一種關節伺服系統參數辨識和控制參數在線優化方法

2023-05-15 12:41:31

一種關節伺服系統參數辨識和控制參數在線優化方法
【專利摘要】本發明提供了一種關節伺服系統參數辨識和控制參數在線優化方法，該方法包括：在未知負載轉矩的情況下，基於離散模型參考自適應算法在線同時辨識負載轉動慣量和阻尼係數，根據辨識出的負載轉動慣量在線優化速度控制器參數，根據本發明實施例提供的技術方案，以在線同時辨識轉動慣量和阻尼係數，並根據辨識結果優化速度控制器參數，提高速度的動態響應性能。
【專利說明】一種關節伺服系統參數辨識和控制參數在線優化方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種運動控制領域的方法，具體是一種利用參數辨識技術實現速度環 PI控制器參數優化的方法。

【背景技術】
[0002] 機械臂末端抓取負載以及機械臂運行過程中構型的變化導致機械臂關節伺服系 統的負載轉動慣量和阻尼係數呈現時變特性，影響速度的動態響應性能，阻尼係數的大小 影響負載轉動慣量的辨識精度，需要同時辨識兩個參數。空間機械臂對關節伺服系統的速 度動態性能有很高的要求，因此獲得負載轉動慣量和阻尼係數的精確值，並根據辨識值在 線優化控制器的參數，是提高關節伺服系統速度動態性能的有效途徑。
[0003] 目前轉動慣量辨識的方法可以劃分為離線慣量辨識和在線慣量辨識，離線慣量辨 識主要方法有加減速法、人工規劃法、直接計算法等；而在線慣量辨識是在伺服電機正常工 作的過程中對電機的轉動慣量進行辨識，控制器無需人為指令，在線自動捕獲系統動態信 息，算法更加靈活，目前主要應用有最小二乘法、模型參考自適應方法、轉矩觀測器法等，基 於傳統的最小二乘法的在線慣量辨識方法因其數學算法本身原因導致該方法對數字處理 晶片的存儲空間和運算速度有著極高的要求，因此不適合工業推廣。利用模型參考自適應 方法辨識轉動慣量進行速度環自校正控制，但是辨識過程忽略阻尼係數進行轉動慣量的辨 識。通過添加負載觀測器觀測負載轉矩值，進行轉動慣量和摩擦係數的辨識，此方法依賴負 載轉矩辨識的精度。
[0004] 本發明的目的就是針對現有技術的缺陷，提供一種關節伺服系統參數辨識和控制 參數在線優化方法，以提高速度的動態響應性能。


【發明內容】

[0005] 為實現上述技術目的，本發明的技術方案包括：
[0006] -種關節伺服系統參數辨識和控制參數在線優化方法，其特徵在於，它包括以下 步驟：
[0007] 採用離散模型參考自適應算法對轉動慣量和阻尼係數進行在線辨識，獲得轉動慣 量和阻尼係數的辨識值；
[0008] 依據所述的預設誤差閾值，獲得轉動慣量的辨識結果；
[0009] 依據所述的獲得轉動慣量辨識結果，獲得速度環PI控制器參數的值；
[0010] 進一步地，本發明所述的離散模型參考自適應算法進行轉動慣量和阻尼係數的在 線辨識包括以下操作：
[0011] 關節伺服系統電機的機械方程為：

【權利要求】
1. 一種關節伺服系統參數辨識和控制參數在線優化方法，其特徵在於，它包括以下步 驟： 採用離散模型參考自適應算法對轉動慣量和阻尼係數進行在線辨識，獲得轉動慣量和 阻尼係數的辨識值； 依據所述的預設誤差閾值，獲得轉動慣量的辨識結果； 依據所述的獲得轉動慣量辨識結果，獲得速度環PI控制器參數的值。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述的採用離散模型參考自適應算法進 行轉動慣量和阻尼係數的在線辨識包括以下操作： 關節伺服系統電機的機械方程為：
式中Te為電機的實際輸出轉矩，ιγ為電機負載擾動轉矩，J為電機轉子和負載轉動慣 量之和，ω為電機轉速，B為粘性阻尼係數； 將公式（1)離散化並且進一步簡化得： Δ ω (t) = a Δ ω (t_l)+b Δ Te (t_l) (2) 式中
其 中 T 為米樣周其月，ω (t)、ω (t_l)、Te(t_l)、IY(t_l)和 ω (t_2)、Te(t_2)、IY(t_2)分別為第 t、第t-1和第t-2採樣周期的值，Λ ω (t)為t時刻的速度採樣值與t-1時刻速度採樣值 之差，ATJt-I)為t時刻的電機輸出力矩採樣值與t-Ι時刻電機輸出力矩採樣值之差，a， b分別為待辨識的參數。 將公式（2)作為參考模型，獲得可調模型的方程為：
(3) Δ?(?)為Λ ω⑴的估計值，你)、知)為t時刻的估計變量； 採用朗道離散時間遞推參數辨識機制推導以〇、/5(〇自適應率為：
式中β i，β 2為自適應增益，識>1)、如-1)為t時刻的估計變量。 將公式0作為參考模型，公式（3)作為可調模型，公式（4)作為自適應更新率，對轉動 慣量和阻尼係數進行在線辨識。
3. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於依據所述的預設誤差閾值，獲得轉動慣量 的辨識結果，包括： 誤差為參考模型與可調模型的輸出結果之差，對誤差進行採樣，每次採樣個數為N，如 果其中連續M個採樣值均小於等於預設的誤差閾值，則獲得轉動慣量辨識值；如果其中連 續M個採樣值至少有一個大於預設的誤差閾值，則轉動慣量保持不變，即獲得上一周期的 轉動慣量辨識值。
4.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，依據所述的獲得轉動慣量辨識結果，獲得 速度環PI控制器參數的值，包括： 速度環使用PI控制器，將速度環等效為典型的II型系統，根據三階最佳設計法和振蕩 指標法中最小Mr準則法，速度調節器積分增益Ki和比例增益Kp與轉動慣量的關係：
Vf為永磁磁通，Pn為電機磁對數，τ i電流環閉環的時間常數。 由上述公式即可通過獲得的轉動慣量獲得PI參數即速度調節器積分增益Ki和比例增 益Kp。
【文檔編號】G05B23/02GK104391497SQ201410403785
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年8月15日 優先權日:2014年8月15日
【發明者】賈慶軒, 趙文燦, 高欣, 孫漢旭, 王一帆 申請人:北京郵電大學