专利名称：一种交流位置伺服系统模型参数在线辨识和控制方法
技术领域：
本发明涉及交流永磁同步电机伺服系统，特别涉及一种交流位置伺服系统模型参数在线辨识和控制方法，属于同步电机技术领域。
背景技术：
一个新的交流伺服系统建立以后，其诸多系统参数都是未知的，而控制系统的控制器参数都是依据系统的模型参数来设计的。另外在许多控制问题中，面向的对象通常是不确定的，工作负载的改变会导致伺服系统模型参数的变化。因此，一个高性能的交流伺服系统不仅要求系统能对伺服指令做出快速、准确的响应，而且还要求当负载特征变化时，仍能保证系统具有良好的控制性能，这就要求伺服系统的控制器参数能够随负载特性作适当的调整。交流伺服控制系统的设计方法一般分为三种，第一种是先离线辨识出系统模型参数，再根据辨识出的模型参数设计控制器参数，该方法效率比较低，并且离线辨识需要大量实验数据，要对多组数据进行处理才能得到系统的参数，计算量很大，并且当负载的变化导致系统模型参数变化时要重新进行离线参数辨识，增加了控制系统设计时间和工作量，专利申请号为2007100M700. 4名称为《一种交流位置伺服系统中干扰的观测和补偿方法》的中国专利介绍了参数变化等对被控对象控制性能的影响。第二种是先辨识出系统模型参数，再根据辨识出的模型参数在线设计控制器参数，并自动切换到位置控制。第三种是位置自适应控制算法，和第二种方法不同的是在控制系统运行过程中不断进行参数辨识和控制器的修改，此种方法系统设计比较复杂难于实现，并且对控制系统的硬件要求较高。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术上的缺陷，提供一种交流位置伺服系统模型参数在线辨识和控制方法，以提高设计控制系统的效率。为解决上述技术问题，本发明提供一种交流位置伺服系统模型参数在线辨识和控制方法，其特征在于，包括以下步骤1)设定交流伺服系统被控对象数学模型利用一阶微分方程表示为 J6 = -ito + w，其中ω是系统输出速度，u是被控对象输入速度信号，J和B是交流伺服系统被控对象的模型参数，是未知参数，分别是转动惯量和粘性阻尼系数；设定被控对象辨识的参考模型-JjK^-Bj^+a — ref， _ref是辨识输入的外部参考信号，控制系统希望达到的控制性能指标，参数丄和良分别为转动惯量和粘性阻尼系数在控制系统中希望达到的控制性能指标，均为正数；2)在被控对象模型参考自适应控制系统中，将辨识的模型参数转动惯量J和粘性阻尼系数B的辨识值和其前一采样周期的转动惯量J和粘性阻尼系数B进行比较，直到它们的差值小于预先给定的性能指标ε时停止辨识，输出辨识的参数值J和B;3)根据步骤幻输出的被控对象辨识的参数值在线计算位置控制器，并自动切换到位置控制。前述的一种交流位置伺服系统模型参数在线辨识和控制方法，其特征在
于在所述步骤幻中，被控对象辨识的参考模型和实际模型参数之间的跟踪偏差
采用比例运算，控制规律为u = θ r(t) _ref- θ y(t) ω，其中θ Jt)和θ y(t)
是分别是t时刻的辨识值和参考模型参数的时变反馈增益，闭环系统函数为
= -(Β + θγ)ω!J + Orw_ref U ；跟踪偏差为e =跟踪偏差的动态表达式为
... Bm .Bm Oy B. ￡ 1 . ,
β = ω-ω =——-e + (—-———)ω + (—--)ω ref 0
m J V J Jj yJ J
υ mυ m ° °° υ m前述的一种交流位置伺服系统模型参数在线辨识和控制方法，其特征在于在所述步骤2~)中，利用李雅普诺夫稳定性判据判断被控对象模型参考自适应控制系统是否稳定，具体方法为李雅普诺夫 Lyapunov 函数为
V(e,er,6y) = ke2 +^( + ^-^)2 +^--L)2) γ 为自适应增益，当 e = O、控制
2 r J J Jm r J Jm
器参数θ ^和θ y等于它们的最优值时，李雅普诺夫函数V为零，V的导数为曼=—^么+丄在—丄)丛 dt dt γ J J J dt γ J J dt
/m‘m=—丄Λ.寻—苧—_+丄存―知苧+声―re/)
人 Y J J J ㈣ dtγ J J ㈣ dt
m‘m‘m如果控制器参数根据自适应规律，=-7咖— re/,，= 7规进行更新，则
