一種伺服系統(tǒng)電流環(huán)控制參數(shù)自整定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于伺服系統(tǒng)高精度控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種伺服系統(tǒng)電流環(huán)控制參 數(shù)自整定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 伺服系統(tǒng)作為現(xiàn)代工業(yè)不可缺少的執(zhí)行元件，其控制性能的優(yōu)劣直接影響執(zhí)行機(jī) 構(gòu)動(dòng)作精度。在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)過程中，伺服系統(tǒng)的高精度控制能有效提高生產(chǎn)效率、改善 工藝水平；現(xiàn)代智能機(jī)器人逐漸進(jìn)入我們的生活，伺服系統(tǒng)作為機(jī)器人的重要組成部分，其 控制性能決定著機(jī)器人能否完成設(shè)定任務(wù)。如何提高伺服系統(tǒng)的控制性能成為研發(fā)者更為 關(guān)注的問題。伺服系統(tǒng)的性能優(yōu)劣外在主要表現(xiàn)為速度控制響應(yīng)和位置跟蹤誤差兩方面。 電流環(huán)作為兩者的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)，只有在具有優(yōu)良動(dòng)態(tài)性能的電流閉環(huán)前提下才能有效提局伺 服速度環(huán)和位置環(huán)控制特性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種伺服系統(tǒng)電流環(huán)控制參數(shù)自整定方法及伺服系統(tǒng)，旨 在在伺服系統(tǒng)中未知參量對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)特性存在影響的情況下，實(shí)現(xiàn)電流環(huán)控制參數(shù)的自 整定。
[0004] 本發(fā)明所述伺服系統(tǒng)電流環(huán)控制參數(shù)自整定方法包括W下步驟：
[0005] 電機(jī)轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)，輸入q軸電流周期方波指令信號(hào)；在t= 0時(shí)刻，對(duì)所有粒子初始 化，在允許取值范圍內(nèi)隨機(jī)設(shè)置粒子的初始化位置X，將第i個(gè)粒子的自身個(gè)體極值設(shè)置成 當(dāng)前位置，全局極值設(shè)置成粒子群中的最優(yōu)粒子位置；
[0006] 隨機(jī)給定電流環(huán)初始控制參數(shù)P=X，通過ADC采樣，坐標(biāo)變換后得到q軸電流跟 蹤響應(yīng)信號(hào)，更新粒子位置，計(jì)算粒子i的適應(yīng)度；
[0007] 如果粒子i的適應(yīng)度優(yōu)于自身個(gè)體極值的適應(yīng)度；如果當(dāng)前進(jìn)化代數(shù)中，粒子i的 適應(yīng)度優(yōu)于全局極值的適應(yīng)度；根據(jù)公式計(jì)算群體適應(yīng)度方差；
[0008] 判斷算法是否滿足收斂條件，如果滿足就執(zhí)行根據(jù)公式計(jì)算群體適應(yīng)度方差，否 則就對(duì)全局最優(yōu)解按照公式執(zhí)行變異操作并轉(zhuǎn)回對(duì)所有粒子初始化；
[0009] 求出全局最優(yōu)解的目標(biāo)函數(shù)值，并輸出全局最優(yōu)解，算法結(jié)束；通過伺服系統(tǒng)校驗(yàn) 最優(yōu)值等于全局極值，如果滿足響應(yīng)要求則整定成功，否則繼續(xù)整定；相同整定結(jié)構(gòu)，在確 定伺服系統(tǒng)最優(yōu)P值之后，整定系統(tǒng)I、D值；
[0010] 最終校驗(yàn)伺服系統(tǒng)整體電流閉環(huán)響應(yīng)特性。
[0011] 進(jìn)一步，所述伺服系統(tǒng)電流環(huán)控制參數(shù)自整定方法進(jìn)一步包括W下步驟：
[0012] 電機(jī)轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)，消除d軸電流反向電動(dòng)勢(shì)的影響；
[0013] 在方波信號(hào)作用下，分析q軸一個(gè)周期T電流環(huán)PID參數(shù)；
[0014] 分析時(shí)將方波信號(hào)一個(gè)周期分為高電平區(qū)間[0,T/2]、低電平區(qū)間[T/2,T];
