一种运动控制系统的最优迭代前馈调参方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种运动控制系统的最优迭代前馈调参方法及系统，属于机械设备控制技术领域。现有的控制方法，未权衡控制能量与跟踪性能，无法限制系统控制能量，会导致能量超出实际运动控制系统的最大输出能力，从而导致系统无法闭环，进入失稳状态。本发明专利技术的一种运动控制系统的最优迭代前馈调参方法，设置输入整形滤波器与前馈控制器的辨识参数θ，并对其变化量进行约束以及加权，能够有效约束前馈控制信号能量的大小和影响误差收敛值，以及约束前馈控制信号变化步长和影响收敛速度；同时结合最优迭代学习控制与参数化前馈优点，实现变轨迹跟踪任务的性能，有效减少处理器的计算量，灵活性强、运算速度快，具有高性能，方案详尽，切实可行。切实可行。切实可行。

【技术实现步骤摘要】
一种运动控制系统的最优迭代前馈调参方法及系统


[0001]本专利技术涉及一种运动控制系统的最优迭代前馈调参方法及系统，属于机械设备控制


技术介绍

[0002]运动控制系统中，通常需要实现对给定期望轨迹的跟踪，使轨迹跟踪误差最小。高速和高精是运动控制领域的追求目标和发展趋势,前者提高了生产效率,缩短了生产周期,降低了制造成本，但是实际系统模型中包含的柔性振动模态，并且对高速特性的要求提高，系统输入轨迹的加减速段包含越来越多的高频分量,很容易激起被忽略的柔性振动模态,而导致运动控制系统运动过程中以及到达终点位置后的持续振动。运动控制系统常用的控制策略包含了仅有反馈与前馈加反馈两种控制策略，仅有反馈的控制策略采用传统PID反馈控制器，反馈控制响应速度较慢，并且根据系统误差进行修正，具有滞后性，无法满足高响应速度的要求。而反馈加前馈的二自由度控制策略，通过反馈控制器来保证系统稳定性，前馈控制提高轨迹跟踪性能，因为前馈具有高响应速度、高定位精度等特性，并且前馈在未产生误差之前对系统进行修正，具有一定的预测性。因此，反馈加前馈的二自由度控制策略是高速高精度运动控制系统的一个标准配置。
[0003]在二自由度控制策略中，反馈控制器一般采用PID，而前馈控制器设计的方法较多，并且得到了国内外学者广泛的研究，目前前馈控制方法主要分为迭代学习控制与基于模型的前馈控制，迭代学习控制算法能够实现重复轨迹的跟踪性能，特别是最优迭代学习控制算法能够实现范数最优的目标函数，并且目标函数中对控制信号与控制信号变化量进行了加权约束，权衡了控制能量与跟踪性能，但是，对于变轨迹跟踪任务此类算法会导致性能恶化；基于模型的前馈控制算法包括了基于模型逆的前馈控制与基于参数化的前馈控制，基于模型逆的前馈控制器依赖系统的数学模型，需要事先经历繁琐耗时的辨识系统模型的过程，而基于参数化的前馈控制算法采用基函数进行参数化前馈控制器，能够不依赖数学模型实现变轨迹跟踪任务，但是未权衡控制能量与跟踪性能，无法限制系统控制能量，会导致能量超出实际运动控制系统的最大输出能力，从而导致系统无法闭环，进入失稳状态。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种设有输入整形滤波器与前馈控制器的辨识参数θ，并对其变化量进行约束以及加权，能够有效约束前馈控制信号能量的大小和影响误差收敛值，以及约束前馈控制信号变化步长和影响收敛速度；同时结合最优迭代学习控制与参数化前馈优点，实现变轨迹跟踪任务的性能，具有很好的轨迹跟踪鲁棒性，又能够权衡控制信号与跟踪误差，进一步通过数据驱动的方式迭代辨识最优参数，避免了繁琐的模型辨识，有效减少处理器的计算量，灵活性强、运算速度快，具有高性能的运动控制系统的最优迭代前馈调参方法及系统。
