本申請屬于網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)動控制，具體涉及一種基于高階全驅(qū)的網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)動控制系統(tǒng)力矩模式控制方法。

背景技術(shù)：

1、隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)動控制系統(tǒng)已經(jīng)成為學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的熱門話題，并廣泛應(yīng)用于機(jī)床制造、無人駕駛車輛和微電網(wǎng)等領(lǐng)域。其克服了傳統(tǒng)運(yùn)動控制系統(tǒng)存在的復(fù)雜布線、可擴(kuò)展性差和維護(hù)困難等問題。然而，網(wǎng)絡(luò)化也給控制系統(tǒng)帶來了不確定性，如延遲、丟包等，同時也沒有解決運(yùn)動控制系統(tǒng)自身參數(shù)時變、死區(qū)特性、外部擾動和其他不確定因素對控制性能的影響。因此，針對具有不確定因素的網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)動控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)其高精度擾動抑制控制已成為重要的研究焦點(diǎn)并受到了廣泛關(guān)注。

2、為了解決網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)動控制系統(tǒng)中的擾動抑制控制問題，觀測器方法得到了廣泛的研究。觀測器方法將不確定性和外部擾動視為集成擾動。然后，設(shè)計(jì)一個觀測器來獲得集成擾動的估計(jì)并采用前饋方式抵消擾動效應(yīng)。其中，中間估計(jì)器不需要滿足觀測器匹配條件，且可以通過調(diào)整觀測器參數(shù)來改善擾動估計(jì)的準(zhǔn)確性和收斂速度，因此被廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)動控制系統(tǒng)。

3、在獲得準(zhǔn)確的擾動估計(jì)信息后，有必要設(shè)計(jì)高性能的擾動抑制控制器，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)動控制系統(tǒng)的高精度擾動抑制控制。為此，研究人員已經(jīng)廣泛研究了滑?？刂?、魯棒控制和模型預(yù)測控制(mpc)等先進(jìn)方法。

4、值得注意的是，上述大多數(shù)方法仍然使用狀態(tài)空間模型來描述網(wǎng)絡(luò)化控制運(yùn)動系統(tǒng)，這導(dǎo)致了原始系統(tǒng)的物理意義丟失和模型簡化過程中病態(tài)矩陣的出現(xiàn)。與狀態(tài)空間模型相比，全驅(qū)系統(tǒng)直接從物理定律建立，更能自然地代表真實(shí)系統(tǒng)，并且提供了極大的便利。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本申請的目的是提供一種基于高階全驅(qū)的網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)動控制系統(tǒng)力矩模式控制方法。首先，針對力矩模式下的運(yùn)動控制系統(tǒng)，給定力矩激勵信號采集其轉(zhuǎn)速輸出信號；其次，根據(jù)采集得到的力矩輸入信號和轉(zhuǎn)速輸出信號，采用matlab系統(tǒng)辨識工具箱得到具有死區(qū)非線性的一階狀態(tài)空間模型并進(jìn)行離散化；進(jìn)而，針對系統(tǒng)模型的死區(qū)非線性特性以及辨識參數(shù)的不確定性，采用死區(qū)預(yù)補(bǔ)償方法進(jìn)行補(bǔ)償；隨后，設(shè)計(jì)中間觀測器估計(jì)系統(tǒng)擾動并對擾動產(chǎn)生的影響進(jìn)行補(bǔ)償；最后，采用mpc方法設(shè)計(jì)高性能擾動抑制控制器，實(shí)現(xiàn)高精度誤差抑制控制。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本申請技術(shù)方案如下：

3、一種基于高階全驅(qū)的網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)動控制系統(tǒng)力矩控制方法，包括：

4、針對力矩模式下的運(yùn)動控制系統(tǒng)，給定力矩激勵信號的方法采集其轉(zhuǎn)速輸出信號；

5、根據(jù)力矩輸入信號和轉(zhuǎn)速輸出信號，采用matlab系統(tǒng)辨識工具箱得到具有死區(qū)非線性的一階狀態(tài)空間模型并進(jìn)行離散化，同時考慮系統(tǒng)辨識參數(shù)存在不確定性，系統(tǒng)的狀態(tài)方程如下：

