直流电机驱动的望远镜轴系参数辨识方法及装置与流程

本发明涉及深空探测技术领域，特别是涉及一种直流电机驱动的望远镜轴系参数辨识方法及装置。

背景技术：

深空探测领域的不断发展对地基大口径光电成像望远镜的轴系控制技术提出了越来越高的要求，其控制精度需达到角秒级别，而对望远镜轴系参数的辨识是望远镜系统建模、仿真及主轴控制器设计的前提，其中所辨识的望远镜主轴参数包括等效转动惯量、机械时间常数以及由轴系摩擦引起的常值扰动力矩。由于当望远镜轴系的等效转动惯量发生变化时，其它两个参数也随之发生变化，因此一旦望远镜因负载或使用环境变化等引起轴系等效惯量发生变化，则需要对这三个参数重新进行辨识。

目前工程上普遍采用的参数辨识方法是多次开环测试方法，即通过对被控对象输入多组不同的常值电压，记录每一个常值电压输入情况下系统的速度响应数据，通过离线处理的方式分析出每组速度响应数据的稳态响应值以及过渡过程时间，进一步通过数据融合方式估计出上述三个参数，但是该方法有以下局限性：(1)开环实验的次数需要两次以上，因此所需实验时间较长；(2)实验数据需要进行线下处理，不能在线实时完成，降低了参数辨识的效率；(3)为了使得速度响应进入稳态范围，实验时间持续较长的同时需要轴系旋转的角度也较大，这在轴系存在机械限位时操作受限，不方便实验的开展。

技术实现要素：

基于此，有必要针对现有参数辨识方法中存在的开环实验时间长、辨识效率低以及所需轴系旋转角度大问题，提供一种直流电机驱动的望远镜轴系参数辨识方法及装置。

为解决上述问题，本发明采取如下的技术方案：

一种直流电机驱动的望远镜轴系参数辨识方法，所述方法包括以下步骤：

获取电压输入信号，所述电压输入信号满足参数辨识的持续激励条件；

采集在所述电压输入信号作为直流电机驱动望远镜的伺服控制系统的开环输入信号下，所述直流电机驱动望远镜的轴系速度响应输出信号；

根据所述轴系速度响应输出信号、待辨识参数的预设参数初值和预设迭代矩阵初值，进行迭代最小二乘算法的迭代计算，得到所述待辨识参数的收敛估计值；

根据所述收敛估计值计算所述待辨识参数。

相应地，本发明还提出一种直流电机驱动的望远镜轴系参数辨识装置，所述装置包括：

获取单元，用于获取电压输入信号，所述电压输入信号满足参数辨识的持续激励条件；

采集单元，用于采集在所述电压输入信号作为直流电机驱动望远镜的伺服控制系统的开环输入信号下，所述直流电机驱动望远镜的轴系速度响应输出信号；

迭代计算单元，用于根据所述轴系速度响应输出信号、待辨识参数的预设参数初值和预设迭代矩阵初值，进行迭代最小二乘算法的迭代计算，得到所述待辨识参数的收敛估计值；

参数计算单元，用于根据所述收敛估计值计算所述待辨识参数。

上述直流电机驱动的望远镜轴系参数辨识方法及装置给出了一种能够在线实时实现的轴系参数快速辨识方法，当直流电机驱动的望远镜轴系的等效转动惯量发生变化时，通过实施本发明能够快速地给出被控对象新的参数辨识结果，而且本发明的计算过程均可以在线实现，一次实验即可辨识出全部待辨识参数，辨识时间短，所需轴系旋转角度小，有利于工程实现及应用。

附图说明

图1为本发明其中一个实施例中直流电机驱动的望远镜轴系参数辨识方法的流程示意图；

图2为本发明其中一个实施例中直流电机驱动的望远镜轴系参数辨识装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图及较佳实施例对本发明的技术方案进行详细描述。本发明涉及直流力矩电机驱动的望远镜轴系参数辨识，具体涉及方位轴系的参数辨识以及俯仰轴系的参数辨识，由于两个轴相互独立，且驱动原理相同，因此本发明的实施例中仅以方位轴系参数辨识为例进行描述，俯仰轴系参数辨识方法与方位轴系参数辨识方法相同，故不再赘述。