[0015] 電流方波信號(hào)函數(shù)用e(t)表示，高電平區(qū)間電流響應(yīng)函數(shù)用Gi(t)表示，低電平 區(qū)間電流響應(yīng)函數(shù)用62(t)表示；
[0016]ITAE整定準(zhǔn)則表達(dá)式為^/|卽)|成，t表示時(shí)間，|e(t)I表示實(shí)際輸出與期望輸 出的偏差值絕對(duì)值，ITAE準(zhǔn)則控制系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)振蕩性小，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)具有良好的選擇性； 對(duì)于伺服系統(tǒng)，通過ADC采樣得到反饋相電流，然后進(jìn)行坐標(biāo)變換得到電流環(huán)跟蹤響應(yīng)電 流；
[0017] 對(duì)P值進(jìn)行整定，初值P(0)對(duì)應(yīng)ITAE指標(biāo)為E(0);P(i)對(duì)應(yīng)ITAE指標(biāo)為Ea); iG[1，OO)，iGn;
[0018] 按照粒子群優(yōu)化算法對(duì)P值進(jìn)行動(dòng)態(tài)賦值，變量P(i)值所對(duì)應(yīng)的適應(yīng)度函數(shù)用 表示，當(dāng)fi<2%時(shí)，此時(shí)得到最優(yōu)伺服整定P(i)值，粒子群優(yōu)化算法公式如下： 陽(yáng)019] x(t+l) =WX(t)+Cjri(Pbest~x(t))+〇2r2 (gbest~x(t))； 陽(yáng)020] W=(Wmax-WmJXexp(-Mt/TmJ2)+Wmin;
[0021] 式中W為慣性權(quán)重，初始值取0.8，Ci、C2為常數(shù)2，ri、。為分布于[0，1]范圍內(nèi)的 隨機(jī)數(shù)，PbMt為粒子本身找到的最優(yōu)解，全局極值SbMt為整個(gè)粒子群當(dāng)前最優(yōu)解；式中0取 值由經(jīng)驗(yàn)決定，為0G[15,20];
[0022] 根據(jù)群體適應(yīng)度方差S2判別局部極值是否是全局極值，群體適應(yīng)度方差定義為 下式：
[0024]式中n為粒子數(shù)，為第i個(gè)粒子適應(yīng)度，fWg為粒子群目前平均適應(yīng)度，f為歸 一化定標(biāo)因子，f的取值為下式：
[00巧]f=max{l，max|fi_favg|}，iE[1，n];
[00%] 如果出現(xiàn)粒子群過早收斂，則執(zhí)行變異操作： W27]gbe"=gbestX(l+TXO.W
[00測(cè) T為服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的隨機(jī)變量，對(duì)gbMt執(zhí)行隨機(jī)變異操作用來提高離子群算 法跳出局部最優(yōu)解的能力；
[0029] 在確定最優(yōu)伺服系統(tǒng)控制參數(shù)P值后，分別使D值取0,整定I值，I值取0,整定D 值；
[0030] 對(duì)得到的整定參數(shù)進(jìn)行校驗(yàn)，若作用下的電流閉環(huán)階躍響應(yīng)滿足快速、穩(wěn)態(tài)誤差 小等特征，則認(rèn)為參數(shù)整定結(jié)果滿足電流環(huán)控制整定要求，整定過程結(jié)束，否則重新進(jìn)行整 定。
[0031] 進(jìn)一步，所述ITAE準(zhǔn)則表達(dá)為：
[0032]
[0033] 進(jìn)一步，所述慣性權(quán)重調(diào)整策略為：進(jìn)化前期使用較大慣性權(quán)重，保證全局性；進(jìn) 化后期使用較小慣性權(quán)重，保證局部最優(yōu)性。
[0034] 一種利用上述的伺服系統(tǒng)電流環(huán)控制參數(shù)自整定方法的伺服控制系統(tǒng)，所述伺服 控制系統(tǒng)包括：
[0035] 上位機(jī)，與伺服驅(qū)動(dòng)器通訊，用于發(fā)送或接收系統(tǒng)參數(shù)，發(fā)送速度信號(hào)；
[0036] 伺服驅(qū)動(dòng)器，根據(jù)速度值調(diào)節(jié)伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速，將伺服系統(tǒng)實(shí)際速度值反饋給上 位機(jī)；
[0037] 上位機(jī)，用于通過人機(jī)界面輸出實(shí)際速度值；
