[发明专利]电机驱动系统结构与控制一体优化方法

说明书

本发明涉及一种电机驱动系统结构与控制一体优化方法，属于机电设计与控制技术领域。本发明同时考虑了结构设计与控制设计，而不是二者单独设计。应用本发明，能够得到考虑结构在内的控制系统最优设计，从而提升电机驱动系统的控制性能。针对电机驱动系统要求较好动态性能的特点，本发明设计了固定时间收敛跟踪控制器。通过同时考虑结构参数优化与控制器参数优化，建立了电机驱动系统结构/控制一体化设计性能指标，通过嵌套式优化方法与果蝇优化算法相结合的优化策略，得到了系统的全局最优设计参数，从而提升了控制性能，也为实际系统搭建提供了参考依据。

技术领域

本发明涉及一种电机驱动系统结构与控制一体优化方法，属于机电控制技术领域。

背景技术

近年来，电机驱动系统得到了广泛的应用。随着制造工艺和应用需求的提升，民用工业和军事领域对电机驱动系统的控制性能提出了更高的要求。由于电机驱动系统复杂的机械结构以及结构设计与控制设计之间存在的耦合，控制性能会受到机械结构参数的影响。传统的电机驱动系统设计方法中，结构设计与控制其设计顺序进行：先进行结构设计与参数优化，然后进行控制器设计与参数优化。由于电机驱动系统的控制性能会受齿隙、摩擦及负载转动惯量等结构参数的影响，因此同时设计结构参数与控制器参数以提高电机驱动系统的控制性能已经成为当前的一个研究热点问题。在这些结构参数中，负载的转动惯量大小反映了电机驱动系统的驱动能力，是系统中的一个重要参数。设计适当大小的负载与控制器参数对于提高电机驱动系统的精度非常重要。结构/控制一体化设计方法能够处理结构设计与控制设计之间的耦合，同时设计结构参数与控制器参数，从而能够提高系统的控制性能。Perez等将一体化设计方法应用到了空间飞行器的柔性机构设计中，得到了控制系统的全局最优解。Shirazi等采用线性矩阵不等式迭代方法对风力涡轮机进行了一体化设计，提高了闭环系统的性能。Chiang等将鲁棒控制与一体化设计方法相结合，设计了大型空间机构的控制系统，提升了系统的鲁棒性。

由于一体化优化问题由结构优化和控制器优化共同组成，其目标函数往往呈非凸特性。这给一体化问题的求解带来了难度。为降低一体化问题的求解难度，高效且可靠地得到系统的全局最优解，常选用整体优化和嵌套式优化两种优化策略。Alyaqout等比较了几种优化策略的优劣，并指出嵌套式优化策略能够较好的解决一体化设计的优化问题，同时计算量较小，物理意义明确，能够高效地获得一体化设计的最优解。Fathy等研究了控制系统中结构设计与控制器设计直接的耦合，并采用嵌套式优化策略结合LQR控制方法对控制系统进行了一体化设计。

由于电机驱动系统在实际应用中往往对动态性能与鲁棒性有较高的要求，因此，简单的PID控制或LQR控制难以满足控制性能需求。由Polytakov提出的固定时间收敛理论，并针对线性系统设计了固定时间反馈控制器，能够使系统的收敛时间与初始状态无关。采用固定时间收敛理论设计控制器能够使系统获得更好的动态性能。Jiang等针对航天器交汇控制问题设计了固定时间控制器，使得控制系统能够在任意初始状态下固定时间收敛，并且具有更好的容错控制能力，从而完成交汇对接任务。

针对雷达伺服系统，采用一体化设计方法进行控制系统设计，能够同时优化雷达伺服系统的结构系数和控制器系数，从而提高系统的控制性能，并且优化系统的驱动能力。此外，相比于传统的雷达伺服设计方法，所提出的一体化优化方法能够避免复杂的迭代设计过程，从而高效、可靠地得到雷达伺服系统的全局最优参数。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种电机驱动系统结构与控制一体优化方法，该方法同时考虑电机驱动系统的结构参数与控制参数，然后将控制其参数与系统结构参数同时优化，得到电机驱动系统的全局最优设计，提高了系统的控制性能。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。