本發(fā)明屬于電力電子與電機控制領域，具體涉及到一種基于輸入輸出反饋線性化伺服壓力機控制方法。

背景技術：

1、傳統(tǒng)的伺服壓力機中電機控制方法主要是級聯(lián)式的磁場定向控制，傳統(tǒng)的級聯(lián)式磁場定向控制是采用位置環(huán)pi、速度環(huán)pi、電流環(huán)pi，再加上坐標變換矩陣和svpwm進行控制，因此傳統(tǒng)伺服壓力機控制方法存在以下問題：

2、(1)伺服壓力機的模型中轉動慣量是典型的非線性，該問題會影響pi參數(shù)對系統(tǒng)的調節(jié)響應；

3、(2)如果單純依靠運動學關系，不考慮力的關系傳遞和加速度的傳遞，只考慮位置的對應關系，系統(tǒng)的軌跡跟蹤控制精度會變差。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為解決現(xiàn)有技術的不足，提供一種基于輸入輸出反饋線性化伺服壓力機控制方法。

2、本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的：

3、一種基于輸入輸出反饋線性化伺服壓力機控制方法，其特征在于：包括如下步驟：

4、步驟一：采用拉格朗日方程建立伺服壓力機的動力學方程。

5、步驟二：將步驟一得到的伺服壓力機的動力學方程按照微分同胚變換的仿射非線性系統(tǒng)進行表述，對輸出函數(shù)y逐步求導，直至出現(xiàn)輸入u，設計狀態(tài)反饋v來消除非線性項，計算得到系統(tǒng)的非線性狀態(tài)反饋表達式。

6、步驟三：采用廣義預測控制算法作為整個系統(tǒng)的控制策略，控制模型采用受控自回歸積分滑動平均過程模型，利用丟番圖方程，得到廣義預測控制算法的狀態(tài)反饋v。

7、步驟四：將步驟三得到的狀態(tài)反饋v代入步驟二系統(tǒng)的非線性狀態(tài)反饋表達式得到u，用u除以減速機的減速比，得到電機給定轉矩te*，通過電機給定轉矩te*計算得到第k+1時刻電機的給定電流。

8、步驟五：根據(jù)定子電壓方程計算第k+1時刻交軸電流的反饋值和第k+1時刻直軸電流的反饋值。

9、步驟六：將第k+1時刻電機的給定電流、第k+1時刻交軸電流的反饋值、第k+1時刻直軸電流的反饋值帶入到模型預測電流控制一次價值函數(shù)中，并將模型預測電流控制一次價值函數(shù)取得最小值的電壓矢量作用于功率模塊，輸出pwm波控制電機運行。

10、作為優(yōu)選方案：

11、所述步驟一中，

12、利用拉格朗日方程建立伺服壓力機的動力學方程：

13、

14、其中，τc是曲柄負載轉矩；m(θc)是慣性系數(shù)；n(θc)是壓力機的離心系數(shù)；為曲柄反饋角加速度；是曲柄反饋角速度。

15、所述步驟二具體包括以下步驟：

16、將伺服壓力機的動力學方程經(jīng)過變形可得：

17、

18、然后將公式(35)按照微分同胚變換的仿射非線性系統(tǒng)進行表述如下：

19、

20、y＝h?(36)，

21、其中，h＝[x1](40)；u＝[τc](42)；其中，f和g是二階系統(tǒng)上的光滑向量場；h是二階系統(tǒng)上的光滑的標量函數(shù)；

22、對輸出函數(shù)y逐步求導，直至出現(xiàn)輸入u，

23、

24、設計狀態(tài)反饋v：

25、

26、其中，β0、β1、β2均為配置參數(shù)；其中，

27、

28、得到系統(tǒng)的非線性狀態(tài)反饋表達式：

29、

30、其中，

31、所述步驟三具體包括以下步驟：

32、狀態(tài)反饋v的公式(53)可變換得到：

33、

34、將線性化后的系統(tǒng)式(55)經(jīng)過拉式變換，可得傳遞函數(shù)為：

35、

36、以采樣周期t對其采樣保持，可由公式(56)得到離散傳遞函數(shù)：

37、

38、其中，b(z-1)＝b1z-1+b2z-2(62)；a(z-1)＝1+a1z-1+a2z-2(63)；a1、a2、b1、b2均為常數(shù)；ts表示控制周期；

