與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比,永磁同步直線電機(jī)(permanent magnet linear synchronous motor,PMLSM)不需要任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu),直接將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,因而具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高精確度、高速度和低維護(hù)等優(yōu)點(diǎn),在機(jī)器人、半導(dǎo)體制造、高精度數(shù)控機(jī)床和X-Y驅(qū)動(dòng)設(shè)備等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[1-2]。然而,正是由于其直線結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和缺少中間緩沖環(huán)節(jié),各種干擾,如推力波動(dòng)、摩擦力等直接作用于PMLSM,使得PMLSM對(duì)干擾更為敏感。在使用PMLSM驅(qū)動(dòng)的高精度數(shù)控機(jī)床中,干擾會(huì)使系統(tǒng)的伺服性能降低,產(chǎn)生振蕩增加能量損耗,導(dǎo)致加工的產(chǎn)品表面出現(xiàn)劃痕,甚至使產(chǎn)品報(bào)廢[3]。因此,與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比,PMLSM對(duì)干擾抑制的質(zhì)量要求更高,難度也更大。抑制干擾對(duì)PMLSM系統(tǒng)的影響,國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究工作。復(fù)合前饋 PID控制方法[4],采用固定參數(shù)模型對(duì)PMLSM進(jìn)行速度、加速度補(bǔ)償,可顯著提高系統(tǒng)的跟蹤精度,但該方法的跟蹤效果受模型參數(shù)估計(jì)誤差影響較大,魯棒性欠佳,且不能消除干擾影響,其跟蹤精度也有限。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)逆模型控制方法[5],采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建控制對(duì)象的逆模型,具有較好的跟蹤性和魯棒性,但該方法中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)把PMLSM與干擾作為一個(gè)整體進(jìn)行學(xué)習(xí)時(shí),往往會(huì)忽略對(duì)高頻干擾部分的補(bǔ)償,實(shí)際上,主要還是對(duì)PMLSM系統(tǒng)進(jìn)行了速度、加速度補(bǔ)償,系統(tǒng)依然會(huì)受干擾的影響。自適應(yīng)前饋控制與PID控制相結(jié)合的控制方法[6],通過(guò)對(duì)誤差信號(hào)作頻譜分析得出推力波動(dòng)所包含的主要諧波,在前饋補(bǔ)償中植入“木馬”的方法來(lái)減少推力波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)影響,具有較好的控制效果,但該方法采用離線方式對(duì)誤差信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換分析時(shí),只能得到干擾的頻域信息,而無(wú)任何時(shí)域信息,因此并不能完全地實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾的在線估計(jì)與補(bǔ)償。
文獻(xiàn)[7-8]在建立直線電機(jī)干擾觀測(cè)器模型的基礎(chǔ)上,提出了一種有效消除干擾的方法,較好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)直線電機(jī)位置的精密控制。
該文采用“分而治之”的思想,在復(fù)合前饋PID控制的基礎(chǔ)上,提出了一種基于小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制方法:1)用固定參數(shù)模型對(duì)PMLSM系統(tǒng)進(jìn)行速度、加速度補(bǔ)償;2)推力波動(dòng)、摩擦力等干擾及固定參數(shù)模型不精確所造成的誤差主要由小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在線估計(jì)進(jìn)行補(bǔ)償。所提出的基于小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法有效地提高了PMLSM系統(tǒng)的跟蹤性及魯棒性,較好地消除了干擾的影響。
PMLSM的干擾主要包括由端部效應(yīng)、齒槽效應(yīng)、初級(jí)電流和反電動(dòng)勢(shì)存在高次諧波及氣隙磁密波形非正弦性所引起的推力波動(dòng)和摩擦力等[9-10]。
