利用力矩微分负反馈环节对系统输出力矩信号进行微分，而不是常规PID控制对力矩输入指令信号进行微分，从而可以减小系统的噪音效果，提高平稳性；(2)由于在模糊控制器和PI控制器结合形成复合控制器时，是采用模糊控制规则对PI控制器参数进行自整定而不是利用切换函数对这两种控制器进行切换，从而使输出更加平滑，冲击小；(3)由于系统校正上采用的是将常规PID控制器改变为常规PI控制器与力矩微分负反馈形成的复合校正，在形成自适应模糊PI控制器时，只需要对比例系数KP、积分系数KI两个参数的模糊规则进行设计，减少了微分系数KD的模糊规则的设计，从而简化了控制算法，使控制方法更加简单；而对系统的超调量的控制上只需要调整力矩微分负反馈的时间常数Kfd的值，所得到的效果等同于PID控制器的微分环节产生的效果。附图说明图1为电动负载模拟器的原理示意图。图2为电动负载模拟器控制系统的基本组成。图3为电动负载模拟器开环模型框图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步的详细描述。结合附图1和附图2，电动负载模拟器作为本专利技术的控制方法的控制对象，主要是由加载电机控制器、加载电机驱动器、加载电机、弹簧杆和扭矩传感器组成的系统；结合附图2，本专利技术的控制方法是由模糊控制器1、PI控制器2和力矩微分负反馈3组成。首先结合附图2，本专利技术的控制方法先给系统一个力矩输入信号Tin，力矩输入信号Tin与反馈的系统输出力矩TL形成力矩误差信号e和误差变化率ec，误差信号e和误差变化率ec进入到自适应模糊PI控制器，根据制定好的模糊控制规则对比例系数KP和积分系数KI进行整定，整定后得到的比例系数KP和积分系数KI进入到PI控制器2；电动负载模拟器的输出力矩TL经过力矩微分负反馈3反馈到PI控制器的输出端，通过调整反馈环节的时间常数Kfd来改善系统的稳定性，又由于纯微分环节在实际应用中不便实现，故加入了惯性环节作为低通滤波器，τ为低通滤波器的时间常数，频宽一般选取舵机频宽的五倍以上；最后PI控制器的输出与力矩微分负反馈的反馈信号形成最终的控制信号对电动负载模拟器进行控制，得到系统输出力矩TL。具体实施步骤如下：步骤1、建立电动负载模拟器系统的数学模型：包括加载电机的数学模型、加载电机驱动器数学模型、弹簧杆的数学模型以及电动负载模拟器的完整数学模型；加载电机选取无刷直流电机，其数学模型为：Ua(s)＝(Ra+Las)Ia(s)+Ea(s)Tea(s)＝(Jas+Ba)ωa(s)+TL(s)Ea(s)＝Keaωa(s)Tea(s)＝KtaIa(s)加载电机驱动器的数学模型为：Ua(s)＝KPWMUm(s)弹簧杆的数学模型为：TL＝TAΔθ＝TA(θa-θr)其中：s为拉普拉斯变换的复变量；Ua(s)为电机电枢电压；Ia(s)为电机电枢电流；La为电机绕组电感；Ra为电机绕组电阻；ωa(s)为电机转子机械角速度；Ja为电机转动惯量；Tea(s)为电机电磁转矩；TL为输出转矩；Ea(s)为电机电枢感应电动势；Kea为电机反电动势系数；Kta为电机转矩系数；Ba为电机阻尼系数；Um(s)为PWM驱动装置的输入电压；KPWM为驱动装置功率放大系数；TA为弹簧杆刚度系数；Δθ为弹簧杆两端加载电机与舵机的角度差；θa为加载电机端输出转角；θr为舵机端输出转角。由以上数学模型得到附图3的电动负载模拟器的开环模型框图，并由该框图得到电动负载模拟器的完整数学模型为：TL(s)＝Um(s)G1(s)-θr(s)G2(s)其中，θr(s)为舵机的转角。...

