潘衛(wèi)東,范元勛,雷建杰,2,曹大偉,陸鵬程,徐志偉
(1.南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院, 江蘇 南京 210094; 2.上海機電工程研究所, 上海 201109;3.上海航天控制技術(shù)研究所, 上海 200233)
電動直線負(fù)載模擬器(ELLS),又稱為直線伺服加載系統(tǒng),是硬件在環(huán)(HIL)實驗中不可或缺的仿真測試設(shè)備,廣泛應(yīng)用于航空、航天與國防領(lǐng)域,主要用于電動直線舵機或者直線伺服機構(gòu)的模擬加載測試,與傳統(tǒng)電液負(fù)載模擬器不同,ELLS采用永磁同步電機(PMSM)作為加載元件,具有噪聲小、控制簡單以及適應(yīng)能力強等優(yōu)點[1-2]。鑒于此,在某些中小型直線加載試驗場合,ELLS正逐漸取代傳統(tǒng)的電液負(fù)載模擬器。
與傳統(tǒng)的電液負(fù)載模擬器類似,ELLS除了有舵機運動擾動引起的多余力問題之外,其另一關(guān)鍵技術(shù)則是摩擦等非線性因素的抑制問題[3-6]。通過總結(jié)前人研究發(fā)現(xiàn),摩擦對負(fù)載模擬器的影響會直接疊加在系統(tǒng)的干擾力矩上,且摩擦的存在會引起加載波形畸變、相位滯后、力死區(qū)、低速爬行以及極限環(huán)振蕩等現(xiàn)象。
在控制方法上,摩擦抑制主要分為兩種:一種為基于模型的補償策略,如王曉東等[7]采用靜態(tài)LuGre摩擦模型分析了摩擦對電液負(fù)載模擬器的影響,并建立了系統(tǒng)的摩擦模型,最終采用前饋方法實現(xiàn)了摩擦的補償抑制;姚建勇等[8]給出了系統(tǒng)最大動靜摩擦與轉(zhuǎn)角位置的關(guān)系,并建立了改進(jìn)型LuGre摩擦模型,最終采用摩擦前饋策略實現(xiàn)了摩擦的抑制;文獻(xiàn)[9-10]也采用摩擦前饋策略實現(xiàn)了摩擦力矩的消除。另一種為不基于系統(tǒng)模型的摩擦消除策略,如周金柱等[11]針對伺服系統(tǒng)中存在的摩擦現(xiàn)象設(shè)計了一種積分反步自適應(yīng)控制器來取代傳統(tǒng)的PID控制器,可消除摩擦所引起的系統(tǒng)誤差;另外基于非線性魯棒控制以及智能PID控制策略也相繼被國內(nèi)外學(xué)者提出來,且都取得了較好的效果[12-15]。綜上所述,不基于系統(tǒng)模型方法主要對控制器進(jìn)行改進(jìn)來提高系統(tǒng)對非線性因素的免疫能力,其控制器設(shè)計與調(diào)參較為困難,難以保證抑制效果;基于模型的摩擦補償策略實現(xiàn)簡單,摩擦模型的精確獲取為其關(guān)鍵技術(shù)。
本文旨在解決ELLS中摩擦的抑制問題并進(jìn)一步提高系統(tǒng)的加載精度,通過借鑒基于LuGre模型的直線位置伺服系統(tǒng)的摩擦前饋補償策略[16],建立基于LuGre摩擦模型的系統(tǒng)非線性模型。通過仿真與實驗相結(jié)合的方法分析摩擦對系統(tǒng)造成的影響,并采用遺傳算法對系統(tǒng)中的摩擦參數(shù)進(jìn)行離線辨識,采用摩擦前饋補償加變增益PID的方法來實現(xiàn)系統(tǒng)中摩擦力的抑制。最終,通過仿真與實驗驗證所提出控制策略的合理性與有效性。
如圖1所示為ELLS簡化結(jié)構(gòu)圖,ELLS主要由工控機、運動控制器、PMSM驅(qū)動器、PMSM、轉(zhuǎn)矩傳感器、聯(lián)軸器以及滾珠絲杠組成,PMSM輸出的扭矩分別通過聯(lián)軸器與轉(zhuǎn)矩傳感器,最終通過滾珠絲杠并轉(zhuǎn)換為直線力對直線舵機進(jìn)行加載;舵機系統(tǒng)主要由舵機驅(qū)動器及直線舵機組成。
圖1 耦合系統(tǒng)簡化結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Simplified structure of coupling system
在對ELLS數(shù)學(xué)建模時,通常定義如下假設(shè):
1)采用d-q軸系對PMSM進(jìn)行建模,令d軸電流id=0 A.