考慮干擾影響,PMLSM的電壓及動(dòng)力學(xué)方程[11]可表示為
其中:uq(t)、iq(t)分別為PMLSM的q軸驅(qū)動(dòng)電壓及q軸電樞電流;f(t)為電磁推力;fr(x) 、ff()為推力波動(dòng)及摩擦力;fΔ為不確定性干擾,如電機(jī)參數(shù)擾動(dòng)和系統(tǒng)噪音所造成的影響等;Ke、R、L、Kf、M、x及x·分別為電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)、電阻、電感、推力常數(shù)、動(dòng)子質(zhì)量、電機(jī)位移及速度。
推力波動(dòng)fr(x)是與電機(jī)位移x有關(guān)的周期性波動(dòng)函數(shù),其模型[12]可描述為
式中:ai為推力波動(dòng)的幅值;ωi為以電機(jī)位移為變量的角速度;φi為相位角。
摩擦力ff()的模型[12]可描述為
其中:fm為靜態(tài)摩擦力;fc為庫(kù)侖摩擦力為動(dòng)子速度;fv為粘滯摩擦系數(shù)為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。
此外,式(1)中,相對(duì)于電阻R值,電感L值很小,參考文獻(xiàn)[6]、[11]與[12],文獻(xiàn)將其忽略不計(jì),則PMLSM的動(dòng)力學(xué)方程可表示為
令a=則PMLSM系統(tǒng)模型如圖1所示,表現(xiàn)為一個(gè)強(qiáng)非線性、多變量的伺服系統(tǒng)。
圖1 PMLSM系統(tǒng)模型Fig.1 System model of PMLSM
在高精度伺服系統(tǒng)中,復(fù)合控制系統(tǒng)可極大地提高系統(tǒng)的跟蹤精度。其基本思想為:在系統(tǒng)中引入前饋環(huán)節(jié),使之與閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)之積為1,從而使系統(tǒng)的輸出能夠完全復(fù)現(xiàn)輸入[13],其結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 復(fù)合前饋控制結(jié)構(gòu)Fig.2 Frame diagram of a feedforward composite control
在圖2中,當(dāng)Gf(s)=1/G(s)時(shí),電機(jī)輸出位移x(s)可復(fù)現(xiàn)位置輸入信號(hào)x*(s),達(dá)到理想的跟蹤性能。但實(shí)際系統(tǒng)中的模型參數(shù)的精確值是不可能得到的,且系統(tǒng)仍然不可避免地受到干擾的影響。
在復(fù)合前饋PID控制的基礎(chǔ)上,利用小波函數(shù)對(duì)非平穩(wěn)信號(hào)和非線性函數(shù)逐步精細(xì)描述的強(qiáng)逼近特點(diǎn),采用小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在線估計(jì)、補(bǔ)償推力波動(dòng)、摩擦力等干擾以及補(bǔ)償前饋環(huán)節(jié)中,由于采用固定參數(shù)模型的不精確所造成的誤差。該文所設(shè)計(jì)的PMLSM控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。
由圖3設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)可得,控制電壓u=up+uf+ud。up為PID控制器的輸出電壓值,為系統(tǒng)的反饋誤差控制器,e為系統(tǒng)的位置跟蹤誤差,可得
其中,P、TI和TD分別為比例系數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)和微分時(shí)間常數(shù)。
圖3 PMLSM控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Frame diagram of control for PMLSM system
uf為根據(jù)電機(jī)逆模型,采用固定參數(shù)進(jìn)行速度、加速度補(bǔ)償電壓值,使系統(tǒng)的跟蹤精度得到顯著提高,其中,a*和b*值可根據(jù)電機(jī)給定的額定參數(shù)計(jì)算獲得,也可通過(guò)實(shí)驗(yàn)辨識(shí)獲得,其輸出值為
由式(8)可得,控制系統(tǒng)適應(yīng)于連續(xù)可微的位置輸入跟蹤信號(hào),如正弦波等,如要跟蹤不可微信號(hào),如三角波,可用不完全微分法近似代替。
