一種基于非線性切換系統(tǒng)的伺服轉(zhuǎn)臺(tái)建模方法
【專利摘要】一種基于非線性切換系統(tǒng)的伺服轉(zhuǎn)臺(tái)建模方法，進(jìn)行辨識(shí)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和辨識(shí)實(shí)驗(yàn)的實(shí)施，將伺服轉(zhuǎn)臺(tái)的工作狀態(tài)劃分為平穩(wěn)工作狀態(tài)和特殊工況，對(duì)辨識(shí)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)按照對(duì)工況分析獲得的數(shù)學(xué)條件進(jìn)行劃分；辨識(shí)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)的獲得要充分考慮伺服轉(zhuǎn)臺(tái)各種工作狀態(tài)，輸入信號(hào)覆蓋常見輸入信號(hào)頻率范圍，幅值不應(yīng)超過機(jī)械結(jié)構(gòu)限制范圍，數(shù)據(jù)量應(yīng)滿足提供關(guān)于系統(tǒng)的信息的要求，采集輸入輸出采樣數(shù)據(jù)，輸入輸出數(shù)據(jù)處理后依據(jù)正/反向平穩(wěn)運(yùn)行和低速爬行、換向、急加/減速特殊工況，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)和狀態(tài)增量，建立基于事件的切換條件；應(yīng)用基于PSO的辨識(shí)算法，獲得各個(gè)模型參數(shù)。
【專利說明】一種基于非線性切換系統(tǒng)的伺服轉(zhuǎn)臺(tái)建模方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及空間探測(cè)、衛(wèi)星通信、國防工業(yè)等領(lǐng)域，尤其是一種基于非線性切換系統(tǒng)的伺服轉(zhuǎn)臺(tái)建模方法。
【背景技術(shù)】
[0002]伺服轉(zhuǎn)臺(tái)在空間探測(cè)、衛(wèi)星通信、國防工業(yè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，是精密跟蹤雷達(dá)、射電天文望遠(yuǎn)鏡、慣導(dǎo)測(cè)試系統(tǒng)、火炮、云臺(tái)等多種設(shè)備的重要組成裝置，其技術(shù)水平的高低直接影響整個(gè)設(shè)備性能的優(yōu)劣，是國家軍事科技能力的體現(xiàn)點(diǎn)之一。對(duì)其展開的基于非線性切換系統(tǒng)的建模研究是精確控制的基礎(chǔ)條件之一，具有重要意義和良好的應(yīng)用發(fā)展前景，由此產(chǎn)生的技術(shù)方法和方案結(jié)論具有深刻的基礎(chǔ)研究意義和應(yīng)用價(jià)值。
[0003]過去對(duì)伺服轉(zhuǎn)臺(tái)的研究多停留在機(jī)理建模獲得的線性系統(tǒng)模型，因?yàn)榇祟惸Ｐ偷木窒扌?，?yīng)用的控制算法多為PID甚至是PI控制，無法保證精確的控制效果。目前，以伺服轉(zhuǎn)臺(tái)為基座和支撐的裝備，朝大/微型兩極化、數(shù)字化、精密化、低速平穩(wěn)化等方向發(fā)展，在機(jī)械形變、低速爬行、摩擦、死區(qū)、齒輪空隙、風(fēng)力擾動(dòng)等方面呈現(xiàn)出更強(qiáng)的非線性因素和多種工作模態(tài)，也對(duì)系統(tǒng)模型和控制策略提出了更高的要求。
[0004]伺服轉(zhuǎn)臺(tái)在不同的工作狀態(tài)、環(huán)境和應(yīng)用途徑下，非線性因素的突出體現(xiàn)形式有所不同。在厘米波毫米波射電望遠(yuǎn)鏡中，為克服場(chǎng)源遙遠(yuǎn)對(duì)靈敏度和抗干擾性的影響，天線口徑、伺服轉(zhuǎn)臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)能力均往大型化發(fā)展，天線在過頂時(shí)和水平時(shí)伺服轉(zhuǎn)臺(tái)存在很大的機(jī)械結(jié)構(gòu)形變，對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生不良影響；天線在換向、低速跟蹤目標(biāo)時(shí)，因粘滯摩擦、庫倫摩擦、齒輪空隙、電機(jī)力矩波動(dòng)等非線性因素的作用，使得整個(gè)系統(tǒng)的性能只有采用非線性模型才能準(zhǔn)確描述，并需要在控制器中對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償；而大量早期工作和本課題組的科研結(jié)果表明:慣量適中的伺服轉(zhuǎn)臺(tái)在某些平穩(wěn)運(yùn)行的工況下，線性模型可以對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確建模，并運(yùn)用基于該模型的LQG控制器及H c?控制器。
