一种伺服电机控制方法及装置与流程
本发明涉及工业自动化控制领域，具体涉及一种伺服电机控制方法及装置。
背景技术
自抗扰控制技术(activedisturbancerejectioncontrol,简称adrc)既继承了传统pid控制的优点，又融合了现代控制理论，经过近二十年的发展和检验，在实际工程中得到了广泛应用。
伺服驱动系统作为运动控制领域中传动技术的高端产品，功能强大体积小且控制效果突出，被广泛应用于工业生产中。在实际工业应用中，由于pid控制器具有的简单易操作等特性，使得大多数的伺服电机控制都采用pid控制算法，然而，当系统参数发生时变或系统受到外部较大扰动的情况下，传统的pid控制算法不具有抑制外部强干扰的能力，所以会降低整个系统的控制性能，其他大多数控制器也存在类似的缺陷，因而，如何能提高整个系统的鲁棒性和稳定性，使系统在受到强烈外部扰动时能快速回到稳定状态，减少调节时间对工业生产具有重要的意义。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的伺服电机控制方法，不具有抑制外部强干扰的能力，当系统在受到强烈外部扰动时，系统的鲁棒性和稳定性会降低，进而影响整个系统的控制性能等问题。
根据第一方面，本发明实施例提供了一种伺服电机控制方法，包括：获取伺服电机运行转速的历史数据；采用粒子群算法对所述历史数据进行离线辨识，构建所述伺服驱动系统的对象模型；根据所述对象模型设计离散时间微分平坦控制器，得到微分平坦的反馈控制律；采用混沌动态烟花算法优化所述反馈控制律的控制参数，得到优化的反馈控制律；根据所述优化的反馈控制律控制所述伺服电机的运行转速。
结合第一方面，在第一方面的第一实施方式中，所述根据所述对象模型设计离散时间微分平坦控制器，得到微分平坦的反馈控制律，包括：根据所述对象模型建立系统模型；根据所述系统模型构造离散时间扩张状态观测器模型；根据所述离散时间扩张状态观测器模型，得到所述反馈控制律。
结合第一方面，在第一方面的第二实施方式中，所述根据所述系统模型构造离散时间扩张状态观测器模型，包括：根据所述系统模型得到连续时间状态空间模型；采用欧拉法将所述连续时间状态空间模型进行离散化，得到离散时间状态空间模型；根据所述离散时间状态空间模型设计得到离散时间扩张状态观测器模型。
结合第一方面，在第一方面的第三实施方式中，所述对象模型为二阶惯性环节，所述二阶惯性环节：
其中，g(s)表示传递函数，k表示比例系数，t1和t2表示时间常数。
结合第一方面，在第一方面的第四实施方式中，所述根据所述对象模型建立系统模型，包括：根据所述二阶惯性环节得到原始系统模型，所述原始系统模型为：
其中，
采用标称值描述所述过程参数，得到所述系统模型，所述系统模型为：
其中，
结合第一方面，在第一方面的第五实施方式中，所述采用欧拉法将所述连续时间状态空间模型进行离散化，得到离散时间状态空间模型，所述离散时间状态空间模型为：
其中：
h＝[100]
t表示采样时间，x(k)、x(k+1)表示离散输入变量，y(k)表示离散输出变量。
结合第一方面，在第一方面的第六实施方式中，所述根据所述离散时间状态空间模型设计得到离散时间扩张状态观测器模型，所述离散时间扩张状态观测器模型为：
其中，
结合第一方面，在第一方面的第七实施方式中，所述根据所述离散时间扩张状态观测器模型，得到所述反馈控制律，所述反馈控制律为：
其中，y*(k)表示期望的输出变量，y(k)表示实际的输出变量，γ0和γ1表示所述反馈控制律的增益。
根据第二方面，本发明实施例提供了一种伺服电机控制装置，包括：历史数据获取模块，用于获取伺服驱动系统中伺服电机运行转速的历史数据；对象模型构建模块，用于采用粒子群算法对所述历史数据进行离线辨识，构建所述伺服驱动系统的对象模型；反馈控制律构建模块，用于根据所述对象模型设计离散时间微分平坦控制器，得到微分平坦的反馈控制律；反馈控制律优化模块，用于采用混沌动态烟花算法优化所述反馈控制律的控制参数，得到优化的反馈控制律；伺服电机转速控制模块，用于根据所述优化的反馈控制律控制所述伺服电机的运行转速。
根据第三方面，本发明实施例提供了一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行第一方面或者第一方面的任意一种可选方式中所述的伺服电机控制方法。
根据第四方面，本发明实施例提供了一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，使所述计算机执行第一方面或者第一方面的任意一种可选方式中所述的伺服电机控制方法。