根據(jù)PMLSM的動(dòng)力學(xué)方程,如式(6)所示,當(dāng)uf為系統(tǒng)進(jìn)行速度、加速度補(bǔ)償后,系統(tǒng)的跟蹤精確度可得到顯著提高,則影響系統(tǒng)跟蹤性能的主要因素集中于推力波動(dòng)、摩擦力等干擾以及固定參數(shù)模型不精確造成的擾動(dòng)等,可由小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)WNN的輸出值ud進(jìn)行補(bǔ)償,其學(xué)習(xí)信號(hào)為反饋誤差控制器PID的輸出值up,輸入信號(hào)為電機(jī)位移x,目的是使得系統(tǒng)的反饋誤差值趨于一個(gè)較小值,從而達(dá)到進(jìn)一步提高系統(tǒng)跟蹤精度目的。TDL(Tapped Delay Line)為多分頭時(shí)延單元。因此,在該系統(tǒng)中,WNN的作用主要有兩個(gè):1)估計(jì)推力波動(dòng)、摩擦力等干擾,實(shí)現(xiàn)在線補(bǔ)償;2)補(bǔ)償前饋環(huán)節(jié)中固定參數(shù)模型不精確所造成的誤差。
小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中小波函數(shù)的選擇,目前仍無(wú)統(tǒng)一的理論確定哪類小波函數(shù)適合做不同網(wǎng)絡(luò)中神經(jīng)元的激勵(lì)函數(shù),主要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際情況。該文選取了在函數(shù)逼近方面應(yīng)用較多的一維墨西哥草帽函數(shù)[14-15],即
證明:Ψ(x)=(1 -x2)的傅里葉變換為
顯然此函數(shù)滿足
則由式(11)可得Ψ(x)滿足母小波函數(shù)條件。令
其中,a和b分別為伸縮參數(shù)和平移參數(shù)。借鑒文獻(xiàn)[16]中定理2,通過(guò)適當(dāng)?shù)倪x擇a和b,{Ψmn(x)}亦可以構(gòu)成L2(R)上的框架,即
PMLSM中的推力波動(dòng)為連續(xù)函數(shù),故采用一維墨西哥草帽函數(shù)構(gòu)成的小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以任意精度實(shí)現(xiàn)對(duì)推力波動(dòng)信號(hào)的逼近。
證畢。
考察式(5)摩擦模型可得,摩擦力在速度x·=0是不連續(xù)的。根據(jù)定理1可得,采用一維墨西哥草帽函數(shù)構(gòu)成的小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可任意精確度逼近摩擦力的連續(xù)部分,但對(duì)不連續(xù)部分則無(wú)法有效逼近,其誤差主要通過(guò)反饋誤差控制環(huán)節(jié)來(lái)抑制。
與徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相同,小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用3層前向網(wǎng)絡(luò)。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4 小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.4 Frame diagram of wavelet neural network
圖4 中,輸入變量 X=[x1,x2,…,xn]T為電機(jī)的位移量,隱含層中的基向量為 ψ =[ψ1,ψ2,…ψm]T,激勵(lì)函數(shù)使用一維墨西哥草帽小波函數(shù)得
式中:bj=[bj1,bj2,…,bjn]T為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)j的移位參數(shù);aj=[a1,a2,…,am]T為節(jié)點(diǎn)j的伸縮參數(shù),網(wǎng)絡(luò)輸出層的權(quán)向量為 Wm=[ω1,ω2,…,ωj,…,ωm]T。
根據(jù)圖3中設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)圖,WNN的輸入變量為X=[x(k-1),x(k-2),…,x(k-n)]T,網(wǎng)絡(luò)輸出為
學(xué)習(xí)信號(hào)為反饋誤差控制器PID的輸出值,即
根據(jù)反饋誤差學(xué)習(xí)方法[17-18],可避免使用 Jacobian信息。同時(shí)根據(jù)梯度下降法,輸出權(quán)值、伸縮參數(shù)及平移參數(shù)的迭代算法分別如下(η為學(xué)習(xí)速率,α為動(dòng)量因子),即
與小波函數(shù)的選擇相同,小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)的確定和參數(shù)初始化尚無(wú)統(tǒng)一的理論參考。從理論上講,隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)越多,網(wǎng)絡(luò)的逼近精度越高,但網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。因此,需要在逼近精度和結(jié)構(gòu)復(fù)雜度之間進(jìn)行折中[16]。參數(shù)初始化主要是對(duì)伸縮參數(shù)、平移參數(shù)和權(quán)值進(jìn)行初始化,其大小直接影響網(wǎng)絡(luò)的收斂性和逼近精度。文獻(xiàn)[16]提出伸縮參數(shù)初始化主要考慮處理函數(shù)的極值,平移參數(shù)主要取函數(shù)時(shí)域邊界之間的均值,權(quán)值初始化則同一般神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)完全一樣,其收斂速度較快。實(shí)際上,只是憑借經(jīng)驗(yàn)判斷,能夠保證網(wǎng)絡(luò)收斂,但并不一定能夠保證網(wǎng)絡(luò)達(dá)到較好的逼近性能。