在其中一个实施例中，如图1所示，一种直流电机驱动的望远镜轴系参数辨识方法，该方法包括以下步骤：

S100获取电压输入信号，所述电压输入信号满足参数辨识的持续激励条件；

S200采集在所述电压输入信号作为直流电机驱动望远镜的伺服控制系统的开环输入信号下，所述直流电机驱动望远镜的轴系速度响应输出信号；

S300根据所述轴系速度响应输出信号、待辨识参数的预设参数初值和预设迭代矩阵初值，进行迭代最小二乘算法的迭代计算，得到所述待辨识参数的收敛估计值；

S400根据所述收敛估计值计算所述待辨识参数。

本发明直流电机驱动的望远镜轴系包括直流电机驱动的望远镜的方位轴系和俯仰轴系，即本发明所提出的直流电机驱动的望远镜轴系参数辨识方法对直流电机驱动的望远镜的方位轴系和俯仰轴系的参数辨识均适用。

根据直流力矩电机的原理，直流电机驱动的望远镜方位轴转动方程的形式如下：

其中，ω代表方位轴角速度，u代表方位轴控制电压，R是电机电阻，K_T是电机的转矩系数，J是望远镜轴系等效转动惯量，T_m是望远镜轴系机械时间常数，τ_d是由摩擦力引起的常值扰动力矩。

采用前向欧拉方法将方程(1)离散化，则有

其中，T_s是采样周期，令φ_k＝[ω_k u_k 1]^T,则(2)式可写为如下形式：

ω_k+1＝φ_k^Tη (3)

本实施例的目的就是对待辨识参数η进行在线辨识，当得到待辨识参数η的估计值时，待辨识的三个参数的估计值由下式给出

即

具体地，在本实施例中，步骤S100获取电压输入信号且该电压输入信号满足参数辨识的持续激励条件，其中持续激励条件是系统辨识理论中的一个成熟概念，是由Astrom在1965年提出的，它是指在辨识时间内过程的动态必须被输入信号持续激励，或者在实验期间，输入信号必须充分激励过程的所有模态。

作为一种具体的实施方式，根据直流力矩电机的原理以及迭代最小二乘算法原理，获取的电压输入信号可以利用一种简便易实现的控制参考输入实现，电压输入信号的具体形式如下：

其中，C₁和C₂是两个常值电压且C₁≠C₂，t₀为输入电压C₁的结束时间，t_end为输入电压C₂的结束时间。特别地，根据直流电机驱动的望远镜轴系参数辨识的经验，C₁可以在区间内取值，C₂可以在区间内取值，其中U_c是直流电机驱动的望远镜轴系的母线电压，t₀在[2s,4s]区间内取值，t_end在 [t₀+2s,t₀+4s]区间内取值即可，通过选取合适的C₁、C₂、t₀和t_end可以达到相对满意的实验结果。

S200采集在所述电压输入信号作为直流电机驱动望远镜的伺服控制系统的开环输入信号下，所述直流电机驱动望远镜的轴系速度响应输出信号。在本步骤中，以步骤S100获取的电压输入信号作为直流电机驱动望远镜的伺服控制系统的开环输入信号，在电压输入信号的作用下，直流电机驱动的望远镜的伺服控制系统输出轴系速度响应输出信号，采集该轴系速度响应输出信号。

在步骤S300中，根据轴系速度响应输出信号、待辨识参数的预设参数初值和预设迭代矩阵初值，进行迭代最小二乘算法的迭代计算，得到所述待辨识参数的收敛估计值。在本步骤中，优选地，待辨识参数包括直流电机驱动的望远镜轴系的等效转动惯量、机械时间常数和常值扰动力矩，这些辨识参数一方面可以应用于系统建模、仿真及控制器的设计，另一方面，当所使用的望远镜主轴控制算法依赖于被控对象参数时(如内膜控制方法等)，可以使用参数估计值对控制器进行实时更新，使得在被控对象发生变化时控制算法仍能达到高精度的控制效果。本步骤利用迭代最小二乘算法进行迭代计算时，迭代算法的初值可以是预设的初值，包括待辨识参数η的预设参数初值η₀和迭代矩阵P_k的预设迭代矩阵初值P₀，根据轴系速度响应输出信号、待辨识参数的预设参数初值η₀和预设迭代矩阵初值P₀，进行迭代最小二乘算法的迭代计算，得到待辨识参数的收敛估计值。本步骤通过迭代最小二乘算法计算待辨识参数的收敛估计值，具体过程如下：

