一种超声波电机转速控制方法、装置和系统与流程

本发明涉及一种超声波电机转速控制方法、装置和系统，属于超声波电机转速控制技术领域。

背景技术：

《微特电机》期刊2015年第43卷第1期中一篇名称为“超声波电动机p与pi型迭代学习转速控制”的论文，公开了一种将常规的“p型迭代学习控制器”应用于超声波电机转速控制的控制方法，该控制方法不能保证控制过程的有效性，在阶跃转速给定值情况下，会导致电机转速跟踪过程中的抖动和稳态的转速偏差。为了解决这一问题，该论文提出了一种基于改进p型迭代学习控制器的超声波电机转速控制方法，该方法对应的控制系统框图见图1，图1虚线框内的结构单元即是“改进p型迭代学习控制器(以下简称控制器)”，其输出控制量的表达式为：

uk+1(i)＝uk(i)+kpek+1(i),k＝1,2,3,...(1)

e(t)＝nref(t)-n(t)(2)

上式中，t为时间；uk+1(i)为控制系统第k+1次运行过程中在i时刻的控制器输出控制量(即超声波电机驱动频率)；uk(i)为控制系统第k次运行过程中在i时刻的控制器输出控制量；ek+1(i)为控制系统第k+1次运行过程中在i时刻的转速误差；kp为图1所示比例环节的比例系数，取负值；nref(t)为超声波电机的转速给定值；n(t)为超声波电机的实际转速值。

采用图1所示的控制系统结构和公式(1)所示控制规律，对超声波电机进行转速控制实验，实验用驱动电路为h桥结构，采用相移pwm控制方式，设定转速阶跃给定值为30r/min，得到如图2所示的转速阶跃响应曲线(图中实线由下至上依次为第1次至第6次转速阶跃响应曲线，图中虚线为柔化的转速阶跃给定曲线)，由图2可以看出：在转速起始上升阶段，转速响应曲线出现了明显的下陷现象(如图2中虚线圈内所示)，随着迭代学习过程的进行，这一现象越来越明显，使整个系统的响应性能变差。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种超声波电机转速控制方法、装置和系统，用以解决使用改进p型迭代学习控制器时超声波电机转速响应曲线出现下陷现象，导致控制系统响应性能变差的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种超声波电机转速控制方法，包括以下步骤：

在利用改进p型迭代学习控制器进行超声波电机转速控制的过程中，判断该次闭环控制过程中的当前时刻的转速误差是否大于0、以及该次闭环控制过程中当前时刻的改进p型迭代学习控制器输出的控制量是否大于前一时刻的改进p型迭代学习控制器输出的控制量；

若该次闭环控制过程中的当前时刻的转速误差大于0，且该次闭环控制过程中当前时刻的改进p型迭代学习控制器输出的控制量大于前一时刻的改进p型迭代学习控制器输出的控制量，则控制减小该次闭环控制过程中的当前时刻的改进p型迭代学习控制器输出的控制量，使该次闭环控制过程中当前时刻的改进p型迭代学习控制器输出的控制量小于前一时刻的改进p型迭代学习控制器输出的控制量，利用得到的该次闭环控制过程中的当前时刻的改进p型迭代学习控制器输出的控制量对超声波电机的转速进行控制。

本发明还提供了一种超声波电机转速控制装置，包括存储器和处理器，所述处理器用于运行存储在所述存储器中的程序指令以实现如下方法：

在利用改进p型迭代学习控制器进行超声波电机转速控制的过程中，判断该次闭环控制过程中的当前时刻的转速误差是否大于0、以及该次闭环控制过程中当前时刻的改进p型迭代学习控制器输出的控制量是否大于前一时刻的改进p型迭代学习控制器输出的控制量；

若该次闭环控制过程中的当前时刻的转速误差大于0，且该次闭环控制过程中当前时刻的改进p型迭代学习控制器输出的控制量大于前一时刻的改进p型迭代学习控制器输出的控制量，则控制减小该次闭环控制过程中的当前时刻的改进p型迭代学习控制器输出的控制量，使该次闭环控制过程中当前时刻的改进p型迭代学习控制器输出的控制量小于前一时刻的改进p型迭代学习控制器输出的控制量，利用得到的该次闭环控制过程中的当前时刻的改进p型迭代学习控制器输出的控制量对超声波电机的转速进行控制。