2)為簡化分析,電機阻尼系數(shù)Bm一般為極小值,可將其簡化為0,建模時忽略電機驅(qū)動器參數(shù)波動以及不確定性因素對系統(tǒng)的影響。
3)忽略聯(lián)軸器、電機及滾珠絲杠內(nèi)部的間隙。
根據(jù)ELLS的工作原理以及各部分傳動部件的機理模型(此處詳細(xì)建模將不再贅述,詳見文獻(xiàn)[17]),直接給出有摩擦力的ELLS表達(dá)式為
F=Gn1(s)Vi-Gn2(s)sL-Gn3(s)Tf,
(1)
Gn1(s)=
(2)
Gn2(s)=
(3)
(4)
式中:s為拉普拉斯算子;Gn1(s)為系統(tǒng)前向通道傳遞函數(shù);Gn2(s)為擾動通道傳遞函數(shù);Gn3(s)為摩擦力矩傳遞函數(shù);Vi為控制輸入電壓;L為舵機位移擾動;Tf為折算后的摩擦轉(zhuǎn)矩;Kt為轉(zhuǎn)矩系數(shù);KA為剛度系數(shù);Kv為放大系數(shù);Lm與Rm分別為電機等效電感與等效電阻;Jm為系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量;Ke為反電動勢系數(shù);p為滾珠絲杠導(dǎo)程。根據(jù)(1)式~(4)式,可得出系統(tǒng)的開環(huán)控制框圖如圖2所示,圖2中iq為q軸輸入電流,Te為電磁轉(zhuǎn)矩,Tl為負(fù)載轉(zhuǎn)矩,ωm為電機輸出轉(zhuǎn)速,θm為電機輸出角位移,θl為實際角位移,F(xiàn)為輸出力。
LuGre摩擦模型于20世紀(jì)90年代提出,與傳統(tǒng)的摩擦模型相比,LuGre摩擦模型不僅考慮了摩擦的靜態(tài)特性(靜摩擦、Coulomb摩擦、黏滯摩擦等),還體現(xiàn)了摩擦的動態(tài)特性,例如摩擦的突變、停止- 滑動等摩擦現(xiàn)象[17]。LuGre摩擦模型假設(shè)兩物體通過彈性鬃毛相接觸,并引入鬃毛變形量z來確定物體的摩擦狀態(tài)。本文將采用LuGre摩擦模型對ELLS系統(tǒng)中的摩擦進(jìn)行建模,其一般表達(dá)式[18-19]為
(5)
σ0g(v)=Fc+(Fs-Fc)exp [-(v/vs)2],
(6)
(7)
式中:Fs為靜摩擦力;Fc為庫侖摩擦力;vs為Stribeck特征速度;σ2為黏性摩擦系數(shù);σ0為鬃毛剛度;σ1為鬃毛阻尼系數(shù);v為相對運行速度,在本系統(tǒng)中即為舵機運行速度;g(v)由能表征Stribeck效應(yīng)的等式?jīng)Q定。當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定運行在恒定速度時,可認(rèn)為z為常數(shù),結(jié)合(5)式可得
z=sgn (v)g(v).