构造观测向量φ_k＝[ω_k u_k 1]^T，令其中，u_k为电压输入信号，ω_k为轴系速度响应输出信号，根据迭代最小二乘算法的原理，P_k满足如下迭代计算公式

而待辨识参数η在第k步的迭代估计值为

在线迭代计算待辨识参数η的估计值时，理论上有若待辨识参数η在第k步的迭代估计值η_k+1收敛，则将估计值η_k+1作为收敛估计值。根据仿真及实践经验，在实际应用过程中只需几秒时间参数η_k+1即可收敛至参数真值的可接受误差范围内，完成了参数的辨识。

最后，在步骤S400中，根据所述收敛估计值计算所述待辨识参数，具体计算方法如公式(4)所示。

作为一种具体的实施方式，由于进行迭代最小二乘算法的迭代计算时，其计算结果的收敛性并不依赖于初值的选取，因此本实施方式可以选取如下简单形式的初值，以减少迭代计算的计算量，提高参数辨识的效率：

选取待辨识参数η的预设参数初值η₀为η₀＝[0 0 0]^T；

选取迭代最小二乘算法的预设迭代矩阵初值为

本实施例所提出的直流电机驱动的望远镜轴系参数识别方法与目前工程中广泛使用的多次开环辨识方法相比，本发明所提出的方法仅需一次实验即可完成待识别参数的估计，且算法通过迭代在线实时实现，无需线下处理，实验结束后直接输出参数的估计值，所需辨识时间短，同时所需轴系旋转的角度小，更利于实验操作和实现。本发明说提出的直流电机驱动的望远镜轴系参数辨识方法尤其适用于对外场设备参数的快速辨识及控制算法中参数的实时快速更新。

在其中一个实施例中，如图2所示，一种直流电机驱动的望远镜轴系参数辨识装置，该装置包括：

获取单元100，用于获取电压输入信号，所述电压输入信号满足参数辨识的持续激励条件；

采集单元200，用于采集在所述电压输入信号作为直流电机驱动望远镜的伺服控制系统的开环输入信号下，所述直流电机驱动望远镜的轴系速度响应输出信号；

迭代计算单元300，用于根据所述轴系速度响应输出信号、待辨识参数的预设参数初值和预设迭代矩阵初值，进行迭代最小二乘算法的迭代计算，得到所述待辨识参数的收敛估计值；

参数计算单元400，用于根据所述收敛估计值计算所述待辨识参数。

本发明直流电机驱动的望远镜轴系包括直流电机驱动的望远镜的方位轴系和俯仰轴系，即本发明所提出的直流电机驱动的望远镜轴系参数辨识装置对直流电机驱动的望远镜的方位轴系和俯仰轴系的参数辨识均适用。

根据直流力矩电机的原理，直流电机驱动的望远镜方位轴转动方程的形式如下：

其中，ω代表方位轴角速度，u代表方位轴控制电压，R是电机电阻，K_T是电机的转矩系数，J是望远镜轴系等效转动惯量，T_m是望远镜轴系机械时间常数，τ_d是由摩擦力引起的常值扰动力矩。

采用前向欧拉方法将方程(1)离散化，则有

其中，T_s是采样周期，令φ_k＝[ω_k u_k 1]^T,则(2)式可写为如下形式：

ω_k+1＝φ_k^Tη (3)

本实施例的目的就是对待辨识参数η进行在线辨识，当得到待辨识参数η的估计值时，待辨识的三个参数的估计值由下式给出

即

具体地，在本实施例中，获取单元100获取电压输入信号且该电压输入信号满足参数辨识的持续激励条件，其中持续激励条件是系统辨识理论中的一个成熟概念，是由Astrom在1965年提出的，它是指在辨识时间内过程的动态必须被输入信号持续激励，或者在实验期间，输入信号必须充分激励过程的所有模态。

作为一种具体的实施方式，根据直流力矩电机的原理以及迭代最小二乘算法原理，获取单元100获取的电压输入信号可以利用一种简便易实现的控制参考输入实现，电压输入信号的具体形式如下：