本发明还提供了一种超声波电机转速控制系统，包括超声波电机和超声波电机转速控制装置，所述超声波电机转速控制装置包括存储器和处理器，所述处理器用于运行存储在所述存储器中的程序指令以实现如下方法：

在利用改进p型迭代学习控制器进行超声波电机转速控制的过程中，判断该次闭环控制过程中的当前时刻的转速误差是否大于0、以及该次闭环控制过程中当前时刻的改进p型迭代学习控制器输出的控制量是否大于前一时刻的改进p型迭代学习控制器输出的控制量；

若该次闭环控制过程中的当前时刻的转速误差大于0，且该次闭环控制过程中当前时刻的改进p型迭代学习控制器输出的控制量大于前一时刻的改进p型迭代学习控制器输出的控制量，则控制减小该次闭环控制过程中的当前时刻的改进p型迭代学习控制器输出的控制量，使该次闭环控制过程中当前时刻的改进p型迭代学习控制器输出的控制量小于前一时刻的改进p型迭代学习控制器输出的控制量，利用得到的该次闭环控制过程中的当前时刻的改进p型迭代学习控制器输出的控制量对超声波电机的转速进行控制。

本发明的超声波电机转速控制方法、装置和系统的有益效果是：在闭环控制过程中增加判断环节，当判断结果为“该次闭环控制过程中的当前时刻的转速误差大于0，且该次闭环控制过程中当前时刻的改进p型迭代学习控制器输出的控制量大于前一时刻的改进p型迭代学习控制器输出的控制量”时，通过控制减小该次闭环控制过程中当前时刻的改进p型迭代学习控制器输出的控制量，使其小于前一时刻的改进p型迭代学习控制器输出的控制量，达到消除转速下陷现象的目的，从而提高了控制系统的响应性能。

为了减小该次闭环控制过程中的当前时刻的改进p型迭代学习控制器输出的控制量，以消除转速下陷现象，作为对上述超声波电机转速控制方法、装置和系统的一种改进，实现控制减小该次闭环控制过程中的当前时刻的改进p型迭代学习控制器输出的控制量的过程包括：计算该次闭环控制过程中的前一时刻的改进p型迭代学习控制器输出的控制量与ki倍的该次闭环控制过程中的当前时刻的转速误差的和值，将得到的和值作为该次闭环控制过程中的当前时刻的改进p型迭代学习控制器输出的控制量；ki为设定控制系数。

为了减小该次闭环控制过程中的当前时刻的改进p型迭代学习控制器输出的控制量，以消除转速下陷现象，作为对上述超声波电机转速控制方法、装置和系统的另一种改进，实现控制减小该次闭环控制过程中的当前时刻的改进p型迭代学习控制器输出的控制量的过程包括：计算上一次闭环控制过程中的当前时刻的改进p型迭代学习控制器输出的控制量与上一次闭环控制过程中的前一时刻的改进p型迭代学习控制器输出的控制量的差值，并计算所述差值与该次闭环控制过程中的前一时刻的改进p型迭代学习控制器输出的控制量的和值，将得到的和值作为该次闭环控制过程中的当前时刻的改进p型迭代学习控制器输出的控制量。

附图说明

图1是现有技术中基于改进p型迭代学习控制器的超声波电机转速控制系统框图；

图2是现有技术中基于改进p型迭代学习控制器的超声波电机转速阶跃响应曲线图；

图3是图2中转速阶跃响应曲线的局部放大图；

图4是图3对应的转速误差曲线图；

图5是图3对应的改进p型迭代学习控制器输出控制量(即超声波电机驱动频率)曲线图；

图6是本发明方法实施例1对应的超声波电机转速控制系统框图；

图7是本发明方法实施例1的超声波电机转速控制策略流程图；

图8是本发明方法实施例1的ki＝kp＝-15时超声波电机转速阶跃响应曲线图；

图9是本发明方法实施例1的ki＝kp＝-10时超声波电机转速阶跃响应曲线图；

图10是本发明方法实施例1的ki＝-7、kp＝-15时超声波电机转速阶跃响应曲线图；

图11是本发明方法实施例2对应的超声波电机转速控制系统框图；

图12是本发明方法实施例2的kp＝-15时超声波电机转速阶跃响应曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例对本发明进行进一步详细说明。

