能量天平懸掛線圈姿態(tài)調整方法研究

甘 偉, 曾 濤, 白 洋, 李正坤, 王 越

(1.中國計量大學 機電工程學院，浙江 杭州 310018；2.中國計量科學研究院，北京 100029)

1 引 言

2019年5月20日起,質量單位千克實現(xiàn)了基于普朗克常數(shù)的量子化定義[1,2]。目前,國際上將質量單位千克溯源至普朗克常數(shù)的主要方案有硅球法、功率天平法與能量天平法,其中能量天平法是我國自主提出的千克復現(xiàn)方案[3～6]。該方案基于通電線圈電磁力做功與線圈電磁能變化之間的能量平衡的原理,建立了普朗克常數(shù)h和砝碼質量m的關系[7～9]。該能量平衡的建立是基于理想準直狀態(tài),即懸掛線圈受到的電磁力方向與砝碼重力方向平行且電磁力作用線通過砝碼質心。但在實際情況下,懸掛線圈總會與水平面之間存在夾角,使得電磁力在水平方向上存在力分量并在線位移上額外做功;此外,通電線圈所產生的電磁力作用點如果與砝碼重力的作用點存在偏心距,使得電磁力在懸掛線圈上存在轉矩并在角位移上額外做功,由此而引入的一系列誤差被稱為準直誤差[10～12]。準直誤差是制約能量天平相對測量不確定度優(yōu)于2×10-8的主要因素之一,線圈的中心位置可以通過高精度位移平臺調整,但姿態(tài)控制因存在強耦合作用而難以實現(xiàn)精密控制;并且當電機運動方向向下時,電機與電機提升機構之間接觸不緊密,使得線圈上電前后姿態(tài)變化較大,影響姿態(tài)調整的準確性。抑制準直誤差的關鍵是精密調整懸掛線圈姿態(tài)逼近至絕對水平,即在保證線圈中心位置不變的情況下,線圈與水平面間的夾角小于1 μrad。

對于懸掛線圈的姿態(tài)調整方法,各個開展功率天平項目的計量機構也進行過相關的研究。加拿大國家研究委員會(NRC)在其功率天平利用手動調整線圈上端3根支架的長度進而改變懸掛線圈姿態(tài),雖然該結構簡單可靠,但一次調整周期時間過長,控制精度過度依賴操作人員動作精細度,且無法在真空中對線圈姿態(tài)進行實時調整,存在真空-空氣環(huán)境下的線圈姿態(tài)的不一致問題[13]。美國標準技術研究院(NIST)在其NIST-4通過增加三腳架配重從而改變懸掛系統(tǒng)重心來達到改變懸掛線圈姿態(tài)的目的,該方法雖然操作簡單,但同樣無法于真空環(huán)境中對線圈姿態(tài)進行實時調整,存在線圈準直狀態(tài)漂移的問題[14]。能量天平是通過調節(jié)懸掛系統(tǒng)中3路壓電陶瓷電機來改變3路連桿長度,進而帶動懸掛線圈姿態(tài)發(fā)生變化[15],雖然實現(xiàn)了在真空中對線圈姿態(tài)的初步可調,但3路連桿的調整之間存在相互耦合,即在實際調整過程中,當調整單路連桿長度時,另外兩路連桿長度同樣會發(fā)生變化;同時為了保證線圈姿態(tài)調整的有效性,對于電機運動有著較強的約束,這種耦合及約束情況極大地影響了線圈水平姿態(tài)的調整效率。

本文基于能量天平電磁特性及力學特性,通過采集線圈在絕對水平附近的姿態(tài)控制實驗數(shù)據(jù),利用遞推最小二乘法(RLS)得到線圈姿態(tài)離散狀態(tài)空間模型[16]。在此基礎上,基于能量天平懸掛系統(tǒng)初始位姿與寄生位移之間的數(shù)學模型[10],通過基于狀態(tài)空間的模型預測控制(MPC)[17]將線圈姿態(tài)補償逼近至絕對水平。該研究將提高懸掛線圈姿態(tài)調整效果,抑制準直狀態(tài)不理想引入的測量不確定度,進而對降低能量天平裝置的整體測量不確定度起到重要技術支撐。

2 懸掛線圈姿態(tài)系統(tǒng)