6、（1）；

7、其中，表示系統(tǒng)狀態(tài)，表示系統(tǒng)輸入力矩信號，表示系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速信號，表示外部擾動信號，表示死區(qū)輸入信號。表示參數(shù)矩陣。和表示左右死區(qū)特性斜率，和表示左右軸上的死區(qū)特性斷點(diǎn)。和表示死區(qū)參數(shù)中的不確定參數(shù)。

8、將死區(qū)特性分為由確定性參數(shù)構(gòu)成的本征不確定性部分和由不確定性參數(shù)構(gòu)成的未知不確定性部分。對于本征不確定性，采用死區(qū)預(yù)補(bǔ)償?shù)姆椒ㄟM(jìn)行補(bǔ)償，定義有如下形式：

9、（2）；

10、其中，表示由上層控制器計(jì)算得到的控制輸入。

11、根據(jù)（1）-（2），可以得到上層控制器計(jì)算得到的控制輸入和系統(tǒng)輸入力矩的關(guān)系：

12、（3）；

13、將（3）代入（1）中，并將未知不確定性部分抽象為系統(tǒng)內(nèi)部擾動，可以得到以下系統(tǒng)狀態(tài)空間方程：

14、（4）；

15、基于高階全驅(qū)理論，如果系數(shù)矩陣可逆，則上述系統(tǒng)是全驅(qū)的。采用直接參數(shù)法設(shè)計(jì)全驅(qū)控制律，將狀態(tài)空間模型轉(zhuǎn)換為全驅(qū)模型，設(shè)計(jì)有如下形式：

16、（5）；

17、其中是可以任意制定的矩陣，為一外部信號。

18、將（5）代入（4）中，將原系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為全驅(qū)形式

19、（6）；

20、基于等效輸入干擾的思想，將內(nèi)部擾動和外部擾動整合為輸入通道干擾；

21、（7）；

22、記，，對于輸入通道干擾，構(gòu)建中間觀測器進(jìn)行估計(jì)。記中間變量為，設(shè)計(jì)觀測器如下：

23、（8）；

24、其中，是mpc控制器所得的控制律，用于抵消系統(tǒng)的等價輸入干擾，為一合適的標(biāo)量變量,?為待求的觀測器增益矩陣。構(gòu)建誤差模型和，有：

25、（9）；

26、記，，，，有：

27、（10）；

28、記，，，，有：

29、（11）；

30、構(gòu)建李雅普諾夫函數(shù)分析誤差系統(tǒng)的穩(wěn)定性，令，，為合適維度的矩陣變量。構(gòu)建穩(wěn)定性矩陣并進(jìn)行求解得到中間觀測器增益：

31、（12）；

32、若上述線性矩陣不等式有解，則誤差系統(tǒng)的狀態(tài)一致最終有界，并且可以得到觀測器增益。

33、對于給定參考轉(zhuǎn)速信號，設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)動控制系統(tǒng)高階全驅(qū)力矩模型的模型預(yù)測控制器?？紤]無故障情況，有，則系統(tǒng)的狀態(tài)方程為：

34、（13）；

35、設(shè)定預(yù)測區(qū)間，遞推表達(dá)式如下：

36、（14）；

37、記離散參考信號為，定義二次型性能指標(biāo)為：

38、（15）；

39、其中，代表系統(tǒng)的運(yùn)行代價權(quán)重矩陣，即系統(tǒng)調(diào)節(jié)狀態(tài)偏差的代價；代表系統(tǒng)的控制量代價權(quán)重矩陣，即控制輸入的成本，mpc控制旨在找到兩部分的平衡點(diǎn)，即在滿足系統(tǒng)性能要求的同時節(jié)約成本。