(8)
綜合(6)式~(8)式,可得穩(wěn)態(tài)的LuGre摩擦模型,其表述[7-8]與傳統(tǒng)的Stribeck模型相同:
(9)
在潤滑良好的條件下,如圖3所示為典型的摩擦效應(yīng)曲線,其縱軸Ff為隨速度變化的摩擦力。由圖3中曲線可以看出:由于Stribeck效應(yīng),在低速運行時的摩擦力會反向增大;且當(dāng)系統(tǒng)低速換向時,系統(tǒng)中的摩擦力會突然產(chǎn)生逆轉(zhuǎn),其值在某一瞬間會達(dá)到最大靜摩擦力,進(jìn)而使系統(tǒng)中產(chǎn)生較大力矩的波動。
圖3 摩擦效應(yīng)曲線Fig.3 Friction effect curve
參考文獻(xiàn)[7],選取一定的摩擦模型參數(shù)代入(9)式并將摩擦模型引入數(shù)學(xué)仿真軟件MATLAB/Simulink仿真模型中,對含有摩擦模型的ELLS模型進(jìn)行Simulink仿真。仿真時,令舵機作幅值為1 mm、頻率為1 Hz(簡寫為1 mm/1 Hz)的正弦運動,ELLS同步跟蹤幅值為2 000 N、頻率為1 Hz (簡寫為2 000 N/1 Hz)的正弦加載信號,仿真時引入舵機位置擾動補償,得到仿真結(jié)果如圖4所示。
從圖4(a)中可看出,由于靜摩擦力的存在(見圖3中Fs),當(dāng)舵機速度減速至0 mm/s并反向啟動的瞬間,系統(tǒng)反向摩擦力突然增大,舵機在換向時的速度產(chǎn)生了波動。另外,從圖4(a)中可見,在t=0.25 s時(舵機換向時),由于摩擦力的突變,使得力加載波形發(fā)生了明顯的畸變(波形抖動),且系統(tǒng)加載曲線產(chǎn)生了較為明顯的相位滯后。
基于2.1節(jié)的仿真分析結(jié)果,為進(jìn)一步探究摩擦對ELLS的影響,在未引入摩擦補償?shù)腅LLS實驗臺上進(jìn)行實驗。為保證變量的單一性,同樣在系統(tǒng)中引入舵機位置擾動前饋補償,消除系統(tǒng)中多余力的影響,ELLS采用力閉環(huán)PID控制。實驗時,令舵機作1 mm/1 Hz的正弦運動,令ELLS進(jìn)行2 000 N/1 Hz的同步加載,最終實驗結(jié)果如圖5所示。
圖5 實驗結(jié)果Fig.5 Experimental results
由圖5可以看出:ELLS加載力波形在波峰處出現(xiàn)了較為明顯的波形畸變現(xiàn)象,由于靜摩擦的存在,舵機在低速換向時,摩擦力突然反向增大,引起了ELLS系統(tǒng)中的力抖動;另外在波峰之后(舵機低速起步運行時),加載波形還出現(xiàn)了相位滯后的現(xiàn)象,實驗結(jié)果與仿真分析較為一致。此時,系統(tǒng)在波峰波谷時刻的加載誤差幅值達(dá)到223.4 N,相位滯后最大處約為12.5°,加載精度相對較低。因此,有必要設(shè)計控制器來抑制摩擦對ELLS的影響。
LuGre摩擦模型主要有6個未知參數(shù),其中靜態(tài)參數(shù)為Fs、Fc、vs、σ2,動態(tài)參數(shù)為σ0與σ1,靜態(tài)參數(shù)可通過舵機帶動系統(tǒng)作多組運動實驗進(jìn)行檢測,動態(tài)參數(shù)可通過系統(tǒng)預(yù)滑階段的數(shù)據(jù)進(jìn)行估算[18]。遺傳算法是通過模擬自然界的遺傳機制而產(chǎn)生的并行隨機搜索最優(yōu)化方法,使用時不需要對象的模型信息,應(yīng)用廣泛。因此,采用遺傳算法對本文所提出的摩擦模型參數(shù)進(jìn)行離線參數(shù)辨識。
3.1.1 靜態(tài)參數(shù)辨識
由(9)式可知,穩(wěn)態(tài)時速度與摩擦力的關(guān)系為
Fss=Tf(v)·(2π/p)=Fcsgn(v)+