在能量天平中,懸掛線圈通過3根120°對稱的碳素纖維連桿與上端的三角架連接,三角架與連桿之間通過壓電陶瓷電機提升機構連接,整個懸掛線圈下端裝有3路120°對稱的角錐反射鏡。3個角錐反射鏡的軸線與相應的連桿軸線重合,3路激光干涉儀通過測量這3個角錐反射鏡的位置來判斷懸掛線圈姿態(tài)。通過調節(jié)上端3路壓電陶瓷電機伸長量來改變連桿末端位置,進而改變懸掛線圈水平姿態(tài),懸掛線圈姿態(tài)調整系統(tǒng)裝置如圖1所示。

圖1 懸掛線圈姿態(tài)調整裝置Fig.1 Suspension coil attitude adjustment device

能量天平的懸掛結構雖然能在真空環(huán)境下實現(xiàn)線圈姿態(tài)的初步實時調整,但對于懸掛線圈姿態(tài)精密調整,目前仍存在以下兩方面問題。一方面,水平姿態(tài)以及3路連桿之間存在相互耦合,即當調整繞x軸的角度θx時,繞y軸的角度θy同樣發(fā)生變化。這是因為當調整單路連桿位移時,另外兩路連桿由于耦合同樣產生位移,如圖2所示,在控制1路連桿位移z1運動30 μm時,第2、3路連桿豎向位移z2、z3變化量可達15 μm,影響了線圈姿態(tài)調整準確性。另一方面,為了保證線圈姿態(tài)調整的有效性,即線圈姿態(tài)上電前后的一致性,對電機運動方向及線圈在豎直方向上的中心位置有著較強的約束。首先,3路電機最后一次運動方向須保持向上;其次,為了避免引入電機回程差,在調整過程中3路電機運動方向須保持不變;最后,在線圈中心位置不變的情況下,姿態(tài)調整至水平,即線圈絕對水平姿態(tài)唯一。

為了實現(xiàn)線圈姿態(tài)的精密控制,首先通過系統(tǒng)辨識在線圈姿態(tài)絕對水平附近建立離散狀態(tài)空間模型;然后初步調整線圈至絕對水平位置下方,此時3路連桿位置在目標位置下方;最后,通過狀態(tài)空間模型預測控制調整線圈姿態(tài)逼近至絕對水平,狀態(tài)空間模型預測控制能夠處理輸入輸出約束的同時實現(xiàn)對線圈姿態(tài)的解耦控制,從而達到準直誤差補償?shù)哪康摹?/p>

3 懸掛線圈姿態(tài)控制模型

根據(jù)懸掛系統(tǒng)姿態(tài)調整裝置可得懸掛線圈姿態(tài)調整坐標系如圖3所示。圖3中L1、L2、L3分別為3路激光干涉儀的測量位置。

圖3 線圈姿態(tài)調整坐標示意圖Fig.3 The coordinate diagram of coil attitude adjustment

令3路執(zhí)行機構引入的桿長變化量分別為Δz1、Δz2、Δz3,根據(jù)坐標軸與懸掛線圈之間的幾何關系,當懸掛線圈水平姿態(tài)的調整量為(Δθx, Δθy)時可得[12]:

(1)

(2)

式中r為懸掛線圈半徑。

將式(1)、式(2)進一步寫成絕對式矩陣形式:

(3)

式中:θx、θy為線圈繞x、y軸的角度,z1、z2、z3為3路連桿位置,由式(3)可知線圈姿態(tài)與3路連桿位置之間關系。

3.1 離散狀態(tài)空間模型

懸掛線圈姿態(tài)調整系統(tǒng)輸入為3路壓電陶瓷電機伸長量,輸出為線圈水平姿態(tài),狀態(tài)變量為3路連桿位置,可以通過3路激光干涉儀測得。將離散狀態(tài)空間模型作為能量天平懸掛線圈姿態(tài)控制系統(tǒng)模型:

X(k+1)=AX(k)+BU(k)

(4)

Y(k)=CX(k)+DU(k)

(5)

式中:A,B∈R3×3,C∈R2×3,R3×3和R2×3分別表示3×3和2×3實數(shù)矩陣;Y(k)=[θxθy]T為懸掛線圈當前時刻水平姿態(tài)輸出,懸掛線圈在豎直方向旋轉角度相比于水平方向上旋轉角度幾乎可以忽略不計;X(k)=[z1(k)z2(k)z3(k)]T為當前3路連桿位置,U(k)為當前3路壓電電機輸入,U(k)=[u1(k)u2(k)u3(k)]T;X(k+1)為下一時刻3路連桿位置;式(5)中C、D由式(3)可知,此時系統(tǒng)未知參數(shù)為系數(shù)矩陣A、B。

