超声波电机的模型参考自适应位置控制方法及系统与流程

本发明涉及超声波电机的模型参考自适应位置控制方法及系统，属于超声波电机的控制
技术领域：
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背景技术：
：超声波电机在汽车电子、精密仪器、机器人、航空航天以及武器装备等领域有着广阔的应用前景。但是由于超声波电机内部压电材料、定转子间机械能摩擦传递等方面的非线性，使超声波电机具有比传统电磁电机更强的时变非线性运行特性。同时，超声波电机驱动电路工作在开关状态，其控制关系也有着非线性的特征，使得超声波电机系统的时变非线性更加明显，不易获得良好的运动控制性能。为改善其控制性能，通常应采用具有自适应特点的控制策略，实时调整控制器参数或结构。目前，模型参考自适应控制(MRAC)、模糊控制、神经网络控制等控制策略都已被用于超声波电机的运动控制研究。如按照传统设计方法设计超声波电机模型参考自适应(MRAC)位置控制系统，如图1所示。图中，yr为电机旋转角度(即位置的给定值)，位置模型参考自适应位置控制器给出电机转速给定值nr。因实际使用的电机都会有允许的最大转速值(例如，所用实验电机的最大转速值为120r/min)，而nr可能超出这一限值，所以在位置控制器之后设置“转速给定值限幅”环节，将nr值限制在电机允许的最大转速值之下。Wp(s)为包含超声波电机在内的转速控制内环的传递函数，其输出为电机实际转速np，电机转速经积分环节1/s得到电机旋转角度即实际位置值yp。图中，Wm(s)为参考模型，其输出为电机位置参考值ym。ym与yp做差，得到参考误差e1，e1用来在线调节模型参考自适应位置控制器中的可调参数，以实现自适应控制。以ShinseiUSR60型两相行波超声波电机为控制对象，编程实现所设计的MRAC位置控制策略，研究其控制性能。图2给出了当位置阶跃给定值为360°，参考模型的传递函数分别为响应速度较慢的Wm1和响应速度较快的Wm2时的位置输出响应曲线。由图2中实线可以看出参考模型选为Wm1时，实际位置值能够很好地跟踪参考模型输出，且输出无超调，但响应速度缓慢，调节时间约为3.575s，不符合超声波电机的短时、快速工作特点；当参考模型选为Wm2时，图2中的虚线表明位置输出有较大超调，但调节时间仅为0.936s。产生超调是由于所选参考模型的性能过高，可调系统在试图跟踪参考模型变化的过程中，会使位置MRAC控制器的作用过于强烈。由于位置MRAC控制器的输出是参考转速，而超声波电机转速限幅为120r/min，控制系统仅对控制器输出转速限幅而对控制量计算过程并没有限幅作用，从而导致位置输出产生较大超调。技术实现要素：本发明的目的在于提供超声波电机的模型参考自适应位置控制方法及系统，以解决超声波电机转速限幅导致的位置输出超调和振荡问题。为了实现上述目的，本发明的超声波电机的模型参考自适应位置控制方法，包括：根据超声波电机的位置指令yr输出一个实际位置值yp；根据超声波电机的位置指令yr输出一个位置参考值ym；根据实际位置值yp和位置参考值ym，输出一个参考误差e1，参考误差e1为位置参考值ym与实际位置值yp之差；根据参考误差e1调节实际位置值yp；还包括根据位置参考值ym，作微分求得位置参考值ym对应的转速参考值nm；当转速参考值nm大于超声波电机的实际最大转速N时，将位置参考值ym以转速参考值nm不大于超声波电机的实际最大转速N时对应的位置参考值ym代替。进一步地，超声波电机的模型参考自适应位置输出的阶跃响应曲线依次包括三个区域，分别为启动低速区、转速上升区和转速下降区，其中启动低速区和转速下降区的转速参考值nm不大于超声波电机实际最大转速N，转速上升区转速参考值nm大于超声波电机的实际最大转速N。