39、控制模型采用受控自回歸積分滑動平均過程模型，受控自回歸積分滑動平均過程模型表達式為：

40、

41、其中，ξ表示均值為零，方差為σ2的白噪聲；y(k)表示θc在k時刻的值；δ＝1-z-1；v(k-1)表示k-1時刻的v值；c(z-1)＝1；

42、利用丟番圖方程可以得到領先j時刻的系統(tǒng)輸出預測值，選擇如下丟番圖方程：

43、1＝ej(z-1)a(z-1)δ+z-jfj(z-1)(65)，

44、其中，ej(z-1)和fj(z-1)表示為由a(z-1)唯一決定的多項式，且預測長度為j；z-j表示離散域內滯后j個周期；

45、為了將k時刻以前和k時刻以后的輸入控制信息分開表示，選擇如下丟番圖方程：

46、ej(z-1)b(z-1)＝lj(z-1)+z-jhj(z-1)?(66)，

47、其中，lj(z-1)和hj(z-1)表示為由ej(z-1)b(z-1)唯一確定的多項式；

48、利用公式(64)和丟番圖方程(65)和(66)可得到下式：

49、y(k+j)＝lj(z-1)δv(k+j-1)+hj(z-1)δv(k-1)+fj(z-1)y(k)?(67)，

50、其中，y(k+j)表示領先j時刻的y值；v(k+j-1)表示領先j-1時刻的v值；v(k-1)表示k-1時刻的v值；

51、廣義預測控制二次價值函數(shù)j表達式為：

52、

53、其中，n0表示系統(tǒng)第一步預測長度，n0＝1；n1表示系統(tǒng)預測長度；nu表示輸入控制長度；λ表示權重因子；y*表示所希望的系統(tǒng)輸出目標值；

54、將公式(67)代入公式(68)，然后讓n1＝1，j＝1，可得到公式(69)：

55、

56、其中，f＝hj(z-1)δv(k-1)+fj(z-1)y(k)(70)；右上角的t均表示轉置的意思；

57、從公式(69)取最小值，可進一步得到狀態(tài)反饋v的計算式：

58、v(k)＝v(k-1)+(ljtlj+λ)-1ljt(y*-f)?(71)，

59、其中，v(k)表示k時刻v的值。

60、所述步驟五具體步驟為：

61、定子電壓方程為：

62、

63、其中：

64、ψd＝ldid+ψf?(76)，

65、ψq＝lqiq?(77)，

66、上述，vd是直軸電壓；vq是交軸電壓；id是直軸電流；iq是交軸電流；r是定子電阻；ωe是電角速度；ψd是直軸定子磁鏈；ψq是交軸定子磁鏈；ψf是永磁體磁鏈；ld是直軸電感；lq是交軸電感；

67、根據(jù)所述定子電壓方程，利用歐拉前向逼近法則，利用第k時刻的電流值可計算得到第k+1時刻電流值：

68、

69、其中，iq(k)為第k時刻交軸電流的反饋值；iq(k+1)為第k+1時刻交軸電流的反饋值；id(k)為第k時刻直軸電流的反饋值；id(k+1)為第k+1時刻直軸電流的反饋值；ts為控制周期；vd(k)是第k時刻直軸電壓；vq(k)是第k時刻交軸電壓。

70、所述步驟六中，模型預測電流控制一次價值函數(shù)為：

71、g＝|iq*(k+1)-iq(k+1)|+|id*(k+1)-id(k+1)|?(82)，

72、其中，id*(k+1)表示第k+1時刻直軸電流的給定值，id*(k+1)＝0。

73、本發(fā)明的有益效果：

74、本發(fā)明對伺服壓力機進行動力學模型建模，采用輸入輸出反饋線性化的非線性系統(tǒng)控制方法，將具有仿射非線性系統(tǒng)的動力學模型轉換為線性動力學模型，采用廣義預測控制算法作為整個系統(tǒng)的控制策略，控制模型采用受控自回歸積分滑動平均過程模型，通過線性控制方法完成對伺服壓力機的精確軌跡控制，控制精度顯著提高，并且適用各類傳動結構的伺服壓力機。