其中，C₁和C₂是两个常值电压且C₁≠C₂，t₀为输入电压C₁的结束时间，t_end为输入电压C₂的结束时间。特别地，根据直流电机驱动的望远镜轴系参数辨识的经验，C₁可以在区间内取值，C₂可以在区间内取值，其中U_c是直流电机驱动的望远镜轴系的母线电压，t₀在[2s,4s]区间内取值，t_end在[t₀+2s,t₀+4s]区间内取值即可，通过选取合适的C₁、C₂、t₀和t_end可以达到相对满意的实验结果。

采集单元200采集在所述电压输入信号作为直流电机驱动望远镜的伺服控制系统的开环输入信号下，所述直流电机驱动望远镜的轴系速度响应输出信号。获取单元100获取的电压输入信号作为直流电机驱动望远镜的伺服控制系统的开环输入信号，在电压输入信号的作用下，直流电机驱动的望远镜的伺服控制系统输出轴系速度响应输出信号，采集单元200采集该轴系速度响应输出信号。

迭代计算单元300根据轴系速度响应输出信号、待辨识参数的预设参数初值和预设迭代矩阵初值，进行迭代最小二乘算法的迭代计算，得到所述待辨识参数的收敛估计值。优选地，待辨识参数包括直流电机驱动的望远镜轴系的等效转动惯量、机械时间常数和常值扰动力矩，这些辨识参数一方面可以应用于系统建模、仿真及控制器的设计，另一方面，当所使用的望远镜主轴控制算法依赖于被控对象参数时(如内膜控制方法等)，可以使用参数估计值对控制器进行实时更新，使得在被控对象发生变化时控制算法仍能达到高精度的控制效果。迭代计算单元300利用迭代最小二乘算法进行迭代计算时，迭代算法的初值可以是预设的初值，包括待辨识参数η的预设参数初值η₀和迭代矩阵P_k的预设迭代矩阵初值P₀，迭代计算单元300根据轴系速度响应输出信号、待辨识参数的预设参数初值η₀和预设迭代矩阵初值P₀，进行迭代最小二乘算法的迭代计算，得到待辨识参数的收敛估计值。迭代计算单元300通过迭代最小二乘算法计算待辨识参数的收敛估计值，具体过程如下：

构造观测向量φ_k＝[ω_k u_k 1]^T，令其中，u_k为电压输入信号，ω_k为轴系速度响应输出信号，根据迭代最小二乘算法的原理，P_k满足如下迭代计算公式

而待辨识参数η在第k步的迭代估计值为

在线迭代计算待辨识参数η的估计值时，理论上有若待辨识参数η在第k步的迭代估计值η_k+1收敛，则将估计值η_k+1作为收敛估计值。根据仿真及实践经验，在实际应用过程中只需几秒时间参数η_k+1即可收敛至参数真值的可接受误差范围内，完成了参数的辨识。

最后，参数计算单元400根据所述收敛估计值计算所述待辨识参数，具体计算方法如公式(4)所示。

作为一种具体的实施方式，由于迭代计算单元进行迭代最小二乘算法的迭代计算时，其计算结果的收敛性并不依赖于初值的选取，因此本实施方式中迭代计算单元可以选取如下简单形式的初值，以减少迭代计算的计算量，提高参数辨识的效率：

选取待辨识参数η的预设参数初值η₀为η₀＝[0 0 0]^T；

选取迭代最小二乘算法的预设迭代矩阵初值为

本实施例所提出的直流电机驱动的望远镜轴系参数识别装置与目前工程中广泛使用的多次开环辨识装置相比，本发明所提出的装置仅需一次实验即可完成待识别参数的估计，且算法通过迭代在线实时实现，无需线下处理，实验结束后直接输出参数的估计值，所需辨识时间短，同时所需轴系旋转的角度小，更利于实验操作和实现。本发明说提出的直流电机驱动的望远镜轴系参数辨识装置尤其适用于对外场设备参数的快速辨识及控制算法中参数的实时快速更新。

本发明直流电机驱动的望远镜轴系参数辨识装置中各个单元其具体功能的实现方法，可以参照上述的直流电机驱动的望远镜轴系参数辨识方法实施例中描述的实现方法，此处不再赘述。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。