[0038] 執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用于按照伺服驅(qū)動(dòng)器指令將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。
[0039] 本發(fā)明提供的交流伺服系統(tǒng)在許多高科技領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用，如激光加 工、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、大規(guī)模集成電路制造、辦公自動(dòng)化設(shè)備、雷達(dá)和各種軍用武器隨動(dòng)系 統(tǒng)、W及柔性制造系統(tǒng)等。交流伺服系統(tǒng)一般由機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)、交流伺服驅(qū)動(dòng)器、交流伺服 系統(tǒng)和位置反饋檢測(cè)裝置構(gòu)成。交流伺服驅(qū)動(dòng)器是交流伺服系統(tǒng)的控制核屯、，其內(nèi)部一般 采用固定參數(shù)的PID控制結(jié)構(gòu)來完成系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程。雖然PID控制結(jié)構(gòu)具有算法簡(jiǎn)單、 魯棒性強(qiáng)和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，但其控制性能與設(shè)置的控制參數(shù)密切相關(guān)，當(dāng)控制參數(shù)設(shè)置 不恰當(dāng)時(shí)，無法使PID控制結(jié)構(gòu)獲得滿意的控制性能。由于實(shí)際的伺服系統(tǒng)中存在非線性 摩擦、放大器飽和、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的死區(qū)與飽和等非線性特征，W及存在負(fù)載對(duì)象的不確定性， 因此，在交流伺服系統(tǒng)的應(yīng)用過程中，常常無法獲得進(jìn)行控制參數(shù)整定的準(zhǔn)確依據(jù)，W致難 W得到與實(shí)際應(yīng)用過程相匹配的最優(yōu)控制參數(shù)。
【附圖說明】 W40]圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的伺服系統(tǒng)電流環(huán)自整定試驗(yàn)平臺(tái)；
[0041] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0042] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的伺服系統(tǒng)電流環(huán)控制參數(shù)自整定方法及伺服系統(tǒng)流 程圖；
[0043] 圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的伺服系統(tǒng)電流環(huán)自整定結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】 W44]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，W下結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明 進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用W解釋本發(fā)明，并不用于 限定本發(fā)明。
[0045] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的應(yīng)用原理作詳細(xì)的描述。如圖1所示電流環(huán)參數(shù)自整定 試驗(yàn)平臺(tái)，固定電機(jī)轉(zhuǎn)子后系統(tǒng)輸入方波信號(hào)，結(jié)合伺服系統(tǒng)理論分析得到的電流環(huán)控制 參數(shù)，作為粒子群算法初始參數(shù)值，在尋優(yōu)規(guī)則下找尋適應(yīng)度fi< 2%時(shí)所對(duì)應(yīng)的P值作為 電流環(huán)自整定最優(yōu)參數(shù)。校驗(yàn)尋優(yōu)規(guī)則下的最優(yōu)P控制參數(shù)，W實(shí)際的跟蹤曲線為標(biāo)準(zhǔn)，觀 察響應(yīng)電流閉環(huán)階躍上升時(shí)間、超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間。如果校驗(yàn)結(jié)果滿意，則可認(rèn)為自整定成 功，將參數(shù)應(yīng)用于控制器；如果校驗(yàn)結(jié)果不滿意，可將粒子群算法復(fù)位，直至找尋到校驗(yàn)滿 意結(jié)果。