本发明技术方案，具有如下优点：
本发明实施例提供的伺服电机控制方法，通过获取伺服电机运行转速历史数据，采用粒子群优化算法进行离线辨识构建伺服驱动系统的对象模型，从而得到精确的模型信息，然后对该对象模型设计离散时间微分平坦控制器，得到微分平坦的反馈控制律，并采用混沌烟花算法优化该反馈控制律的控制参数，从而缩短控制器参数调节时间，得到优化的反馈控制律，并将此控制律的控制信号传递到伺服电机的驱动器中，实现了伺服电机的转速控制，操作简便，使整个系统在受到强烈外部扰动时能快速回到稳定状态，减少了调节时间，并提高整个系统的鲁棒性和稳定性，从而提高整个系统的控制性能，对实际工业生产具有重要意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中伺服电机控制方法的实际应用示意图；
图2为本发明实施例中伺服电机控制方法的流程图；
图3为本发明实施例中伺服电机系统中输入变量的估计值与输出变量值的关系变化曲线图；
图4为本发明实施例中系统的控制量输入变化曲线图；
图5为本发明实施例中系统期望的输出变量与系统实际输出变量的关系变化曲线图；
图6为本发明实施例中与pid控制效果结果对比图；
图7为本发明实施例中加入扰动后伺服电机系统的控制效果曲线示意图；
图8为本发明实施例中伺服电机控制装置的结构示意图；
图9为本发明实施例中电子设备的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
本发明实施例提供一种伺服电机控制方法，其可以应用于伺服驱动系统中，伺服驱动系统作为运动控制领域中传动技术的高端产品，功能强大体积小且控制效果突出，被广泛应用于工业生产中。但是由于大多数控制方法的局限性，不具备抑制强外部干扰的能力。本发明实施例中的伺服驱动系统如图1所示，包括：伺服控制器、伺服电机以及由伺服电机所带动的三叶风扇在内的整套系统。
如图2所示，该方法包括以下步骤：
步骤s1：获取伺服电机运行转速的历史数据。
在本发明实施例中，采用plc设备来实现上述的伺服电机控制方法，如图1所示，将整个伺服驱动系统当作被控对象，plc设备发出被伺服控制器所接收的转速设定值作为对象的输入，伺服控制器所反馈到plc的实际转速模拟量为对象的输出。然后基于开环试验得到的伺服电机运行转速的历史数据。
步骤s2：采用粒子群算法对历史数据进行离线辨识，构建伺服驱动系统的对象模型。
具体地，在实际应用中，可以在matlab/simulink中采用基于粒子群算法对上述历史数据进行初步离线辨识，得到伺服驱动系统的对象模型，该对象模型为二阶惯性环节由公式(1)表示：
其中，g(s)表示传递函数，k表示比例系数，t1和t2表示时间常数。
步骤s3：根据对象模型设计离散时间微分平坦控制器，得到微分平坦的反馈控制律。
在一较佳实施例中，得到微分平坦的反馈控制律可以采用以下方式：
首先，根据对象模型建立系统模型。
具体地，微分平坦自抗扰控制器包括扩张状态观测器、反馈控制律、扰动补偿等结构，在实际应用中，最关键的部分为扩张状态观测器(extendedstateobserver，eso)，eso能实时估计系统总扰动，总扰动包括了控制系统的非精确模型内部扰动和外部扰动。在实际系统中实现微分平坦自抗扰控制策略最关键的部分是构造离散时间eso。
基于上述步骤s2中所得到的二阶对象模型二阶惯性环节，得到原始系统模型由公式(2)表示：
其中，
考虑到过程参数的标称值，采用标称值描述过程参数，得到系统模型，该系统模型由公式(3)表示：
其中，
然后，根据系统模型构造离散时间扩张状态观测器模型。
在一较佳实施例中，根据微分平坦自抗扰控制理论，可以通过上述的公式(3)可以得到连续状态空间模型，采用欧拉法将该连续时间状态空间模型进行离散化，得到离散时间状态空间模型，该离散时间状态空间模型由公式(4)表示：
其中：
h＝[100]
t表示采样时间，x(k)、x(k+1)表示离散输入变量，y(k)表示离散输出变量。
根据上述的公式(4)可以设计出离散时间扩张状态观测器模型，由公式(5)表示：
其中，
λ(z)＝|zi-(φ-φlch)|＝(z-β1)2(z-β2).(6)
其中，λ(z)表示离散特征方程，i表示单位矩阵，z表示离散特征方程的解。
最后根据离散时间扩张状态观测器模型，得到反馈控制律。
在一较佳实施例中，可以通过上述的公式(5)所表示的离散时间扩张状态观测器模型，得到反馈控制律，该反馈控制律由公式(7)表示：