进一步地，还包括在转速下降区对位置参考值ym进行线性插值：设插值区间为[k1，N]，采样时间为Ts，y(k)和y(k+1)分别表示k时刻和k+1时刻参考模型输出的位置参考值，T(k)和T(k+1)分别表示k时刻和k+1时刻的时间点，插值点用(x，y)表示，且有x＝T(k)+a*Ts，a为插值间隔，则插值计算式可表示为：y=y(k)+y(k+1)-y(k)T(k+1)-T(k)(T(k)+a*Ts)=y(k)+y(k+1)-y(k)*(k+a)]]>式中，当yr<360°时，0<a<1；yr＝360°时，a＝1；当yr>360°时，a>1。进一步地，采用超声波电机驱动电压频率为调节变量。本发明的超声波电机的模型参考自适应位置控制系统，包括：用于根据超声波电机的位置指令yr输出一个实际位置值yp的单元；用于根据超声波电机的位置指令yr输出一个位置参考值ym的单元；用于根据实际位置值yp和位置参考值ym，输出一个参考误差e1的单元，参考误差e1为位置参考值ym与实际位置值yp之差；用于根据参考误差e1调节实际位置值yp的单元；还包括用于根据位置参考值ym，作微分求得位置参考值ym对应的转速参考值nm的单元；用于当转速参考值nm大于超声波电机的实际最大转速N时，将位置参考值ym以转速参考值nm不大于超声波电机的实际最大转速N时对应的位置参考值ym代替的单元。进一步地，超声波电机的模型参考自适应位置输出的阶跃响应曲线依次包括三个区域，分别为启动低速区、转速上升区和转速下降区，其中启动低速区和转速下降区的转速参考值nm不大于超声波电机实际最大转速N，转速上升区的转速参考值nm大于超声波电机的实际最大转速N。进一步地，还包括用于在转速下降区对位置参考值ym进行线性插值的单元：设插值区间为[k1，N]，采样时间为Ts，y(k)和y(k+1)分别表示k时刻和k+1时刻参考模型输出的位置参考值，T(k)和T(k+1)分别表示k时刻和k+1时刻的时间点，插值点用(x，y)表示，且有x＝T(k)+a*Ts，a为插值间隔，则插值计算式可表示为：y=y(k)+y(k+1)-y(k)T(k+1)-T(k)(T(k)+a*Ts)=y(k)+y(k+1)-y(k)*(k+a)]]>式中，当yr<360°时，0<a<1；yr＝360°时，a＝1；当yr>360°时，a>1。进一步地，采用超声波电机驱动电压频率为调节变量。本发明的有益效果是：采用本发明的超声波电机的模型参考自适应位置控制方法及系统，使得参考模型能够在反映控制期望的同时，与存在最大转速限制的电机之间更好匹配，从而在根本上限制了模型参考自适应位置控制器输出大幅度饱和所导致的位置控制超调和振荡过程，改善了控制性能。由于本发明采用电机驱动电压频率为调节变量，避免了采用驱动电压相位差作为调节变量时引起的超声波电机系统的运行效率和电机旋转位置的不平稳问题，从而提高了电机位置控制性能。附图说明图1是传统的超声波电机位置控制系统结构框图；图2是传统的超声波电机位置控制系统对应的位置阶跃响应曲线；图3是超声波电机的模型参考自适应位置控制方法实施例1的位置控制系统结构框图；图4是超声波电机的模型参考自适应位置控制方法实施例1的参考模型的位置阶跃响应曲线；图5是超声波电机的模型参考自适应位置控制方法实施例1的参考模型的转速输出曲线；图6是超声波电机的模型参考自适应位置控制方法实施例1的位置阶跃响应曲线；图7是超声波电机的模型参考自适应位置控制方法实施例1的多位置阶跃响应曲线；图8是超声波电机的模型参考自适应位置控制方法实施例2的多位置阶跃响应曲线。