超声波电机转速控制方法实施例1：

为便于分析图2所示转速响应曲线出现下陷现象的原因，图3给出了图2中转速阶跃响应曲线的局部放大图，图4、图5分别给出了与图3所示转速阶跃响应曲线对应的转速误差曲线图、改进p型迭代学习控制器(以下简称控制器)输出控制量曲线图。

可以看出：图3所示第1个数据点对应的转速小于给定值(30r/min)，图4所示第1个数据点对应的转速误差值为正且相对较大，因此按照公式(1)计算出的第k+1次运行过程的第1个数据点对应的输出控制量uk+1(1)(即超声波电机驱动频率，以下简称频率)较第k次运行过程的第1个数据点对应的输出控制量uk(1)减小且减小较多(如图5所示)。又由于当频率降低时，转速升高、转速误差减小。于是，图4所示第2个数据点对应的转速误差虽然仍为正，但数值较小，这导致计算出的第k+1次运行过程的第2个数据点对应的输出控制量uk+1(2)虽然还是较第k次运行过程的第2个数据点对应的输出控制量uk(2)减小，但减小的幅度小于uk(1)-uk+1(1)，其结果是：uk+1(2)值大于uk+1(1)，频率升高，导致第3个数据点对应的转速不升反降，转速误差反而增大，转速阶跃响应曲线在第3个数据点对应的时刻出现下陷现象(如图3、图4所示)。随着迭代学习过程的进行，控制量逐渐累积，下陷现象越来越明显，并直接导致第5次、第6次转速阶跃响应曲线出现超调(如图3、图4所示)。

观察图3和图4，在第2个数据点时刻，转速误差虽然数值较小，但依然为正值，即实际转速小于给定值。在这个时刻，控制器输出的控制量应该使转速升高以减小转速误差。但是，按照公式(1)计算出的控制量，却使得转速下降、转速误差增大，这显然是不符合期望的，因此，公式(1)所示控制规律是导致转速下陷的主要原因。公式(1)表明：第k+1次运行过程的当前时刻的控制量uk+1(i)是根据第k次运行过程的当前时刻的控制量uk(i)和第k+1次运行过程的当前时刻的转速误差ek+1(i)计算出的，与第k+1次运行过程的前一时刻的控制量uk+1(i-1)无关，则无论ek+1(i)为正值或是负值，uk+1(i)都可能大于或者小于uk+1(i-1)。因此，按照公式(1)所示控制规律进行控制，可以使对应时刻的第k+1次运行过程的转速误差较第k次运行过程的转速误差减小，但不能保证第k+1次运行过程中的每个数据点是符合期望的(如图4所示)，于是出现了转速下陷现象。

基于上述分析，本发明提出了一种新的超声波电机转速控制方法，以解决使用改进p型迭代学习控制器导致超声波电机转速响应曲线出现下陷现象的问题。

下面进行详细说明：

图6所示虚线框内的结构单元为本实施例提出的“闭环迭代学习控制器”，与图1中的“改进p型迭代学习控制器”相比，增加了判断环节、控制量计算环节和控制量选择开关。

具体地，判断环节用来判断该次闭环控制过程中当前时刻的控制量是否会导致转速下陷现象出现，其中的判据为：

uk+1(i)-uk+1(i-1)>0且ek+1(i)>0(3)

其中，当uk+1(i)-uk+1(i-1)>0且ek+1(i)>0时，会导致转速下陷现象出现。

控制量选择开关根据判断环节的判断结果，选择不同的控制量计算公式。具体策略见图7：第k+1次闭环控制过程中，先使用公式(1)计算当前时刻的控制量u，若利用公式(1)得到的控制量u使公式(3)成立，则改用控制量计算环节中公式(4)计算得到的控制量作为第k+1次闭环控制过程中的当前时刻的控制量uk+1(i)；否则，使用公式(1)计算得到的控制量u作为第k+1次闭环控制过程中的当前时刻的控制量uk+1(i)。