【技术保护点】
1.一种基于负反馈校正的电动负载模拟器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1、建立电动负载模拟器系统的数学模型：包括加载电机的数学模型、加载电机驱动器的数学模型、弹簧杆的数学模型，根据上述三个数学模型建立电动负载模拟器的完整数学模型；/n步骤2、对所建立的电动负载模拟器系统进行稳定性分析：如果系统不稳定，则需对系统校正；如果系统稳定，但加载带宽不满足具体加载要求，仍需要对系统进行校正；/n步骤3、对电动负载模拟器系统进行校正：采用PI控制和力矩微分负反馈对系统进行校正；/n步骤4、引入模糊控制，设计自适应模糊PI控制器，通过自整定PI控制器的比例系数K

【技术特征摘要】
1.一种基于负反馈校正的电动负载模拟器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、建立电动负载模拟器系统的数学模型：包括加载电机的数学模型、加载电机驱动器的数学模型、弹簧杆的数学模型，根据上述三个数学模型建立电动负载模拟器的完整数学模型；
步骤2、对所建立的电动负载模拟器系统进行稳定性分析：如果系统不稳定，则需对系统校正；如果系统稳定，但加载带宽不满足具体加载要求，仍需要对系统进行校正；
步骤3、对电动负载模拟器系统进行校正：采用PI控制和力矩微分负反馈对系统进行校正；
步骤4、引入模糊控制，设计自适应模糊PI控制器，通过自整定PI控制器的比例系数KP、积分系数KI和进一步调节力矩微分负反馈的时间常数Kfd的值来提高系统的控制精度和鲁棒性：计算力矩输入信号Tin与反馈的系统输出力矩TL形成的力矩误差信号e和误差变化率ec，误差信号e和误差变化率ec进入到自适应模糊PI控制器，根据模糊控制规则对比例系数KP和积分系数KI进行整定，整定后得到的比例系数KP和积分系数KI进入到PI控制器，电动负载模拟器的输出力矩TL经过力矩微分负反馈反馈到PI控制器的输出端，通过调整反馈环节的时间常数Kfd可以改善系统的稳定性，并加入惯性环节作为低通滤波器，PI控制器的输出与力矩微分负反馈的反馈信号形成最终的控制信号对电动负载模拟器进行控制，得到系统输出力矩TL；
其中τ为低通滤波器的时间常数，s为拉普拉斯变换的复变量。


2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，步骤1建立电动负载模拟器的完整数学模型为：
TL(s)＝Um(s)G1(s)-θr(s)G2(s)
其中，



其中TL(s)为电动负载模拟器的输出力矩；Um(s)为驱动器的输入电压；θr(s)为舵机转角；KPWM为驱动器的功率放大系数；TA为弹簧杆刚度系数；La为电机绕组电感；Ra为电机绕组电阻；Ja为电机转动惯量；Kea为电机反电动势系数；Kta为电机转矩系数；Ba为电机阻尼系数；s为拉普拉斯变换的复变量。


3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，步骤2进行稳定性分析具体判定过程如下：
令舵机的转角指令θr＝0，可得系统的开环传递函数，根据系统的开环传递函数绘制系统的开环频率特性bode图，如果相角裕度和幅值裕度都大于零则原系统稳定，否则不稳定则需对系统校正；如果系统稳定，绘制系统的无扰闭环频率特性bode图，根据“双十”指标，在bode图中读取出系统在满足“双十”指标要求下的加载带宽是否满足具体的加载要求，如果不满足则需要对系统进行校正。


4.根据权利要求3所述的稳定性判定方法，其特征在于，所述系统的开环传递函数为：



其中Kea为电机反电动势系数；Kta为电机转矩系数；Ba为电机阻尼系数；s为拉普拉斯变换的复变量；TA为弹簧杆刚度系数；La为电机绕组电感；Ra为电机绕组电阻；Ja为电机转动惯量。


5.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，步...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘梁，贾东旭，徐照平，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32