[0005]为实现上述目的，本专利技术的技术方案为：
[0006]一种运动控制系统的最优迭代前馈调参方法，
[0007]包括以下步骤：
[0008]步骤一：构建运动控制系统，并设置反馈控制器PID参数；
[0009]步骤二：利用步骤一中的反馈控制器PID参数，使能运动控制系统，使其电机闭环；
[0010]步骤三：将期望轨迹信号r(t)输入到步骤二中的运动控制系统中，并采集输出轨迹信号y(t)与控制信号u(t)以及系统的轨迹误差信号e
y
(t)；
[0011]利用采集的输出轨迹信号y(t)与控制信号u(t)，消除对模型的依赖；
[0012]步骤四，对步骤三中的运动控制系统，通过输入整形滤波器计算出输入轨迹整形后的轨迹信号r
y
(t)，并通过与前馈控制器计算出前馈控制信号u
ff
(t)，并设置运动控制系统的执行段与稳定段时间；
[0013]步骤五：利用步骤四中的轨迹信号r
y
(t)和前馈控制信号u
ff
(t)构建参数化前馈模型，并结合最优迭代学习控制方法，在参数化前馈模型的目标函数中引入输入整形滤波器与前馈控制器的辨识参数θ及其变化量的约束项并对其进行加权，再通过数据驱动的最小二乘法计算辨识参数θ，并选择合适加权系数ρ，加权系数λ，实现对运动控制系统的轨迹跟踪与变轨迹跟踪任务；
[0014]所述加权系数ρ为辨识参数大小加权系数，其对辨识参数大小进行加权，能够约束前馈控制信号能量的大小和影响误差收敛值；
[0015]加权系数λ为辨识参数变化量加权系数，其对辨识参数变化步长进行加权，能够约束前馈控制信号变化步长和影响收敛速度；
[0016]步骤六：对步骤五中辨识参数θ以及最优迭代前馈调参误差的收敛性进行分析，并求取辨识参数的最优值，实现运动控制系统的最优轨迹跟踪。
[0017]本专利技术经过不断探索以及试验，设置输入整形滤波器与前馈控制器的辨识参数θ，并对其变化量进行约束以及加权，能够有效约束前馈控制信号能量的大小和影响误差收敛值，以及约束前馈控制信号变化步长和影响收敛速度，有效避免能量超出实际运动控制系统的最大输出能力，从而导致的系统无法闭环，进入失稳状态。同时结合最优迭代学习控制与参数化前馈优点，实现变轨迹跟踪任务的性能，具有很好的轨迹跟踪鲁棒性，又能够权衡控制信号与跟踪误差，进一步通过数据驱动的方式迭代辨识最优参数，避免了繁琐的模型辨识，有效减少处理器的计算量，灵活性强、运算速度快，具有高性能，方案详尽，切实可行，便于实现。
[0018]进一步，本专利技术特别适用于非最小相位系统以及复杂系统，因为系统采用基函数的方式对前馈控制器参数化，不存在非最小相位零点的问题，同时采用数据驱动的方式不需要系统参数模型。
[0019]作为优选技术措施：
[0020]所述步骤五中，所述建参数化前馈模型的构建方法具体如下：
[0021]采用基函数多项式组成的有限脉冲响应(Finite impulse response,FIR)滤波器对输入整形滤波器T
y
与前馈控制器T
ff
进行参数化，参数化表达式如下：
[0022][0023]则，组成T
y
与T
ff
的基函数多项式A(z
‑1,θ)和B(z
‑1,θ)分别表示为
[0024][0025][0026]其中，z
‑1为时移算子，θ为参数化输入整形滤波器与前馈控制器的辨识参数，n
a
，n
b
为组成T
y
和T
ff
的基函数的个数，基函数可将输入轨迹分解为各阶导数，在T
y
中的加速度基函数为：
[0027]其中，T
s
为采样时间。
[0028]基函数多项式A(z
‑1,θ)和B(z