(Fs-Fc)sgn(v)exp[-(v/vs)2]+σ2v,
(10)
式中:2π/p為轉(zhuǎn)矩與力的轉(zhuǎn)換系數(shù)。由(10)式可知,靜態(tài)參數(shù)主要有Fs、Fc、vs、σ2,因此,實驗時令舵機帶動ELLS作多組恒轉(zhuǎn)速運動,舵機運行穩(wěn)定時讀取并記錄力傳感器的數(shù)值,則可以獲得系統(tǒng)的摩擦力與速度的關(guān)系。
采用遺傳算法對摩擦實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行離線參數(shù)辨識,可辨識出(10)式中的4個靜態(tài)參數(shù)。辨識時,設(shè)定需要進(jìn)行辨識的參數(shù)向量W=[Fs,Fc,vs,σ2],則定義的辨識誤差為
e(W,vi)=Fi-Fss(W,vi),
(11)
式中:vi為第i次對應(yīng)的速度;Fi為第i次測得的摩擦力;Fss(W,vi)為估計的摩擦力,由(9)式得出。目標(biāo)函數(shù)J為
(12)
辨識目標(biāo)使上述的J趨向于0. 選取個體適應(yīng)度函數(shù)
f(Xk)=J(Xk),k=1,2,…,N,
(13)
式中:Xk為個體;N為種群大小。采用隨機采樣方法作為選擇操作方法,變異操作采用高斯算子,并采用均勻交叉算子進(jìn)行交叉操作,選擇種群大小N=100,最大迭代次數(shù)T=2 000,變異概率取Pm=0.01,交叉概率Pc=0.9. 此處給出遺傳算法辨識的基本流程圖如圖6所示。最終可以獲得靜態(tài)參數(shù)Fs、Fc、vs、σ2的值。
圖6 參數(shù)辨識流程圖Fig.6 Flow chart of parameter identification
3.1.2 動態(tài)參數(shù)辨識
動態(tài)參數(shù)為σ0與σ1,當(dāng)舵機運行在預(yù)滑階段時,系統(tǒng)有z≈0、v≈0,可定義如下假設(shè)[20-21]:
dz≈dx,dz/dt≈dx/dt,
(14)
式中:x為位移。綜合(7)式與(14)式可得
(15)
對(15)式進(jìn)行拉氏變換,可得
(16)
通過給舵機一個較小的運動幅值階躍信號,使整個系統(tǒng)處于預(yù)滑階段,此時通過系統(tǒng)辨識可得σ0與σ1的參數(shù)。
綜上所述,參數(shù)辨識結(jié)果如表1所示。
將上述數(shù)據(jù)擬合,可得辨識曲線(見圖7中實線),由最終辨識結(jié)果可知,擬合后的曲線與原實驗曲線大體較為接近,最大誤差僅為1.3 N,參數(shù)辨識結(jié)果較理想。
表1 辨識參數(shù)表
圖7 摩擦力與速度關(guān)系Fig.7 Relation between friction and velocity
為簡化摩擦前饋補償控制器的設(shè)計,本文僅基于穩(wěn)態(tài)LuGre摩擦模型Tf(v)來設(shè)計補償控制器,其表達(dá)式如(9)式所示,模型參數(shù)如表1所示。補償原理如圖8所示,圖8中F*為力指令。按照結(jié)構(gòu)不變性原理,如果補償控制器Gc(s)滿足:
Gc(s)Gn1(s)=sTf(v)Gn3(s),
(17)
則摩擦對ELLS的力矩擾動可以完全消除。
綜合(2)式、(4)式和(9)式,可得
(18)
控制器可進(jìn)一步簡化為
K1s2Tf(v)+K2sTf(v),
(19)
圖8 摩擦前饋與變增益PID原理圖Fig.8 Schematic diagram of friction feedforward compensation and variable gain PID
式中:K1=Lm/(KtKv);K2=Rm/(KtKv). 由于K1為極小項,在實際工程使用中,通常省略第1項,則補償控制器可表示為
Gc(s)=K2sTf(v).