40、通過yalmip工具箱對優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解，得到最優(yōu)控制序列。取序列的第一個元素作為當(dāng)前時刻系統(tǒng)控制律，并根據(jù)，將mpc求出的反變換為，經(jīng)過死區(qū)預(yù)補(bǔ)償后作為網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)動控制系統(tǒng)的輸入，從而完成力矩模式的高精度擾動抑制控制。

41、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本申請的優(yōu)點(diǎn)在于：

42、1）使用全驅(qū)系統(tǒng)模型描述具有參數(shù)不確定性、死驅(qū)特性和外部擾動的力矩模式運(yùn)動控制系統(tǒng)，保持了系統(tǒng)狀態(tài)的物理意義，便于控制器設(shè)計(jì)。

43、2）將死區(qū)不確定性分為本征和未知兩部分。本征不確定性進(jìn)行了預(yù)補(bǔ)償，而對于未知部分，基于全驅(qū)系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)了一個中間估計(jì)器以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的估計(jì)。

44、3）提出了一種基于高階全驅(qū)模型的mpc方法，并將mpc控制器和中間估計(jì)器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)動控制系統(tǒng)力矩模式的高精度擾動抑制控制。

技術(shù)特征：

1.基于高階全驅(qū)的網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)動控制系統(tǒng)力矩模式控制方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于高階全驅(qū)的網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)動控制系統(tǒng)力矩模式控制方法，其特征在于，步驟（1）中，利用高階全驅(qū)理論將系統(tǒng)狀態(tài)空間模型轉(zhuǎn)換為具有死區(qū)非線性的一階全驅(qū)模型，用公式表示如下：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于高階全驅(qū)的網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)動控制系統(tǒng)力矩模式控制方法，其特征在于，步驟（1）中，所述采用死區(qū)預(yù)補(bǔ)償方法針對系統(tǒng)辨識過程中死區(qū)的本征不確定性進(jìn)行補(bǔ)償，用公式表示如下：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于高階全驅(qū)的網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)動控制系統(tǒng)力矩模式控制方法，其特征在于，步驟（2）中，所述等效輸入干擾方法，用公式表示如下：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于高階全驅(qū)的網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)動控制系統(tǒng)力矩模式控制方法，其特征在于，步驟（2）中，引入中間觀測器對輸入通道干擾進(jìn)行估計(jì)，用公式表述如下：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于高階全驅(qū)的網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)動控制系統(tǒng)力矩模式控制方法，其特征在于，步驟（3）中，設(shè)計(jì)mpc控制器求解控制律并通過相應(yīng)關(guān)系式反變換為全驅(qū)控制律，用公式表述如下：；

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于高階全驅(qū)的網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)動控制系統(tǒng)力矩模式控制方法，包括如下步驟：（1）采用Matlab系統(tǒng)辨識工具箱得到系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型，對死區(qū)進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償，并設(shè)計(jì)全驅(qū)控制律，將狀態(tài)空間模型轉(zhuǎn)換為全驅(qū)模型；（2）構(gòu)建中間觀測器，設(shè)計(jì)并通過矩陣不等式求解中間觀測器增益；（3）設(shè)計(jì)MPC控制器求解最優(yōu)控制序列，并通過反變換得到網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)動控制系統(tǒng)的最終輸入。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本申請的優(yōu)點(diǎn)在于：使用全驅(qū)系統(tǒng)模型描述具有參數(shù)不確定性、死驅(qū)特性和外部擾動的力矩模式運(yùn)動控制系統(tǒng)，保持了系統(tǒng)狀態(tài)的物理意義，便于控制器設(shè)計(jì)；將MPC控制器和中間估計(jì)器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)動控制系統(tǒng)力矩模式的高精度擾動抑制控制。

技術(shù)研發(fā)人員：顧曹源,華騁遠(yuǎn),吳麒,張文安,王瑤為,吳祥,劉安東
受保護(hù)的技術(shù)使用者：德清縣浙工大莫干山研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30