控制量计算环节中的公式(4)为：

uk+1(i)＝uk+1(i-1)+kiek+1(i)(4)

式中，ki为设定控制系数。其中ki可以有不同的取值方法：一是令ki与公式(1)中比例系数kp的数值相等，这样可以减少一个待定系数；二是令ki与kp的数值不相等。

容易看出：公式(4)根据第k+1次闭环控制过程中前一时刻的控制量uk+1(i-1)和第k+1次闭环控制过程中当前时刻的转速误差ek+1(i)，计算第k+1次闭环控制过程中当前时刻的控制量uk+1(i)，使得第k+1次闭环控制过程中当前时刻的控制量与前一时刻的控制量直接相关，其增量能够减小当前时刻的转速误差。

下面采用经柔化处理的转速阶跃给定值，通过实验验证图7所示超声波电机转速控制策略的有效性，实验结果见图8-图10，可以看出图8-图10所示的转速阶跃响应曲线，转速下陷现象消失。

图8为ki＝kp＝-15时的实验结果，图中虚线为柔化的转速阶跃给定曲线(以下简称给定曲线)，图中实线由下至上依次为第1次至第4次转速阶跃响应曲线。由于kp＝-15数值较小，图8中第2次转速阶跃响应曲线就已经接近给定曲线，第3次、第4次转速阶跃响应曲线同样非常接近给定曲线，效果良好。

由于kp＝-15数值较小，图8所示闭环控制过程的学习收敛速度很快，但考虑到超声波电机控制系统的时变特性，如此快的学习速度可能导致“过学习”，以致出现过大的超调。因而，通常认为平稳渐进的学习收敛过程更为妥当；为此，可适当增大kp值。

图9为ki＝kp＝-10时的实验结果(图中虚线为给定曲线，图中实线由下至上依次为第1次至第6次转速阶跃响应曲线)，可以看出：学习收敛速度降低，转速阶跃响应曲线平稳趋近给定曲线，其中第6次转速阶跃响应曲线最接近给定曲线。

图10为ki＝-7、kp＝-15时的实验结果(图中虚线为给定曲线，图中实线由下至上依次为第1次至第5次转速阶跃响应曲线)，可以看出随着迭代学习过程的进行，转速阶跃响应曲线渐次趋近给定曲线，转速阶跃响应曲线较图9更为平滑。

超声波电机转速控制方法实施例2：

如图11所示，本实施例与方法实施例1的区别仅在于，控制量计算环节中的公式为公式(5)，具体为：

uk+1(i)＝uk+1(i-1)+[uk(i)-uk(i-1)](5)

容易看出：公式(5)根据第k+1次闭环控制过程中前一时刻的控制量uk+1(i-1)和第k次闭环控制过程中当前时刻的控制量与前一时刻的控制量的差值[uk(i)-uk(i-1)]，计算第k+1次闭环控制过程中当前时刻的控制量uk+1(i)，体现了迭代学习控制的性质。

下面采用经柔化处理的转速阶跃给定值，通过实验验证本实施例的超声波电机转速控制方法的有效性，实验结果见图12(图中虚线为给定曲线，图中实线由下至上依次为第1次至第5次转速阶跃响应曲线)，可以看出：图12所示的转速阶跃响应曲线，转速下陷现象消失。随着迭代学习过程的进行，转速阶跃响应曲线渐次趋近给定曲线，控制性能逐渐趋好，整体控制效果良好。

超声波电机转速控制装置实施例：

本发明的超声波电机转速控制装置，包括存储器和处理器，处理器用于运行存储在存储器中的程序指令以实现本发明的超声波电机转速控制方法，具体方法参加方法实施例1和方法实施例2。

超声波电机转速控制系统实施例：

本发明的超声波电机转速控制系统，包括超声波电机和超声波电机转速控制装置，其中超声波电机转速控制装置包括存储器和处理器，处理器用于运行存储在存储器中的程序指令以实现本发明的超声波电机转速控制方法，具体方法参加方法实施例1和方法实施例2。