[0005]切換系統(tǒng)是混雜動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的一種重要類型，可以準(zhǔn)確描述許多實(shí)際模型；對(duì)連續(xù)系統(tǒng)采用切換控制器進(jìn)行控制，可以獲得比傳統(tǒng)的反饋控制器更好的性能。傳統(tǒng)控制在伺服轉(zhuǎn)臺(tái)的建模和控制中存在模型失配和粗獷設(shè)計(jì)、控制器結(jié)構(gòu)過于簡(jiǎn)單、參數(shù)試湊等問題，為解決這些問題并應(yīng)對(duì)復(fù)雜伺服系統(tǒng)在相關(guān)行業(yè)飛速發(fā)展中而出現(xiàn)的多工況多模態(tài)的情況，將多模型切換 系統(tǒng)引入伺服轉(zhuǎn)臺(tái)的精確建模和控制中。建立伺服轉(zhuǎn)臺(tái)的非線性切換模型，設(shè)計(jì)切換Hammerstein系統(tǒng)預(yù)測(cè)控制器，在低速跟蹤運(yùn)行階段、加速/減速運(yùn)行階段、過頂機(jī)械形變等情況下保持良好的跟蹤效果。
[0006]伺服轉(zhuǎn)臺(tái)的建模方法在國內(nèi)外常見的是機(jī)理建模和頻域特性建模，所得模型停留在線性模型上。機(jī)理建模是基于電磁系統(tǒng)原理、力學(xué)原理，通過對(duì)系統(tǒng)每一個(gè)環(huán)節(jié)(如電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、負(fù)載、調(diào)節(jié)器等)的傳遞函數(shù)，獲得整個(gè)系統(tǒng)傳遞函數(shù)或微分方程模型，頻域特性建模的常見方法是給一個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)施加白噪聲，并記錄輸出參數(shù)，由輸入輸出數(shù)據(jù)通過對(duì)圖形進(jìn)行分析獲得傳遞函數(shù)。
[0007]上述兩種常見的建模方法，機(jī)理建模所依據(jù)的理論公式存在大量簡(jiǎn)化，不考慮現(xiàn)場(chǎng)普遍存在的誤差、噪聲等現(xiàn)象。且所用參數(shù)如電機(jī)的相關(guān)參數(shù)有些無法直接獲得，有些相關(guān)手冊(cè)提供的參數(shù)不準(zhǔn)確或在工作時(shí)在不同工況下有不同取值。頻域特性建模對(duì)對(duì)象施加的白噪聲信號(hào)很有可能會(huì)破壞伺服轉(zhuǎn)臺(tái)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，對(duì)數(shù)據(jù)曲線的處理存在過度簡(jiǎn)化近似，因此所得模型不能完全體現(xiàn)所有數(shù)據(jù)所包含的信息而降低模型的準(zhǔn)確性。
[0008]另外，除上述問題之外，機(jī)理建模和頻域特性建模所得模型，均為以傳遞函數(shù)為主的線性模型。此模型在以伺服轉(zhuǎn)臺(tái)為底座的雷達(dá)、射電天文望遠(yuǎn)鏡等裝置以一定方向和速度勻速運(yùn)行時(shí)，可以相對(duì)準(zhǔn)確的描述伺服轉(zhuǎn)臺(tái)的特性；但在裝置處于超低速運(yùn)行、啟動(dòng)/制動(dòng)、加/減速、天線過頂?shù)仁种匾奶厥夤r下，因?yàn)槟Σ?、齒輪空隙、機(jī)械性變等因素，表現(xiàn)會(huì)出明顯的非線性特性，兩種現(xiàn)有建模方法所獲得的線性模型完全不具備準(zhǔn)確描述伺服轉(zhuǎn)臺(tái)特殊工況下非線性特性的能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的是提供一種基于非線性切換系統(tǒng)的伺服轉(zhuǎn)臺(tái)建模方法。
[0010]非線性切換系統(tǒng)建模技術(shù)方案如圖1所示:進(jìn)行辨識(shí)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和辨識(shí)實(shí)驗(yàn)的實(shí)施；將伺服轉(zhuǎn)臺(tái)的工作狀態(tài)劃分為平穩(wěn)工作狀態(tài)和特殊工況，對(duì)辨識(shí)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)按照對(duì)工況分析獲得的數(shù)學(xué)條件進(jìn)行劃分；辨識(shí)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)的獲得要充分考慮伺服轉(zhuǎn)臺(tái)各種工作狀態(tài)，輸入信號(hào)覆蓋常見輸入信號(hào)頻率范圍，幅值不應(yīng)超過機(jī)械結(jié)構(gòu)限制范圍，數(shù)據(jù)量應(yīng)滿足提供關(guān)于系統(tǒng)的信息的要求，采集輸入輸出采樣數(shù)據(jù)，輸入輸出數(shù)據(jù)處理后依據(jù)正/反向平穩(wěn)運(yùn)行和低速爬行、換向、急加/減速特殊工況，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)和狀態(tài)增量，建立基于事件的切換條件；應(yīng)用基于PSO的辨識(shí)算法，獲得如下各個(gè)模型參數(shù)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為伺服轉(zhuǎn)臺(tái)非線性切換模型建立的技術(shù)路線圖；
