[发明专利]运动控制系统的模型辨识和参数设计方法及系统

摘要

本发明公开了一种运动控制系统的模型辨识和参数设计方法，涉及模型辨识及控制工程领域，它解决现有运动系统运动设备模型辨识时间长、辨识不准的问题。本发明中所述运动系统包括主机、从机和运动设备。本发明中模型辨识和参数设计系统利用Matlab/Gui实现，该系统安装在主机上，主机与从机通过串口进行数据传输。利用模型辨识和参数设计系统可以发送阶跃响应命令、发送频域扫描命令、接收从机反馈的运动设备的阶跃响应数据和频域响应数据、利用基于Matlab编写的算法辨识运动设备的数学模型参数和运动设备的谐振频率、观察系统bode图、设置系统控制参数。

主权项

1.一种运动控制系统的模型辨识和参数设计方法，其特征在于，包括如下步骤：连接通信步骤：主机与从机进行通信；阶跃响应步骤：主机的模型辨识和参数设计系统设置阶跃幅值StepGain，主机将带有StepGain信息的阶跃响应指令发送给从机，从机接收到阶跃响应指令后会控制运动设备响应幅值为StepGain的阶跃输入，完成后会将阶跃响应数据发送给主机，主机进行模型辨识；模型辨识步骤：运动设备的数学模型是：其中G_P(s)为运动设备的数学模型，s为拉氏算子，增益K、机械时间常数T_m、电气时间常数T_e；阶跃输入可以被描述为：其中r(s)为阶跃输入的传递函数，StepGain为阶跃输入的幅值，理论上运动设备时域阶跃响应为G_p(s)r(s)的拉式反变换：其中y(t)为运动设备的时域阶跃响应，e为自然常数，t为时间；利用李雅普诺夫最小二乘法可以根据从机上传的阶跃响应数据求出增益K、机械时间常数T_m、电气时间常数T_e；频域扫描步骤：在模型辨识和参数设计系统设置起始频率FqStart、终止频率FqEnd、频率增益FqGain和输入增益InputGain，主机将带有频域扫描信息的频域扫描指令发送给从机，从机控制运动设备进行频域扫描，完成后会将频域扫描数据发送给主机，主机进行频域扫描辨识；频域扫描辨识步骤：主机收到从机发送频域扫描数据后，主机通过模型辨识和参数设计系统利用频域辨识算法FqScan2Bode()将频域扫描数据利用分段拟合的方法进行数据处理从而得到运动设备频域响应P(s)并求出运动设备的谐振频率；控制参数设置步骤：根据运动设备数学模型参数、bode图和谐振频率设计控制器、低通滤波器和陷波器，将控制器的零点[Z₁……Z_n]、极点[P₁……P_m]和增益K_c输入到参数设置模块的控制器输入栏中，将低通滤波器的低通频率ω_l输入到参数设置模块的低通滤波器输入栏中，将陷波器的陷波频率ω_n输入到参数设置模块的陷波器输入栏中，模型辨识和参数设计系统会根据操作者的输入构建控制器、低通滤波器和陷波器，控制器的拉式描述为：其中K_c为控制器增益，Z₁······Z_n为控制器零点，P₁······P_m为控制器极点，s为拉氏算子；低通滤波器的拉式描述为：其中ω_l为低通频率，ε为低通滤波器阻尼系数；陷波器的拉式描述为：其中ω_n为陷波频率，ε₁和ε₂为陷波器阻尼系数，s为拉氏算子；利用tf()函数、c2d()函数将式(4)、(5)、(6)转换成差分形式，当按下模型辨识和参数设计系统的参数设置按钮时，式(4)、(5)、(6)的差分形式系数会被主机发送到从机；bode图显示模式选择步骤：在模型辨识和参数设计系统的bode模式模块可以选择bode图显示模式，勾选被控对象则在bode模块显示运动设备的频域响应P(s)，勾选控制环节则在bode模块显示式(4)、(5)、(6)乘积C(s)*LP(s)*NP(s)形成的频域响应，勾选开环传函则在bode模块显示式(4)、(5)、(6)和运动设备频域响应P(s)乘积C(s)*LP(s)*NP(s)*P(s)形成的频域响应，勾选闭环传函则在bode模块显示形成的频域响应；断开连接步骤：主机与从机断开连接。