[0046] 本發(fā)明提供的伺服系統(tǒng)電流環(huán)控制參數(shù)自整定方法及伺服系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上 予W驗(yàn)證。圖1為電流環(huán)控制參數(shù)自整定試驗(yàn)平臺(tái)，鎖死電機(jī)轉(zhuǎn)子，輸入周期方波指令信 號(hào)，由粒子群算法隨機(jī)給定P值，通過上位機(jī)采樣電流環(huán)輸出Iq跟蹤響應(yīng)曲線。圖2為伺 服系統(tǒng)在PI、P2兩種電流環(huán)控制參數(shù)P作用下的q軸電流響應(yīng)曲線，由圖可見，Pl上升時(shí) 間小于P2,P2超調(diào)量大于P1，Pl調(diào)節(jié)時(shí)間小于P2,使用ITAE公式運(yùn)算結(jié)果亦可知E(Pl) <E(p2)，綜上可見Pl參數(shù)值優(yōu)于P2。通過ITAE公式作為標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合粒子群算法，最終選 定當(dāng)fi< 2%時(shí)，此時(shí)得到最優(yōu)伺服整定P(i)值。
[0047]如圖3所示，本發(fā)明實(shí)施例的伺服系統(tǒng)電流環(huán)控制參數(shù)自整定方法及伺服系統(tǒng)包 括W下步驟： W48]SlOl:電機(jī)轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)，輸入q軸電流周期方波指令信號(hào)；
[0049] S102:t= 0時(shí)刻，對(duì)所有粒子初始化，在允許取值范圍內(nèi)隨機(jī)設(shè)置粒子的初始化 位置X，將第i個(gè)粒子的自身個(gè)體極值設(shè)置成當(dāng)前位置，全局極值設(shè)置成粒子群中的最優(yōu)粒 子位置；
[0050] S103 :隨機(jī)給定電流環(huán)初始控制參數(shù)P=X，通過ADC采樣，坐標(biāo)變換后得到q軸 電流跟蹤響應(yīng)信號(hào)，更新粒子位置，計(jì)算粒子i的適應(yīng)度；
[00川 S104 :如果粒子i的適應(yīng)度優(yōu)于自身個(gè)體極值的適應(yīng)度；如果當(dāng)前進(jìn)化代數(shù)中，粒 子i的適應(yīng)度優(yōu)于全局極值的適應(yīng)度；根據(jù)公式計(jì)算群體適應(yīng)度方差；
[0052]S105:判斷算法是否滿足收斂條件，如果滿足就執(zhí)行根據(jù)公式計(jì)算群體適應(yīng)度方 差，否則就對(duì)全局最優(yōu)解按照公式執(zhí)行變異操作并轉(zhuǎn)回對(duì)所有粒子初始化；
[0053] S106 :求出全局最優(yōu)解的目標(biāo)函數(shù)值，并輸出全局最優(yōu)解，算法結(jié)束；通過伺服系 統(tǒng)校驗(yàn)最優(yōu)值等于全局極值，如果滿足響應(yīng)要求則整定成功，否則繼續(xù)整定；相同整定結(jié) 構(gòu)，在確定伺服系統(tǒng)最優(yōu)P值之后，整定系統(tǒng)I、D值；
[0054] S107 :最終校驗(yàn)伺服系統(tǒng)整體電流閉環(huán)響應(yīng)特性。 陽(yáng)化5] 本發(fā)明的具體步驟如下：
[0056] St巧1 :電機(jī)轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)，輸入周期方波指令信號(hào)。
[0057] Step2:t= 0時(shí)刻，對(duì)所有粒子初始化，在允許取值范圍內(nèi)隨機(jī)設(shè)置粒子的初始 化位置X，將第i個(gè)粒子的PbMt設(shè)置成當(dāng)前位置，gbest設(shè)置成粒子群中的最優(yōu)粒子位置， iG[l，n]，n為粒子數(shù)。
[0058]St巧3:隨機(jī)給定電流環(huán)初始P=X，通過ADC采樣，得到離散反饋跟蹤響應(yīng)信號(hào)。
[0059]Step4:按公式似、（3)更新粒子位置； W60] St巧5 :計(jì)算粒子i的適應(yīng)度fi; 陽(yáng)061] Step6 :如果粒子i的適應(yīng)度fi優(yōu)于自身個(gè)體極值Pbest的適應(yīng)度f(Pbest)，就用粒 子當(dāng)前的位置Xi替換PbMt; 陽(yáng)06引Step7