其中，y*(k)表示期望的输出变量，y(k)表示实际的输出变量，γ0和γ1表示反馈控制律的增益。在实际应用中，γ0和γ1可通过配置闭环特征方程极点的方式获得，该闭环特征方程由公式(8)表示：
λ(s)＝s2+γ1s+γ0＝s2+2ξcωcs+ωc(8)
其中，λ(s)表示闭环特征方程，s表示闭环特征方程的解，ωc为控制参数。
步骤s4：采用混沌动态烟花算法优化反馈控制律的控制参数，得到优化的反馈控制律。
由上述的公式(1)到公式(8)可知，需要整定优化的参数有ω0、ωc和p，在本发明实施例中，通过以时间乘以误差绝对值积分(itae)作为性能指标，采用混沌动态烟花算法来优化这三个参数，得到优化的反馈控制律。
步骤s5：根据优化的反馈控制律控制伺服电机的运行转速。
在实际应用中，通过经过优化的反馈控制律所构建的控制器，将控制量信号传力到伺服驱动器中，实现对伺服电机转速的控制。
通过执行上述步骤s1到步骤s5，本发明实施例中的伺服电机控制方法，实现了伺服电机的转速控制，操作简便，使整个系统在受到强烈外部扰动时能快速回到稳定状态，减少了调节时间，并提高整个系统的鲁棒性和稳定性，从而提高整个系统的控制性能，对实际工业生产具有重要意义。
上述的伺服电机控制方法在实际应用中，可以通过plc设备进行设计实现，如图1所示，具体地，在本发明实施例中，采用的plc组态软件为step7和wincc，工控平台为tiav13，其中，step7为编程软件，wincc(windowscontrolcenter)是专业的工程组态软件。通过功能强大的tiaportal平台将两者结合，在step7中编程实现控制策略，进一步通过wincc实现过程监控人机界面，最终实现整套系统的自动化运行。
基于梯形图编程语言，根据上述的公式(5)可以构造出离散时间扩张状态观测器模块，根据公式(7)可以构造出离散时间微分平坦自抗扰控制器模块。扩张状态观测器输入为控制量u和实际转速值y，输出为
下面将结合具体地仿真示例，进一步详细的说明本发明实施例提供的伺服电机控制方法：
具体地，在本发明实施例中采用粒子群算法对历史数据进行离线辨识，构建伺服驱动系统的对象模型如公式(9)所示：
g(s)＝0.3737/(s2+1.2055s+0.3753)(9)
将三个待优化参数ω0、ωc和p的参数范围设定为[0，30]，采用的性能指标为时间乘以误差积分(itae)，如公式(10)所示：
在本发明实施例中，混沌动态烟花算法参数设定如下：烟花数量m＝100，变量维度d＝3，初始爆炸半径er＝90，初始爆炸数量en＝5，核心烟花放大因子ca＝1.5，核心烟花收缩因子cr＝0.001，迭代次数n＝10，爆炸数量的限制因子a＝0.3、b＝0.8，用来限制新产生烟花的数量。
在本发明实施例中，所采用的伺服电机接收0～10v的电压信号，线性对应0～5000rpm电机转速值。由于带有风扇的电机转速过快容易造成危险，所以将转速上限值限制为4000rpm，设定伺服电机的初始转速为1000rpm，考虑到实际系统的限制，控制量信号u被限制为-4000rpm到4000rpm之间。在进行十次迭代以后，得到使性能指标itae值最小的一组参数：ωo＝3.991580，ωc＝7.137115，p＝3.837066，性能指标值itae＝553.097851，为了展示本发明实施例提供的伺服电机控制方法对外部扰动能力的抑制能力，在t＝5s时，向伺服电机系统中加入+400的阶跃扰动。伺服电机系统中输入变量的估计值与输出变量值的关系变化曲线如图3所示，系统的控制量输入变化曲线如图4所示，系统期望的输出变量与系统实际输出变量的关系变化曲线如图5所示。
采用上述优化后的控制器参数，即：ωo＝3.991580，ωc＝7.137115，p＝3.837066，对实际伺服电机系统的控制效果进行测试，将本发明实施例中的伺服电机控制方法称为dfadrc，其与pid的控制效果结果对比如图6所示，图6中的sp表示设定值，pv表示实际值，在t＝140t和t＝200t时分别加入+400和-400的阶跃扰动，伺服电机系统的控制效果曲线如图7所示。
上述图6及图7的测试结果表明，本发明实施例所提出的伺服电机控制控制方法，比传统pid控制的控制效果更好，并且具有良好的扰动抑制能力。
实施例2
本发明实施例提供一种伺服电机控制装置，如图8所示，该伺服电机控制装置包括：历史数据获取模块1，用于获取伺服驱动系统中伺服电机运行转速的历史数据。详细内容参考实施例1中的步骤s1。
