[发明专利]一种机电作动系统摩擦副的精确建模方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种机电作动系统摩擦副的精确建模方法，其基于Stribeck摩擦模型和模拟退火遗传算法，属于机电系统建模的技术领域。

背景技术

机电作动系统(Electro-Mechanical Acturtor,EMA)是一类位置伺服控制系统的统称，具体是通过控制伺服电动机的动作来驱动位置随动负载设备的系统，机电作动系统在军事、农业、交通等行业均有十分广泛的应用。机电作动器的工作原理是将电机的旋转运动通过减速器和丝杠、螺母转化为承载部件的直线往复运动，并同时推动负载运动。

机电控制技术领域对实际机电作动系统控制精度的要求正在日益提高，而摩擦则是制约机电作动系统精度提升的一个的重要因素。机电作动系统的摩擦与电机转速之间的非线性关系较强，这样的非线性关系对系统动态及静态性能的影响很大，主要表现为低速时的爬行现象、速度过零时的波形畸变现象、稳态时较大的静差，以及不期望出现的极限环振荡现象。为了克服机电作动器中摩擦力带来的不利影响，则需要能够准确、快速地辨识出系统的摩擦模型。

许多专家和学者提出了一些摩擦副辨识的方法，如分段线性化最小二乘法和传统遗传算法等。但是分段线性化最小二乘辨识出的摩擦模型反应不出摩擦在低速时的非线性影响，而摩擦在机电作动器系统中的影响在低速时最为明显。另外，传统的遗传算法存在着收敛速度慢且不能调节的问题。

发明内容

发明目的：本发明要解决的问题是传统机电作动系统建模方法准确性和快速性的不足，提出了一种基于Stribeck摩擦模型和模拟退火遗传算法的机电作动系统摩擦副精确建模方法，提高了机电作动系统建模的精确性和快速性。

其技术方案：一种基于Stribeck摩擦模型和模拟退火遗传算法的机电作动系统摩擦副精确建模方法，包括以下步骤：

步骤一：在线测试步骤。首先使机电伺服系统工作在恒转速控制时，测试不同转速下对应的转矩。

进一步的，步骤一所述的测试方法具体为，首先设置转速指令序列(v₁,v₂,…,v_k)，使机电伺服系统分别工作在这一系列的转速值下，分别测试转速指令序列内的各转速指令下，机电伺服系统速度稳定后的转矩序列其中k为测试点数。

由于所述的转矩序列是在机电伺服系统的转速稳定时测得，所以该转矩在物理意义上就是摩擦转矩。

进一步的，所述的机电伺服系统速度稳定的标准为，转速进入到5％误差带(或5％左右)。

步骤二：模型选取步骤。选取适用于机电伺服系统的摩擦模型，根据所选取的摩擦模型确定需要辨识的参数，进一步得到计算摩擦力矩辨识值序列和辨识误差序列。

进一步的，步骤二所选取的摩擦模型具体为Stribeck摩擦模型，其特征为摩擦力矩由下式表示：

其中为摩擦力矩；为正转静摩擦系数，为正转库仑摩擦系数，B⁺为正转粘滞摩擦系数，为正转特征速度系数；为反转静摩擦系数，为反转库仑摩擦系数，B^-为反转粘滞摩擦系数，为反转特征速度系数；vⁱ为机电作动系统转速，e为自然底数，sgn()为符号函数，上标i对应步骤一中的第i次测试。

进一步的，步骤二所确定的需要辨识的参数为正转静摩擦系数反转静摩擦系数正转库仑摩擦系数反转库仑摩擦系数正转粘滞摩擦系数B⁺，反转粘滞摩擦系数B^-，正转特征速度系数和反转特征速度系数

进一步的，定义这些参数的辨识值为正转静摩擦系数辨识值反转静摩擦系数辨识值正转库仑摩擦系数辨识值反转库仑摩擦系数辨识值正转粘滞摩擦系数辨识值反转粘滞摩擦系数辨识值正转特征速度系数辨识值和反转特征速度系数辨识值

进一步的，摩擦力矩辨识值序列表示为：

步骤三：目标函数选取步骤。生成待辨识参数矩阵和辨识值矩阵，选取一个待优化求解的Stribeck摩擦模型目标函数。

进一步的，步骤三生成的待辨识参数矩阵x表示为：

进一步的，步骤三生成的辨识值矩阵表示为：

其中，下标m表示每一次迭代运算的结果，M为种群规模。

进一步的，步骤三所选取的目标函数形式为：

其中，J_m为目标函数，e_i(v,x)表示辨识误差，上标i对应步骤一中的第i次测试。

进一步的，辨识误差e_i(v,x)具体为：