3.2 模型參數(shù)辨識

系統(tǒng)辨識是獲得復雜數(shù)學模型的主要方法,能量天平整體的復雜性使得對懸掛線圈姿態(tài)控制系統(tǒng)進行機理建模十分困難,且實際姿態(tài)調整過程中,系統(tǒng)具有強耦合、不確定性等特點,使用系統(tǒng)辨識法建模更為方便。設待辨識參數(shù):

由遞階辨識[18]原理可知多輸入多輸出系統(tǒng)(MIMO)可以分解成多個子系統(tǒng)來進行單獨辨識,將式展開后第j個子系統(tǒng)輸出可表示為:

zj(k)=aj1z1(k-1)+aj2z2(k-1)

+aj3z3+bj1u1(k-1)

+bj2u2(k-1)+bj3u3(k-1)

(6)

式中:zj(k)為第j個連桿的當前時刻的絕對位置。

定義觀測數(shù)據(jù)向量φ(k)和待辨識參數(shù)θj:

φ(k)=[z1(k-1)z2(k-1)z3(k-1)

u1(k)u2(k)u3(k)]

(7)

θj=[aj1aj2aj3bj1bj2bj3]T

(8)

得到式(6)的最小二乘辨識模型:

zj(k)=φ(k)θj

(9)

定義子系統(tǒng)的極小化誤差準則函數(shù):

(10)

式中:t為連桿位置的觀測次數(shù)。令其導數(shù)為零,得其最小二乘估計為:

(11)

定義:

(12)

此時RLS可表示為:

(13)

利用RLS得到子系統(tǒng)的模型參數(shù),然后通過新數(shù)據(jù)驗證模型參數(shù)辨識的準確性。其中某個子系統(tǒng)的模型輸出與實際輸出如圖4所示。

圖4 子系統(tǒng)模型擬合圖Fig.4 Subsystem model fitting diagram

由圖4可知,子系統(tǒng)模型輸出曲線與實際輸出曲線基本重合,誤差在±0.5 μm內,說明利用RLS得到的子系統(tǒng)模型準確。利用RLS將子系統(tǒng)逐個辨識完成后,原系統(tǒng)的未知參數(shù)也全部辨識完畢。當系統(tǒng)數(shù)學模型已知時,式(4)進一步化簡后有

U(k)=B-1X(k+1)-B-1AX(k)

(14)

當已知當前連桿位置及目標連桿位置,控制量由式可知,就可以初步調整線圈至目標位置整體下方,再通過MPC調整姿態(tài)逼近至絕對水平。

3.3 狀態(tài)空間模型預測控制

MPC是基于系統(tǒng)模型預測系統(tǒng)未來一段時間內系統(tǒng)狀態(tài),并通過二次規(guī)劃確定在系統(tǒng)約束下的輸入最優(yōu)解,同時通過預測控制能夠實現(xiàn)系統(tǒng)的解耦控制。懸掛線圈在姿態(tài)調整時先根據(jù)目標姿態(tài)求解目標3路連桿位置,再以3路連桿位置為實際輸出,此時系統(tǒng)離散狀態(tài)空間方程為:

Z(k+1)=AZ(k)+BU(k)

(15)

式中:Z(k)=C-1Y(k)為3路連桿當前時刻位置。定義Z(k|k)為k時刻預測的狀態(tài)值;Z(k+N|k)為k時刻預測的未來第N個時刻的狀態(tài)值;U(k|k)為k時刻預測的系統(tǒng)輸入,U(k+N|k)為k時刻預測的未來第N個時刻的系統(tǒng)的輸入值。則在未來N個時刻內有:

(16)

令:

則式(16)可表示為:

Zk=MZ(k)+DUk

(17)

式中:Zk∈R3(N+1)×1為3路連桿未來N個時刻下的輸出序列;Uk∈R3N×1為未來N個時刻下的輸入序列;M∈R3(N+1)×3,C∈R3(N+1)×3N為系數(shù)矩陣。

設最終目標輸出參考值:

Zref=[zref1zref2zref3]T

(18)

定義極小化函數(shù):

·Q(Z(k+i|k)-Zref)

+U(k+i|k)TRU(k+i|k)}

+(Z(k+N|k)-Zref)T

·F(Z(k+N|k)-Zref)

(19)

式中:Q=diag[q1q2q3]為誤差權重矩陣,Q∈R3×3;R=diag[r1r2r3]為輸入權重矩陣,R∈R3×3;F=diag[f1f2f3]為最終誤差權重矩陣,F∈R3×3。