(20)
為進(jìn)一步抑制ELLS在系統(tǒng)低速運行時產(chǎn)生的加載波形相位滯后,本文還引入了變增益PID控制,其控制原理如圖8所示,變增益PID控制器中,KI為積分增益,KD為微分增益。由于摩擦在低速時對加載波形的影響較大,且易造成加載波形相位滯后,通常當(dāng)系統(tǒng)運行速度較慢時適當(dāng)增大PID控制器的KP以消除系統(tǒng)的誤差,反之則相應(yīng)減小控制器的增益。這里可選擇下列公式來確定PID中KP與舵機運行速度v的關(guān)系
KP(v)=Ks+Ke-t|v|,
(21)
式中:KP(v)為隨v變化的比例增益;Ks為初始值;K為可變增益常數(shù);t為時間常數(shù),主要控制可變增益的衰減速度。
為驗證本文所提出算法的合理性,采用MATLAB/Simulink軟件搭建了含有摩擦的ELLS模型,并建立了本文所提出的控制器,此處給出ELLS相關(guān)仿真參數(shù)如表2所示。
表2 ELLS仿真參數(shù)
變增益PID控制參數(shù)為:KP=0.6+e-0.9v;KI=0.000 1;KD=0. 通過計算可以得到摩擦前饋補償參數(shù)為:Fs=39.8 N;Fc=21.9 N;vs=0.35 mm/s;σ2=1.9 N·s/mm;K2=1.5.
仿真時,加入舵機位置擾動前饋補償,以消除ELLS中的多余力。為觀察控制器效果及探究各控制器對系統(tǒng)的影響,設(shè)置如下4組對比仿真實驗方案:
方案1傳統(tǒng)PID控制;
方案2變增益PID控制;
方案3摩擦前饋與傳統(tǒng)PID控制;
方案4摩擦前饋與變增益PID控制。
令舵機作1 mm/1 Hz正弦運動,ELLS進(jìn)行2 000 N/1 Hz的正弦同步加載,仿真結(jié)果如圖9所示。
圖9 仿真結(jié)果對比Fig.9 Comparison of simulated results
由圖9中對比仿真結(jié)果可知:由于摩擦的存在,方案1(傳統(tǒng)PID控制,見圖9(a))的ELLS加載曲線波峰處出現(xiàn)了較大的波動,且在低速段產(chǎn)生了一段相位滯后,相位滯后最大處可達(dá)10.6°,此時加載誤差幅值為195.4 N;方案2如圖9(b)所示,此時ELLS在低速時的相位滯后明顯減少,其值為5.8°,但波形抖動并未消除,需要進(jìn)一步進(jìn)行抑制;方案3中,在傳統(tǒng)PID控制中引入了摩擦前饋補償,如圖9(c)所示,此時系統(tǒng)在舵機換向時的抖動明顯被消除,且系統(tǒng)在低速時的相位滯后也在一定程度上得到了抑制;方案4將摩擦前饋與變增益PID進(jìn)行了混合控制,其仿真結(jié)果如圖9(d)所示,可看出曲線波動被抑制,且系統(tǒng)相位滯后進(jìn)一步降低,僅為3.4°,此時系統(tǒng)誤差幅值為42 N,與方案2、方案3相比,摩擦前饋與變增益PID混合控制策略能進(jìn)一步抑制摩擦對ELLS的影響,提高加載精度。
為驗證本文所提控制器在工程實際中的可行性與有效性,實驗室搭建了如圖10所示ELLS實驗平臺。實驗時,設(shè)計與第4節(jié)相同的4組對比實驗方案。
圖10 ELLS實驗平臺Fig.10 Experimental platform for ELLS
電機控制器采用美國NI公司生產(chǎn)的PXIe-8840RT型運動控制器,采用美國NI公司生產(chǎn)的PXIe-6341高速數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,其采樣率可達(dá)500 kS/s,電機為美國Kollmorgen公司生產(chǎn)的AKM53H-320VDC型PMSM,轉(zhuǎn)矩傳感器為美國Interface公司生產(chǎn)的的T3 50Nm型轉(zhuǎn)矩傳感器,采用美國Interface公司生產(chǎn)的的SSM 5KN型力傳感器對力進(jìn)行實時采集,控制程序采用LabVIEW圖形化語言進(jìn)行編寫,控制周期為0.1 ms.