‑1,θ)为FIR滤波器，采用FIR滤波器的优点有，一是FIR滤波器没有极点，因此不存在不稳定的问题；二是FIR滤波器去设计前馈控制器是一种凸优化方法；三是根据运动控制系统的控制框架可知，系统误差本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种运动控制系统的最优迭代前馈调参方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：构建运动控制系统，并设置反馈控制器PID参数；步骤二：利用步骤一中的反馈控制器PID参数，使能运动控制系统，使其电机闭环；步骤三：将期望轨迹信号r(t)输入到步骤二中的运动控制系统中，并采集输出轨迹信号y(t)与控制信号u(t)；步骤四，对步骤三中的运动控制系统，通过输入整形滤波器计算出输入轨迹整形后的轨迹信号r
y
(t)，并通过与前馈控制器计算出前馈控制信号u
ff
(t)，并设置运动控制系统的执行段与稳定段时间；步骤五：利用步骤四中的轨迹信号r
y
(t)和前馈控制信号u
ff
(t)构建参数化前馈模型，并结合最优迭代学习控制方法，在参数化前馈模型的目标函数中引入输入整形滤波器与前馈控制器的辨识参数θ及其变化量的约束项并对其进行加权，再通过数据驱动的最小二乘法计算辨识参数θ，并选择合适加权系数ρ，加权系数λ，实现对运动控制系统的轨迹跟踪与变轨迹跟踪任务；所述加权系数ρ为辨识参数大小加权系数，其对辨识参数大小进行加权，能够约束前馈控制信号能量的大小和影响误差收敛值；加权系数λ为辨识参数变化量加权系数，其对辨识参数变化步长进行加权，能够约束前馈控制信号变化步长和影响收敛速度；步骤六：对步骤五中辨识参数θ以及最优迭代前馈调参误差的收敛性进行分析，并求取辨识参数的最优值，实现运动控制系统的最优轨迹跟踪。2.如权利要求1所述的一种运动控制系统的最优迭代前馈调参方法，其特征在于，所述步骤五中，所述建参数化前馈模型的构建方法具体如下：采用基函数多项式组成的有限脉冲响应滤波器对输入整形滤波器T
y
与前馈控制器T
ff
进行参数化，参数化表达式如下：则，组成T
y
与T
ff
的基函数多项式A(z
‑1,θ)和B(z
‑1,θ)分别表示为,θ)分别表示为其中，z
‑1为时移算子，θ为参数化输入整形滤波器与前馈控制器的辨识参数，n
a
，n
b
为组成T
y
和T
ff
的基函数的个数，基函数将输入轨迹分解为各阶导数，在T
y
中的加速度基函数为：其中T
s
为采样时间。基函数多项式A(z
‑1,θ)和B(z
‑1,θ)为FIR滤波器，其系统误差为0，即
e
y
＝r
y
‑
y＝S(T
y
‑
PT
ff
)r＝0则运动控制系统第j次迭代时，系统的误差，控制信号与输出轨迹信号表达式如下运动控制系统第j次迭代时，系统的误差，控制信号与输出轨迹信号表达式如下运动控制系统第j次迭代时，系统的误差，控制信号与输出轨迹信号表达式如下其中，系统敏感函数S＝(1+PC
fb
)
‑1，敏感函数T＝C
fb
T
y
+T
ff
，C
fb
为反馈控制器；将Sr与SPr转化为基于数据驱动的形式，则其计算公式如下：Sr＝T
‑1u
j
SPr＝T
‑1y
j
。3.如权利要求1所述的一种运动控制系统的最优迭代前馈调参方法，其特征在于，所述前馈控制信号是由基函数多项式组成的，其与基函数对应的参数有关，使得目标函数对输入整形滤波器与前馈控制器的参数与参数变化量进行加权约束，其表达式如下：由于r
y
＝T
y
r，期望轨迹在稳定段时间内T
y
＝1，于是r
y
＝r并且执行段存在一段延时，延时时间长度为T
y
基函数的组成个数n
a
，由此稳定段e
y
＝r
y
‑
y＝e，...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨亮亮，张晖，罗祥，陶之源，叶佳保，
申请(专利权)人：浙江理工大学，
类型：发明
国别省市：