具体实施方式下面结合附图对本发明作进一步说明。超声波电机的模型参考自适应位置控制方法实施例1本实施例1的超声波电机的模型参考自适应位置控制方法，如图3所示，根据超声波电机的位置指令yr输出一个实际位置值yp；根据超声波电机的位置指令yr输出一个位置参考值ym；根据实际位置值yp和位置参考值ym，输出一个参考误差e1，参考误差e1为位置参考值ym与实际位置值yp之差；根据参考误差e1调节实际位置值yp；还包括根据位置参考值ym，作微分求得位置参考值ym对应的转速参考值nm；当转速参考值nm大于超声波电机的实际最大转速N时，将位置参考值ym以转速参考值nm不大于超声波电机的实际最大转速N时对应的位置参考值ym代替。为了便于分析参考模型对控制性能的影响，图4给出了参考模型在360°给定下的阶跃响应仿真曲线，图5给出了对应的转速输出曲线。图4中实线是采用本实施例1的阶跃响应仿真曲线，虚线代表参考模型为Wm2时的阶跃响应仿真曲线，点画线表示参考模型为Wm1时的阶跃响应仿真曲线。以参考模型转速最高为120r/min为界，可以将参考模型为Wm2时的阶跃响应曲线分为三个区域，即电机启动时的低速区(图4中的OA区域)、转速上升区(图4中的AB区域)和电机要达到稳态位置时的转速下降区(图4中的BE区域)。参看图5，OA区域是位置阶跃响应的初始段，转速输出低于120r/min，AB区域是位置响应的上升段，期间的转速输出高于120r/min，BE区域表示位置输出接近给定位置，参考模型的转速降至小于120r/min的范围内。由于OA区域参考模型的转速输出低于120r/min，在电机可运行范围内，因此本实施例1的参考模型输出的初始阶段仍用OA区域的值。超声波电机模型参考自适应位置控制方法主要是对转速上升的AB区域和转速下降的BE区域进行改进。AB区域转速输出高于120r/min，即超出电机允许的最高运行转速，将参考模型中转速输出高于120r/min的部分以等于或略低于120r/min的转速输出代替，图4所示是以120r/min代替AB区域的转速输出，如图4实线曲线上的AC区域所示。显然经此改变之后的转速比较低，位置上升比较慢，相同时间内位置输出仅仅到达C点所对应的位置输出值，还需要一定的时间才能到达B点所对应的位置输出。为了实现位置跟踪，改进的参考模型仍保持匀速运行，直到达到与B点同样高度的位置输出，也即图4实线曲线上的D点所示。位置响应曲线到达D点之后，在DE区域的位置输出已趋近于给定值，电机转速从120r/min缓降至零，转速处于电机允许运行速度范围内。因此，模型参考自适应位置控制方法中DE区域的输出仍沿用原参考模型BE区域的输出。通过对参考模型输出进行这样一种改进，就避免了因参考模型响应速度太快使得控制作用过强导致位置超调现象，这一点也可从图5看出。图5中，虚线代表采用参考模型Wm2时的转速变化过程，转速输出在AB区域内的变化比较大，最高约为700r/min；若采用此参考模型，位置输出必然因控制作用剧烈而导致超调。采用模型参考自适应位置控制方法后的转速输出如图6中实线所示，转速始终处于电机的允许范围内。超声波电机的模型参考自适应位置控制方法实施例2本发明超声波电机的模型参考自适应位置控制方法实施例2与超声波电机的模型参考自适应位置控制方法实施例1的不同之处仅在于：还包括在转速下降区对参考模型的输出进行线性插值的单元：在转速下降区对参考模型的输出进行线性插值，具体实现为：设插值区间为[k1，N]，采样时间为Ts。y(k)和y(k+1)分别表示k时刻和k+1时刻的参考模型输出，T(k)和T(k+1)分别表示k时刻和k+1时刻的时间点。