進一步化簡,可得:

(20)

將式(17)代入式(20),化簡可得:

(21)

進一步簡化得到MPC的代價函數(shù)二次型標準形式為:

(22)

輸入約束可表示為:

Umin≤U≤Umax

(23)

結合式與式可求出未來N個時刻下輸入的最優(yōu)值,然后將未來第1個時刻輸入的最優(yōu)值作用于系統(tǒng),再根據(jù)當前時刻位置重新求解輸入未來N個時刻的最優(yōu)值,重復上述過程直至調整至目標姿態(tài)。綜上可以將懸掛線圈姿態(tài)控制問題轉化為帶約束的優(yōu)化求解問題。

4 仿真與測試結果分析

4.1 線圈姿態(tài)控制仿真實驗

設辨識得到的系統(tǒng)模型參數(shù)為:

線圈姿態(tài)調整過程中,為了使得線圈姿態(tài)引入的準直誤差最小化,線圈目標姿態(tài)為絕對水平即3路連桿的目標位置全為0 μm處。同時為了滿足電機最終運動方向向上且控制過程中不存在反向的輸入約束條件,在目標位置下方任意設定3路連桿初始位置分別為-4、-8、-15 μm。使用狀態(tài)空間模型預測控制對系統(tǒng)進行控制,3路連桿位置和水平姿態(tài)變化仿真結果如圖5所示。

圖5 桿位置變化和線圈水平姿態(tài)變化Fig.5 Changes in rod position and coil horizontal attitude

由圖5可以看出,3路連桿位置z1、z2、z3及線圈水平姿態(tài)θx、θy快速變化至穩(wěn)定,系統(tǒng)的穩(wěn)定性強,3路連桿位置控制誤差小于0.2 μm,水平姿態(tài)控制誤差小于0.4 μrad。通過MPC可以快速調整線圈姿態(tài)逼近至理想狀態(tài),從而能夠很好地抑制由于線圈姿態(tài)產生的準直誤差。

4.2 實驗結果分析

為了證實狀態(tài)空間模型預測控制的有效性,將該方法運用到實際線圈姿態(tài)控制過程中。在目標位置下方任意選定初始3路連桿位置分別為-3.36、-7.46、-11.57 μm,調整線圈姿態(tài)至絕對水平即3路連桿目標位置全為0 μm處。3路連桿位置及線圈水平姿態(tài)變化實驗數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 桿位置變化和線圈水平姿態(tài)變化Fig.6 Changes in rod position and coil horizontal attitude

由圖6可知, MPC能夠快速有效調整3路連桿及線圈姿態(tài)逼近至目標狀態(tài),系統(tǒng)輸出中心位置基本穩(wěn)定,3路連桿位置控制誤差小于0.2 μm,水平姿態(tài)控制誤差小于0.8 μrad,證明了MPC運用在能量天平懸掛線圈姿態(tài)調整上的有效性。選定10個不同的線圈初始姿態(tài),重復調整線圈至絕對水平姿態(tài),最終3路連桿位置控制誤差e1、e2、e3及水平姿態(tài)控制誤差ex、ey如表1所示。

表1 連桿位置與線圈姿態(tài)控制誤差Tab.1 Link positon and coil attitude control errors

由表1的數(shù)據(jù)可知:3路連桿位置控制誤差均小于0.22 μm,線圈水平姿態(tài)控制誤差均小于0.98 μrad,3路連桿位置在0.25 μm、線圈姿態(tài)在1 μrad的誤差內能夠逼近至絕對水平,滿足線圈姿態(tài)控制要求。實驗表明,MPC能夠很好地調整能量天平懸掛線圈姿態(tài)逼近至絕對水平,抑制由于線圈姿態(tài)引入的準直誤差。

5 結 論

能量天平中懸掛線圈姿態(tài)的初始姿態(tài)不理想是準直誤差的主要來源,對線圈姿態(tài)進行精密的控制是抑制準直誤差的關鍵。針對線圈姿態(tài)控制存在強耦合無法精確調整的問題,本文基于能量天平力學特性,通過系統(tǒng)辨識在線圈姿態(tài)絕對水平位置附近建立相關的離散狀態(tài)空間模型,并利用狀態(tài)空間模型預測控制調整線圈姿態(tài)逼近至絕對水平。最終3路連桿控制準確度優(yōu)于0.25 μm,姿態(tài)控制準確度優(yōu)于1 μrad,能夠滿足線圈姿態(tài)控制要求,為準直誤差地抑制提供了重要的技術支持。