atat
dV Bm 2
得I = -/ 如果误差e不等于零，函数V就减小，可以得出误差将趋于零，判
m
断出被控对象模型参考自适应控制系统是稳定的。 自适应规律的差分方程为
O fk)-0 fk-1)θ (k)-6 (k-1)
Λ) ^ J--Ye{k)a_ref{k)，"《J - Ye(k)a(k)，则转动惯量和粘性阻尼系数的差分方程为■ — J, — 1) = -JmYe{k)rn_ref{k) ,MlMlll = -BmYe(k)a_ref(k)~ Ye{k)m{k)，Ts 为采样周期，
er(k)、0y(k)、e(k)、ω (k)、co_ref(k)、J(k)、B(k)和 6r(k-l), θ y(k_l)、J(k_l)、B(k_l) 分别为第k个和第k-1个采样周期的值。前述的一种交流位置伺服系统模型参数在线辨识和控制方法，其特征在于在所述步骤3)中，位置控制器采用PD控制，传递函数表示为G。(s) = Kp+Kds,则位置环的闭环
Kn +KdS
传递函数为…丄r、，根据二阶系统的标准形式^^——r，得到ωη2
Js +^ + Kd)s + KpS + IgmnS + ωη
=Kp/J, 2 ζ ωη= (B+Kd)/J，mW&=^ 2，Kd = 24 ωη-Β，其中，KP+Kds 为位置控制器，其中Kp为比例系数，Kd为微分系数，s为拉普拉斯变量；令《 表示位置环的期望自然频率， ζ表示位置环的期望阻尼比。本发明的有益效果是，利用基于李雅普诺夫(Lyapimov)稳定性理论的模型参考自适应辨识算法，对交流伺服系统被控对象的模型参数转动惯量J和粘性阻尼系数B进行
5在线辨识，当辨识参数收敛后，根据J和B的值在线设计位置控制器，并自动切换到位置控制，大大提高系统设计的效率。
图1为本发明的基于模型参数在线辨识和位置控制原理图；图2为被控对象模型参数在线辨识和位置控制流程图；图3为被控对象模型参考自适应控制系统的框图；图4为一阶系统的模型参考自适应辨识框图；图5为简化后的位置闭环原理框图；图6为位置控制输出跟踪曲线。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。图1中γ、表示交流伺服系统被控对象数学模型，J和B是交流伺服系统被控对
象的模型参数转动惯量和粘性阻尼系数，Kp+Kds为位置控制器，θ _ref为系统的位置控制输入参考信号，《_ref是辨识输入的外部参考信号。被控对象数学模型用一阶微分方程表示为/6 = -50+W，其中ω是系统输出速度，u是速度环输入。图2 中推)
权利要求
1.一种交流位置伺服系统模型参数在线辨识和控制方法，其特征在于，包括以下步骤1)设定交流伺服系统被控对象数学模型利用一阶微分方程表示为
2.根据权利要求1所述的一种交流位置伺服系统模型参数在线辨识和控制方法，其特征在于在所述步骤幻中，被控对象辨识的参考模型和实际模型参数之间的跟踪偏差采用比例运算，控制规律为U= er(t)co_ref-ey(t)co，其中ejt)和 0y(t)分别是t时刻的辨识值和参考模型参数的时变反馈增益，闭环系统函数为
3.根据权利要求2所述的一种交流位置伺服系统模型参数在线辨识和控制方法，其特征在于在所述步骤幻中，利用李雅普诺夫稳定性判据判断被控对象模型参考自适应控制系统是否稳定，具体方法为李雅普诺夫 Lyapunov 函数为
4.根据权利要求1或2或3所述的一种交流位置伺服系统模型参数在线辨识和控制方法，其特征在于在所述步骤幻中，位置控制器采用PD控制，传递函数表示为
全文摘要
本发明公开了一种交流位置伺服系统模型参数在线辨识和控制方法，利用基于李雅普诺夫(Lyapunov)稳定性理论的模型参考自适应辨识算法，对交流伺服系统被控对象的转动惯量J和粘性阻尼系数B进行在线辨识，当辨识参数收敛后，根据J和B的值在线设计位置控制器，并自动切换到位置控制，本发明可大大提高交流伺服系统设计的效率。
文档编号G05B13/04GK102354107SQ20111014273
公开日2012年2月15日 申请日期2011年5月30日 优先权日2011年5月30日
发明者刘向红, 李向国, 梅志千 申请人:河海大学常州校区