由分析可知,摩擦在低速運行以及換向時對系統(tǒng)的影響較大。設(shè)計兩組動態(tài)實驗:1) 1 Hz同步加載實驗,令舵機作1 mm/1 Hz的正弦運動,同時令ELLS作2 000 N/1 Hz的同步正弦加載;2) 3 Hz同步加載實驗,令舵機作0.5 mm/3 Hz的正弦運動,同時令ELLS作2 000 N/3 Hz的同步正弦加載。實驗時為保證變量的單一性,加入舵機運動擾動補償,消除系統(tǒng)中的多余力[20]。
5.2.1 1 Hz同步加載實驗
令舵機作1 mm/1 Hz的正弦運動,同時令ELLS作2 000 N/1 Hz的同步正弦加載。最終實驗結(jié)果如圖11所示。
圖11 1 Hz同步加載實驗結(jié)果Fig.11 Synchronous loading experimental results at 1 Hz
由圖11可知:采用傳統(tǒng)PID控制ELLS加載波形波峰處(系統(tǒng)低速換向時)存在明顯的波形抖動現(xiàn)象(波形畸變),且系統(tǒng)低速運行時的相位滯后較為明顯,最大處為12.5°,此時誤差幅值較大,系統(tǒng)加載精度較差;方案2實驗結(jié)果如圖11(b)所示,此時系統(tǒng)低速運行時的相位滯后被降至8.9°,系統(tǒng)誤差幅值為143.8 N,由于變增益PID在系統(tǒng)低速運行時誤差抑制作用較為明顯(低速時增益較大),此時系統(tǒng)在低速時的滯后相對降低,但是波形抖動依然存在;圖11(c)為采用方案3的實驗結(jié)果,從實驗反饋曲線可以看出,由于摩擦補償可以反向抵消摩擦對系統(tǒng)的作用,此時系統(tǒng)在波峰處的波動減小,曲線趨于平滑,且此時系統(tǒng)在低速時的相位滯后相對減少,其值為9.6°,系統(tǒng)誤差幅值為153.7 N;方案4為在摩擦前饋的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步引入變增益PID的實驗結(jié)果,系統(tǒng)最大相位滯后僅為6.6°,系統(tǒng)最大誤差幅值僅為90.6 N,ELLS加載精度進(jìn)一步提高。
5.2.2 3 Hz同步加載實驗
令舵機作0.5 mm/3 Hz的正弦運動,令ELLS作2 000 N/3 Hz的同步正弦加載。由于篇幅所限,此處僅對方案1與方案4進(jìn)行實驗,實驗結(jié)果如圖12所示。
圖12 3 Hz同步加載實驗結(jié)果Fig.12 Synchronous loading experimental results at 3 Hz
如圖12(a)所示,僅采用PID控制(方案1)的ELLS加載曲線在力波峰處出現(xiàn)了較為明顯的抖動,另外,系統(tǒng)低速運行時摩擦造成的相位滯后也較為明顯,加載誤差幅值較大,相位誤差最大處可達(dá)14.3°;如圖12(b)所示,采用方案4的ELLS加載波形在波峰處的抖動明顯減少,其次,系統(tǒng)的最大相位誤差被減少至9.4°,誤差幅值明顯降低。通過兩次實驗對比,采用了摩擦前饋與變增益PID控制的ELLS加載精度進(jìn)一步提升,能夠?qū)崿F(xiàn)較高精度的力跟蹤。
為進(jìn)一步提高ELLS加載精度,本文針對ELLS中存在的摩擦現(xiàn)象進(jìn)行了分析與研究。主要得出以下結(jié)論:
1)采用仿真與實驗的方法分析摩擦對ELLS加載精度的影響,分析結(jié)果說明摩擦?xí)鹣到y(tǒng)在低速換向時的加載波形抖動以及相位滯后。
2)為抑制摩擦對ELLS的影響,提出了摩擦前饋補償與變增益PID控制的混合控制方法,仿真證實了所提出控制策略的合理性,且實驗結(jié)果表明:與傳統(tǒng)PID控制相比,采用摩擦前饋與變增益PID混合控制的ELLS加載波形波峰處的抖動被抑制、加載誤差明顯減少,且相位滯后降低;該混合控制方法能夠較好地抑制摩擦在低速換向時對ELLS的影響,提高了系統(tǒng)加載精度。