[发明专利]一种关节伺服系统参数辨识和控制参数在线优化方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种运动控制领域的方法，具体是一种利用参数辨识技术实现速度环PI控制器参数优化的方法。

背景技术

机械臂末端抓取负载以及机械臂运行过程中构型的变化导致机械臂关节伺服系统的负载转动惯量和阻尼系数呈现时变特性，影响速度的动态响应性能，阻尼系数的大小影响负载转动惯量的辨识精度，需要同时辨识两个参数。空间机械臂对关节伺服系统的速度动态性能有很高的要求，因此获得负载转动惯量和阻尼系数的精确值，并根据辨识值在线优化控制器的参数，是提高关节伺服系统速度动态性能的有效途径。

目前转动惯量辨识的方法可以划分为离线惯量辨识和在线惯量辨识，离线惯量辨识主要方法有加减速法、人工规划法、直接计算法等；而在线惯量辨识是在伺服电机正常工作的过程中对电机的转动惯量进行辨识，控制器无需人为指令，在线自动捕获系统动态信息，算法更加灵活，目前主要应用有最小二乘法、模型参考自适应方法、转矩观测器法等，基于传统的最小二乘法的在线惯量辨识方法因其数学算法本身原因导致该方法对数字处理芯片的存储空间和运算速度有着极高的要求，因此不适合工业推广。利用模型参考自适应方法辨识转动惯量进行速度环自校正控制，但是辨识过程忽略阻尼系数进行转动惯量的辨识。通过添加负载观测器观测负载转矩值，进行转动惯量和摩擦系数的辨识，此方法依赖负载转矩辨识的精度。

本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种关节伺服系统参数辨识和控制参数在线优化方法，以提高速度的动态响应性能。

发明内容

为实现上述技术目的，本发明的技术方案包括：

一种关节伺服系统参数辨识和控制参数在线优化方法，其特征在于，它包括以下步骤：

步骤一、采用离散模型参考自适应算法对转动惯量和阻尼系数进行在线辨识，包括以下操作：

关节伺服系统电机的机械方程为：

式中T_e为电机的实际输出转矩，T_L为电机负载扰动转矩，J为电机转子和负载转动惯量之和，ω为电机转速，B为粘性阻尼系数；

将公式(1)离散化并且进一步简化得：

Δω(t)＝aΔω(t-1)+bΔT_e(t-1)(2)

式中Δω(t)＝ω(t)-ω(t-1)，ΔT_e(t-1)＝T_e(t-1)-T_e(t-2)，其中T为采样周期，ω(t)、ω(t-1)、T_e(t-1)、T_L(t-1)和ω(t-2)、T_e(t-2)、T_L(t-2)分别为第t、第t-1和第t-2采样周期的值，Δω(t)为t时刻的速度采样值与t-1时刻速度采样值之差，ΔT_e(t-1)为t时刻的电机输出力矩采样值与t-1时刻电机输出力矩采样值之差，a，b分别为待辨识的参数；

将公式(2)作为参考模型，获得可调模型的方程为：

为Δω(t)的估计值，为t时刻的估计变量；

采用朗道离散时间递推参数辨识机制推导自适应率为：

式中β₁，β₂为自适应增益，为t时刻的估计变量；

将公式(2)作为参考模型，公式(3)作为可调模型，公式(4)作为自适应更新率，对转动惯量和阻尼系数进行在线辨识；

步骤二、根据预设误差阈值，获得转动惯量的辨识值；

步骤三、依据所述的获得转动惯量辨识结果，获得速度环PI控制器参数的值。

进一步地，本发明依据预设误差阈值，获得转动惯量的辨识值，包括：

误差为参考模型与可调模型的输出结果之差，对误差进行采样，每次采样个数为N，如果其中连续M个采样值均小于等于预设的误差阈值，则获得转动惯量辨识值；如果其中连续M个采样值至少有一个大于预设的误差阈值，则转动惯量保持不变，即获得上一周期的转动惯量辨识值；

进一步地，本发明依据所述的获得转动惯量辨识结果，获得速度环PI控制器参数的值，包括：

速度环使用PI控制器，将速度环等效为典型的Ⅱ型系统，根据三阶最佳设计法和振荡指标法中最小Mr准则法，速度调节器积分增益K_i和比例增益K_p与转动惯量的关系：

ψ_f为永磁磁通，p_n为电机磁对数，τ_i电流环闭环的时间常数；