[发明专利]电机驱动系统结构与控制一体优化方法

摘要

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。

主权项

1.一种电机驱动系统的结构与控制一体化设计方法，其特征在于：具体包括如下步骤：步骤1，电机驱动系统模型及其简化模型的建立；电机驱动系统模型如下：其中θ_m和θ_L分别为驱动电机位置和负载位置；J_m和J_L分别为电机和负载的转动惯量；b_m和b_L分别为电机端和负载端的粘滞摩擦系数；u为系统控制输入；为传动力矩并且有如下形式：其中k为扭转系数；c为阻尼系数；Δ＝θ_m‑θ_L；f(·)为齿隙引起的非线性，并且由死区非线性代表：其中δ为齿隙宽度；为方便控制器设计，假设齿轮箱两端力矩为线性关系，得到如下简化模型：其中n为传动比系数；本发明针对电机模型(4)，设计能够固定时间收敛的负载跟踪控制器；同时，考虑结构参数会对控制性能产生影响，提出了基于固定时间控制器的电机驱动系统的结构/控制一体化设计方法；步骤2，固定时间跟踪控制器设计选取系统状态变量式(4)写为则本步骤设计探究的问题为：设计系统式(5)的固定时间跟踪控制器u，使系统输出y＝x₁在固定时间内跟踪期望轨迹y_d；下面为本发明的电机驱动系统的跟踪控制器设计步骤：定义电机驱动系统负载跟踪误差：e_t＝y‑y_d  (6)电机驱动系统跟踪控制器设计如下：其中k₁,k₂,k₃和k₄为控制器系数；ξ₁，ξ₂，ξ₃和ξ₄为指数系数；σ₁＝e_t；符号函数sgn(·)定义为且设计趋近律跟踪误差收敛时间T_c有如下形式：T_c≤max{T_c1,T_c2}  (11)其中采用本发明所提出的跟踪控制器，能够使电机驱动系统在固定时间内完成对参考信号的跟踪；并且，与系统的初始状态无关，从而提高了系统的动态性能；步骤3，结构/控制一体化性能指标设计；经过步骤2的控制器设计，能够得到电机驱动系统的跟踪控制器，即式(7)；在步骤2的基础上，本步骤对跟踪控制器参数k₁,k₂,k₃和k₄以及系统结构参数J_L进行优化设计；本发明提出电机驱动系统在满足控制性能指标要求的前提下，设计所能驱动的最大负载；本发明提出结构性能指标：以及控制性能指标综合式(13)所示的结构性能指标和式(14)所示的控制性能指标，本发明设计电机驱动系统的一体化性能指标如下：其中ρ_j和ρ_k分别为结构优化和控制优化的权重系数；在本设计中，去权重系数ρ_j＝ρ_k＝1；实际应用本发明过程中，根据系统不同需要调整权重系数取值：如果寻求驱动尽可能大的负载，则适当选取ρ_j＞ρ_k；如果更加注重系统的控制性能，则选取ρ_j＜ρ_k；选取不同的权重系数，会得到不同的优化结果；步骤4设计嵌套优化结构步骤3中得到了一体化性能指标函数，即式(15)；由于直接求解一体化目标函数式(15)，本发明设计了嵌套优化结构如下：外优化环：内优化环：在内环优化过程中，采用果蝇优化算法对内环优化问题进行求解；随机初始果蝇群体位置X₀,Y₀，并添加果蝇个体搜寻食物的随机方向与距离：其中R_v为随机的搜索距离；然后计算新位置的味道浓浓度判定值κ_i：其中D_i为当前位置与原点之间距离，并有将κ_i代入适应度函数，并求出果蝇个体位置的味道浓度，并找出浓度最大的个体b_s，并更新果蝇群体位置：重复式(18)～式(20)过程，得到优化结果；本步骤中，外优化换的结构优化问题为单优化变量的凸优化问题，通过MATLAB中凸优化工具箱进行求解。