[0012]圖2為用于切換模型參數(shù)辨識(shí)的RLS-PSO算法；
[0013]圖3M模態(tài)非線性系統(tǒng)的廣義Hammerstein模型結(jié)構(gòu)
[0014]圖4為某伺服轉(zhuǎn)臺(tái)辨識(shí)實(shí)驗(yàn)輸入輸出數(shù)據(jù)。
【具體實(shí)施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0016]進(jìn)行辨識(shí)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和辨識(shí)實(shí)驗(yàn)的實(shí)施；
[0017]將伺服轉(zhuǎn)臺(tái)的工作狀態(tài)劃分為平穩(wěn)工作狀態(tài)和特殊工況，對(duì)辨識(shí)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)按照對(duì)工況分析獲得的數(shù)學(xué)條件進(jìn)行劃分；辨識(shí)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)的獲得要充分考慮伺服轉(zhuǎn)臺(tái)各種工作狀態(tài)，輸入信號(hào)覆蓋常見輸入信號(hào)頻率范圍，幅值不應(yīng)超過機(jī)械結(jié)構(gòu)限制范圍，數(shù)據(jù)量應(yīng)滿足提供關(guān)于系統(tǒng)的信息的要求，采集輸入輸出采樣數(shù)據(jù)，正弦頻掃輸入信號(hào)的峰值是7.4V，頻率為0.5-40Hz，會(huì)多次出現(xiàn)換向的特殊工況，采樣時(shí)間是IOms (即0.0lOs)，采集了 13400個(gè)輸入輸出采樣數(shù)據(jù)，輸入輸出數(shù)據(jù)處理后繪圖于圖3。
[0018]輸入輸出數(shù)據(jù)處理后依據(jù)正/反向平穩(wěn)運(yùn)行和低速爬行、換向、急加/減速特殊工況，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)和狀態(tài)增量，建立基于事件的切換條件；
[0019]應(yīng)用基于PSO的辨識(shí)算法，獲得如下各個(gè)模型參數(shù)。
[0020]現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)應(yīng)用基于PSO的辨識(shí)算法，獲得如下所示的各個(gè)模型參數(shù)。
[0021]
【權(quán)利要求】
1.一種基于非線性切換系統(tǒng)的伺服轉(zhuǎn)臺(tái)建模方法，其特征在于:包括以下步驟: 1)進(jìn)行辨識(shí)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和辨識(shí)實(shí)驗(yàn)的實(shí)施； 2)將伺服轉(zhuǎn)臺(tái)的工作狀態(tài)劃分為平穩(wěn)工作狀態(tài)和特殊工況，對(duì)辨識(shí)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)按照對(duì)工況分析獲得的數(shù)學(xué)條件進(jìn)行劃分；辨識(shí)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)的獲得要充分考慮伺服轉(zhuǎn)臺(tái)各種工作狀態(tài)，輸入信號(hào)覆蓋常見輸入信號(hào)頻率范圍，幅值不應(yīng)超過機(jī)械結(jié)構(gòu)限制范圍，數(shù)據(jù)量應(yīng)滿足提供關(guān)于系統(tǒng)的信息的要求，采集輸入輸出采樣數(shù)據(jù)； 3)輸入輸出數(shù)據(jù)處理后依據(jù)正/反向平穩(wěn)運(yùn)行和低速爬行、換向、急加/減速特殊工況，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)和狀態(tài)增量，建立基于事件的切換條件； 4)應(yīng)用基于PSO的辨識(shí)算法，獲得模型參數(shù)，

【文檔編號(hào)】G06F17/50GK103745027SQ201310633750
【公開日】2014年4月23日 申請(qǐng)日期:2013年12月3日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月3日
【發(fā)明者】張倩, 王群京, 葉超, 李國麗 申請(qǐng)人:安徽大學(xué)