对象模型构建模块2，用于采用粒子群算法对历史数据进行离线辨识，构建伺服驱动系统的对象模型。详细内容参考实施例1中的步骤s2。
反馈控制律构建模块3，用于根据对象模型设计离散时间微分平坦控制器，得到微分平坦的反馈控制律。详细内容参考实施例1中的步骤s3。
反馈控制律优化模块4，用于采用混沌动态烟花算法优化反馈控制律的控制参数，得到优化的反馈控制律。详细内容参考实施例1中的步骤s4。
伺服电机转速控制模块5，用于根据优化的反馈控制律控制伺服电机的运行转速。详细内容参考实施例1中的步骤s5。
实施例3
本发明实施例提供一种非暂态计算机存储介质，该计算机存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令可执行上述任意实施例1中的伺服电机控制方法。其中，上述存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-onlymemory，rom)、随机存储记忆体(randomaccessmemory，ram)、快闪存储器(flashmemory)、硬盘(harddiskdrive，缩写：hdd)或固态硬盘(solid-statedrive，ssd)等；该存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。
实施例4
本发明实施例提供一种伺服电机控制方法的电子设备，其结构示意图如图9所示，该设备包括：一个或多个处理器410以及存储器420，图9中以一个处理器410为例。
执行伺服电机控制方法的电子设备还可以包括：输入装置430和输出装置440。
处理器410、存储器420、输入装置430和输出装置440可以通过总线或者其他方式连接，图9中以通过总线连接为例。
处理器410可以为中央处理器(centralprocessingunit，cpu)。处理器410还可以为其他通用处理器、数字信号处理器(digitalsignalprocessor，dsp)、专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，asic)、现场可编程门阵列(field-programmablegatearray，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等芯片，或者上述各类芯片的组合。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
存储器420作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序、非暂态计算机可执行程序以及模块，如本申请实施例中的伺服电机控制方法对应的程序指令/模块，处理器410通过运行存储在存储器420中的非暂态软件程序、指令以及模块，从而执行服务器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例的伺服电机控制方法。
存储器420可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储根据伺服电机控制的处理装置的使用所创建的数据等。此外，存储器420可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施例中，存储器420可选包括相对于处理器410远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至伺服电机控制装置。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
输入装置430可接收输入的数字或字符信息，以及产生与伺服电机控制操作的处理装置有关的用户设置以及功能控制有关的键信号输入。输出装置440可包括显示屏等显示设备。
一个或者多个模块存储在存储器420中，当被一个或者多个处理器410执行时，执行如图1所示的方法。
上述产品可执行本发明实施例所提供的方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。未在本发明实施例中详尽描述的技术细节，具体可参见如图1所示的实施例中的相关描述。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
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