[發明專利]電機驅動系統結構與控制一體優化方法

有效

• 申請號: 201910294733.3
• 申請日: 2019-04-12
• 公開（公告）號: CN109905067B
• 公開（公告）日: 2020-11-06
• 發明（設計）人: 任雪梅;曾添一;胡雙翼
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: H02P29/00
• 分類號: H02P29/00
• 代理公司: 北京正陽理工知識產權代理事務所(普通合伙) 11639
• 代理人: 鄔曉楠

1.一種電機驅動系統的結構與控制一體化設計方法，其特征在于：具體包括如下步驟：

步驟1，電機驅動系統模型及其簡化模型的建立；

電機驅動系統模型如下：

其中θ_m和θ_L分別為驅動電機位置和負載位置；J_m和J_L分別為電機和負載的轉動慣量；b_m和b_L分別為電機端和負載端的粘滯摩擦系數；u為系統控制輸入；為傳動力矩并且有如下形式：

其中k為扭轉系數；c為阻尼系數；Δ＝θ_m-θ_L；f(·)為齒隙引起的非線性，并且由死區非線性代表：

其中δ為齒隙寬度；為方便跟蹤控制器設計，假設齒輪箱兩端力矩為線性關系，得到如下簡化模型：

其中n為傳動比系數；

針對式(4)，設計跟蹤控制器；同時，考慮結構參數會對控制性能產生影響，提出了跟蹤控制器的電機驅動系統的結構/控制一體化設計方法；

步驟2，固定時間跟蹤控制器設計

選取系統狀態變量式(4)寫為

則本步驟設計探究的問題為：設計系統式(5)的固定時間跟蹤控制器，使系統輸出y＝x₁在固定時間內跟蹤期望軌跡y_d；下面為電機驅動系統的跟蹤控制器設計步驟：

定義電機驅動系統負載跟蹤誤差：

e_t＝y-y_d (6)

電機驅動系統跟蹤控制器設計如下：

其中k₁,k₂,k₃和k₄為跟蹤控制器系數；ξ₁，ξ₂，ξ₃和ξ₄為指數系數；σ₁＝e_t；符號函數sgn(Δ)定義為

且設計趨近律

跟蹤誤差收斂時間T_c有如下形式：

T_c≤max{T_c1,T_c2} (11)

其中

采用跟蹤控制器，使電機驅動系統在固定時間內完成對期望軌跡y_d的跟蹤；并且與系統的初始狀態無關，提高了系統的動態性能；

步驟3，結構/控制一體化性能指標設計；

經過步驟2的跟蹤控制器設計，能夠得到電機驅動系統的跟蹤控制器，即式(7)；在步驟2的基礎上，本步驟對跟蹤控制器系數k₁,k₂,k₃和k₄以及負載的轉動慣量即系統結構參數J_L進行優化設計；

電機驅動系統在滿足控制性能指標要求的前提下，設計所能驅動的最大負載；結構性能指標：

以及控制性能指標

綜合式(13)所示的結構性能指標和式(14)所示的控制性能指標，電機驅動系統的一體化性能指標如下：

其中ρ_j和ρ_k分別為結構優化和控制優化的權重系數；在本設計中，取權重系數ρ_j＝ρ_k＝1；實際應用過程中，根據系統不同需要調整權重系數取值：如果尋求驅動盡可能大的負載，則適當選取ρ_j＞ρ_k；如果更加注重系統的控制性能，則選取ρ_j＜ρ_k；選取不同的權重系數，會得到不同的優化結果；

步驟4設計嵌套優化結構

步驟3中得到了一體化性能指標函數，即式(15)；設計嵌套優化結構如下：

外優化環：

內優化環：

在內環優化過程中，采用果蠅優化算法對內環優化問題進行求解；隨機初始果蠅群體位置X₀,Y₀，并添加果蠅個體搜尋食物的隨機方向與距離：

其中R_v為隨機的搜索距離；然后計算新位置的味道濃度判定值κ_i：

其中D_i為當前位置與原點之間距離，并有將κ_i代入適應度函數，并求出果蠅個體位置的味道濃度，并找出濃度最大的個體b_s，并更新果蠅群體位置：

重復式(18)～式(20)過程，得到優化結果；本步驟中，外優化環的結構優化問題為單優化變量的凸優化問題，通過MATLAB中凸優化工具箱進行求解。

2.如權利要求1所述的一種電機驅動系統的結構與控制一體化設計方法，其特征在于：凸優化工具箱包括TOMLAB和fmincon。