[發明專利]基于Stop算子的超聲波電機伺服控制系統對稱滯回控制方法

有效

• 申請號: 201710223807.5
• 申請日: 2017-04-07
• 公開（公告）號: CN106842961B
• 公開（公告）日: 2020-02-11
• 發明（設計）人: 傅平
• 申請（專利權）人: 閩江學院
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 35100 福州元創專利商標代理有限公司
• 代理人: 蔡學俊

1.一種基于Stop算子的超聲波電機伺服控制系統對稱滯回控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟S1：提供一基座以及設于基座上的超聲波電機，所述超聲波電機一側輸出軸與光電編碼器相連接，另一側輸出軸與飛輪慣性負載相連接，所述飛輪慣性負載的輸出軸經聯軸器與力矩傳感器相連接，所述光電編碼器的信號輸出端、所述力矩傳感器的信號輸出端分別接至一控制系統；

步驟S2：所述控制系統建立在stop算子補償控制器的基礎上，所述stop算子補償控制器以辨識誤差最小為其調整函數，從而獲得更好的輸入輸出控制效能；所述控制系統的動態方程為：

其中A_p＝-B/J,B_P＝J/K_t＞0,C_P＝-1/J；B為阻尼系數，J為轉動慣量，K_t為電流因子，T_f(v)為摩擦阻力力矩，T_L為負載力矩，U(t)是電機的輸出力矩，θ_r(t)為通過光電編碼器測量得到的位置信號；

所述步驟S1中，所述控制系統包括超聲波電機驅動控制電路，所述超聲波電機驅動控制電路包括控制芯片電路和驅動芯片電路，所述光電編碼器的信號輸出端與所述控制芯片電路的相應輸入端相連接，所述控制芯片電路的輸出端與所述驅動芯片電路的相應輸入端相連接，以驅動所述驅動芯片電路，所述驅動芯片電路的驅動頻率調節信號輸出端和驅動半橋電路調節信號輸出端分別與所述超聲波電機的相應輸入端相連接，所述stop算子補償控制器設置于所述控制芯片電路中

所述步驟S1中，所述聯軸器為彈性聯軸器；

所述步驟S1中，所述超聲波電機、光電編碼器、力矩傳感器分別經超聲波電機固定支架、光電編碼器固定支架、力矩傳感器固定支架固定于所述基座上；

所述步驟S2中，電機力矩-速度特性的滯回具有對稱性，為了減少此現象造成的影響同時減少運算量，使用stop算子對稱滯回補償對其進行控制：停止操作符的輸出是它的臨界值閾值s和輸入v(t)的函數，輸入v(t)∈C[0，T]的stop算子輸出可以表示為：

E_s[v](0)＝e_s(v(0))

E_s[v](t)＝e_s(v(t)-v(t_i)+E_s[v](t_i))

對于t_i＜t＜t_i+1且0≤i≤N-1，

e_s＝min(s,max(-s,v))

其中0＝t₀<t₁<......<t_i＝T是T[0，T]的分區，使得函數v(t)∈C[0，T]，C[0，T]表示[0，T]上的連續函數的空間，在每個子區間[t_i，t_i+1]上是單調的；

在不同閾值s下，stop算子的輸出為：

把上式離散化，輸出通過n個stop算子來描述，0＝s₀<s₁<......<s_n＝S，也就是，離散化的stop算子的輸出為：

其中w_s表示密度函數的權重，即

由于Lipschitz連續性，stop算子E_s為可積密度函數，因此基于stop算子的模型對于給定輸入v(t)∈C[0，T]是Lipschitz連續的，可以進一步得到此模型是單調運算符，權重函數可積分且為正；

當系統工作時，輸入信號v(t)先經過逆系統ψ，其輸出作為控制信號進入對稱系統Φ，使用前饋補償以獲得期望輸入v(t)和輸出u(t)之間的映射：

u(t)＝Φ[ψ[v]](t)

基于PPI模型的初始負載曲線和給定的閾值r_i和對應的權重p_i，得到stop算子的兩個參數：閾值s_i和權重w_i；

假設PPI模型的初始加載曲線表示為：

其中r∈[r₀，r_np]和r₀＝0，n_p是算子p的個數，p為PPI模型的算子，r_i為PPI模型的閾值；函數φ_p：R^+→R⁺是凸函數和遞增函數，為了獲得補償器的參數，基于stop算子的初始加載曲線φ_s定義為：

其中φ_s：R^+→R⁺是凹函數和增函數，n_s是算子的個數，s∈[0，s₀]，s₀設為大的正實數，滿足s₀>max(v(t))，確保stop算子模型的嚴格單調性；

為了獲得stop算子模型的權重和閾值，stop算子模型的閾值和初始負載曲線滿足：

s_i＝φ_r(r_i) (3.16)

φ_s(s_i)＝r_i (3.17)

根據PPI的初始負載曲線上的任何點B(r_k，φ_r)滿足方程(3.16)和(3.17)，它總是可以在stop算子的初始負載曲線上找到對應點C(s_k，φ_s)；stop算子模型的閾值可以用以下方式與PPI模型的閾值相關：

s₁＝r₁p₀

s₂＝(r₂-r₁)p₁+r₂p₀

s₃＝(r₃-r₁)p₁+(r₃-r₂)p₂+r₃p₀

s_n＝(r_n-r₁)p₁+(r_n-r₂)p₂+...+r_np₀ (3.18)

stop算子模型w_i可以根據(3.17)計算為：

方程組(3.19)包括(n+1)個未知變量，而方程的數量為n，為了求解方程(3.19)并獲得權重w_n，應首先求解權重w₀；

在SPI模型的初始負載曲線上采用附加點作為(s_n+1，φ_s(s_n+1))，通過使其中是正實數，可以表示為ξ＝φ_s(s_n+1)；

根據(3.16)和(3.17)：

公式(3.19)和(3.21)：

方程(3.20)可以表示為：

從(3.22)和(3.23)得出w₀：

最后通過求解方程(3.19)容易地獲得stop算子模型的權重w_i。