插值点用(x，y)表示，且有x＝T(k)+a*Ts，a为插值间隔。则插值计算式可表示为：y=y(k)+y(k+1)-y(k)T(k+1)-T(k)(T(k)+a*Ts)=y(k)+y(k+1)-y(k)*(k+a)---(1)]]>式中，当yr<360°时，0<a<1；yr＝360°时，a＝1；当yr>360°时，a>1。超声波电机的模型参考自适应位置控制方法实施例1在其它位置给定值情况下的阶跃响应曲线，如图7所示，表1给出了对应的性能指标参数。从图7可以看出利用模型参考自适应位置控制方法后，能够实现对不同位置的跟踪控制，但在位置给定较小时位置输出有超调，而在位置给定较大时稳态波动较大。表1不同阶跃给定下的性能指标(e<5％)分析表1数据也可以看出，在位置给定值较小时位置输出容易产生超调，说明位置控制器的控制作用仍然比较强烈；而在位置给定值较大时的位置输出虽无超调，但稳态时位置波动较大，说明控制作用频繁。这是由于整个位置控制范围内，参考模型的转速在低于120r/min时是按照位置给定值为360°时的期望转速输出而选的，对于较小的位置给定值，在接近位置给定值的过程中转速通常比较低，响应速度慢，若参考模型在接近稳态时的响应速度太快，为了跟踪上参考模型的变化，控制器就会产生较大的控制作用，由于电机转速限幅，从而导致位置输出产生超调；而位置给定值较大时，在转速低于120r/min时的响应速度通常比360°给定时的快，若采用原参考模型，则因响应速度慢而使阶跃响应的调节时间变长。本实施例2，在转速低于120r/min时对参考模型的输出进行线性插值，即利用线性插值实现对速度下降区间上参考模型输出的放大或缩小。通过对参考模型的离线输出进行这样的改进后，在位置给定值较小时，其接近稳态时的响应速度变慢，以抑制超调；当位置给定值较大时，接近稳态时的响应速度又能加快，提高系统的整体响应速度。利用改进后的参考模型在位置给定值不同时的阶跃响应如图8所示，从图中可以看出位置输出均无超调，在位置给定值较大时的稳态输出也无波动。表2给出了对应的性能指标数值，表中数据也验证了此前的分析。表2不同阶跃给定下的性能指标(e<5％)超声波电机的模型参考自适应位置控制方法实施例3本发明超声波电机的模型参考自适应位置控制方法实施例3与超声波电机的模型参考自适应位置控制方法实施例1的不同之处仅在于：采用电机驱动电压频率为位置控制器模块的调节变量。采用电机驱动电压频率为调节变量，避免了采用驱动电压相位差作为调节变量时引起的超声波电机系统的运行效率和电机旋转位置的不平稳问题，从而提高了电机位置控制性能。超声波电机的模型参考自适应位置控制系统实施例本实施例的超声波电机的模型参考自适应位置控制系统，用于根据超声波电机的位置指令yr输出一个实际位置值yp的单元；用于根据超声波电机的位置指令yr输出一个位置参考值ym的单元；用于根据实际位置值yp和位置参考值ym，输出一个参考误差e1的单元，参考误差e1为位置参考值ym与实际位置值yp之差；用于根据参考误差e1调节实际位置值yp的单元；还包括用于根据位置参考值ym，作微分求得位置参考值ym对应的转速参考值nm的单元；用于当转速参考值nm大于超声波电机的实际最大转速N时，将位置参考值ym以转速参考值nm不大于超声波电机的实际最大转速N时对应的位置参考值ym代替的单元。上述各单元是与上面的方法实施例中各步骤相对应的功能模块。本发明的方法运行于相应的控制系统单元中，方法实施例中的全部或部分流程，是通过计算机程序或者计算机程序配合硬件来完成的。系统实施例即是与方法实施例相对应的一个功能模块构架。当前第1页1 2 3