[發明專利]一種帶有死區輸入非線性的多軸雕刻機系統在線建模方法

在審

• 申請號: 202010837132.5
• 申請日: 2020-08-19
• 公開（公告）號: CN112149274A
• 公開（公告）日: 2020-12-29
• 發明（設計）人: 吳麒;董世建;張文安;俞立
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F17/10;H02P6/34
• 代理公司: 杭州斯可睿專利事務所有限公司 33241
• 代理人: 王利強

一種帶有死區輸入非線性的多軸雕刻機系統的在線建模方法，首先利用機理分析將系統建模成帶有一個死區非線性塊和一個線性動態塊相結合的Hammerstein輸入非線性系統，并考慮隨機噪聲的影響下，將確定性系統進一步描寫為隨機性模型；然后，利用輔助模型得到中間變量的估計值，進一步推導得到帶有可變遺忘因子的遞歸最小二乘算法，實現系統的在線辨識建模。本發明的辨識建模方法框架簡單，在線計算量小，且辨識模型精度高利于控制器設計，適用于一類帶有死區輸入非線性的多軸雕刻機系統，能很好的推廣到行業應用中。

技術領域

本發明應用于工控系統的系統辨識與建模，涉及一類帶有死區輸入非線性的多軸雕刻機系統的在線建模方法。

背景技術

隨著“中國制造2025”和“工業互聯網”概念的相繼提出，對多軸雕刻機系統的控制精度和安全性能都提出了更高的要求。以控制和異常檢測為導向的多軸雕刻機系統辨識與建模成為學術界和產業界關注的焦點。

多軸雕刻機系統主要由伺服電機、控制器和機械設備等組成，其中對伺服電機的分析是實現多軸雕刻機系統建模的關鍵。目前市面上的多軸雕刻機系統主要是基于永磁同步電機的，其原因在于永磁同步電機具有結構簡單，損耗小、效率高等多方面優勢。根據所選擇參考系的不同，永磁同步電機的模型一般可分為基于三相靜態坐標系 (A-B-C)、基于兩相靜態坐標系(α-β)和基于兩相旋轉坐標系(d-q) 三種類型。與前兩者相比，后者具有更簡單的磁鏈和電壓方程，因此得到了廣泛的研究和應用。盡管如此，基于d-q軸坐標系的模型仍然包含大量未知參數，包括電氣參數，負載轉矩和整個驅動系統的慣性。

目前，基于d-q軸的模型的參數識別可分為兩大類：離線測量和在線識別。例如，電樞繞組的電阻和電感分別可以通過電橋和靜止頻率響應實驗得到。然而，由于運動過程中的不確定性、未測擾動和參數攝動，采用離線測量方法得到的參數往往存在較大偏差。對于高精度控制應用場合，已經涌現了許多在線識別方法來實時估計系統的參數，包括基于干擾觀測器、基于降階觀測器，基于滑模觀測器、基于卡爾曼濾波器和基于遞歸最小二乘方法等。雖然上述方法能夠獲得準確、穩健的參數估計，但仍有一些問題需要解決。例如，觀測器估計方法需要詳細的極點設計和復雜的程序，而卡爾曼濾波的計算量很大。標準遞歸最小二乘法雖然在線計算量小，但只適用于線性系統的擬合問題。考慮到基于d-q軸坐標系下的永磁同步電機驅動系統可以被視為具有死區輸入非線性的Hammerstein系統，因此標準最小二乘方法將不再適用。

發明內容

為了克服現有基于永磁同步電機驅動的多軸雕刻機系統建模方法的不足，本發明提供了一種基于輔助模型和可變遺忘因子的遞歸最小二乘的帶有死區輸入非線性的多軸雕刻機系統在線建模方法。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：

一種帶有死區輸入非線性的多軸雕刻機系統在線建模方法，所述方法包括以下步驟：

1)在d-q軸坐標系下對系統進行機理分析并得出相應的待辨識參數模型，定義T_e為電磁轉矩，由開路氣隙磁通密度與合成電樞反應相互作用產生；T_l為空載轉矩，由齒槽轉矩和軸與軸承之間的摩擦引起，ω_r為永磁同步電動機的電角速度，B為摩擦系數，J為整個系統的慣量，包括永磁同步電動機自身的慣量和耦合負載同步旋轉的慣量，系統的力矩平衡方程式表述為，

由于電機的老化和軸承的磨損，空載轉矩的變化是不可避免的，因此，將永磁同步電機在不同旋轉方向上的空載扭矩定義為兩個不相等的常數d₁和d₂，根據公式(1)得到系統的離散時間模型，

(J+B)ω_r(k)-Jω_r(k-1)＝T_m(k-1) (2)