論文采用K-均值聚類算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行初始化訓(xùn)練,可較好地解決網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)初值敏感問(wèn)題,并保證網(wǎng)絡(luò)達(dá)到較好的逼近性能。具體算法步驟可參考文獻(xiàn)[19]。
PMLSM實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要包括某微納科技有限公司自主研制的無(wú)鐵芯永磁同步直線電機(jī)平臺(tái)、控制箱及PC機(jī)組成。
圖5 控制系統(tǒng)的硬件原理Fig.5 Hardware block diagram of control system
系統(tǒng)的硬件原理框圖如圖5所示。硬件實(shí)物圖如圖6所示。在圖6中,控制箱中的驅(qū)動(dòng)器采用的是以色列 Elmo公司生產(chǎn)的 Harmonica驅(qū)動(dòng)器。PMLSM的主要額定參數(shù)為:動(dòng)子質(zhì)量M=0.3 kg,線圈電阻R=19.3 Ω,推力常數(shù)Kf=11.71 N/A,反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)Ke=9.6 V·m/s,電感L=2.49 mH,最大運(yùn)動(dòng)行程為370 mm。
圖6 控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.6 Platform of system experiment
軟件資源方面主要是基于TMS320F2812開(kāi)發(fā)的 cSPACE 控制系統(tǒng),具有 A/D、D/A、I/O、Encoder和快速控制原型開(kāi)發(fā)和硬件在環(huán)仿真功能。設(shè)計(jì)過(guò)程中,只需使用Matlab/SIMULINK環(huán)境自動(dòng)生成代碼便可完成軟件設(shè)計(jì),不需要另外編寫代碼。因此,該平臺(tái)具有開(kāi)放性、快速性和易與Matlab聯(lián)接等諸多優(yōu)點(diǎn)。
基于小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制方法在Matlab/SIMULINK環(huán)境下搭建的cSPACE控制算法及運(yùn)行結(jié)果如圖7、8所示。圖7中小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償器NNC采用了效率高、速度快的C-MEX S-function編程,該算法直接編譯下載到cSPACE系統(tǒng)后,便可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。
圖7 基于小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的cSPACE控制算法Fig.7 cSPACE control algorithm based on wavelet neural network
圖8 基于小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制方法運(yùn)行結(jié)果Fig.8 Rresults of control based on wavelet neural network
在圖7中,輸入信號(hào)為正弦信號(hào),頻率為1Hz,“WM-Write1”用于設(shè)定正弦信號(hào)的幅值,與圖8中“Write1”對(duì)應(yīng),設(shè)置為20 mm;圖7中“In2”與“WM-Write3”分別為小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)速率與增益系數(shù),與圖8中“Write2”與“Write3”對(duì)應(yīng),分別設(shè)置為0.45與 0.005;圖 7中“WM -Write4”、“WM -Write5”與“WM-Write6”分別 PID控制器中的比例、微分及積分系數(shù),與圖8中“Write4”、“Write5”與“Write6”對(duì)應(yīng),分別設(shè)置為0.50、0.005與0;圖7中“WM -Write7”與“WM -Write8”分別為系統(tǒng)的速度與加速度補(bǔ)償系數(shù),與圖 8中“Write7”與“Write8”對(duì)應(yīng),根據(jù)PMLSM的額定參數(shù)的計(jì)算值,設(shè)置為0.009 6與0.000 49。
在圖8運(yùn)行結(jié)果圖中,左上角第一個(gè)窗口顯示的是位置參考輸入信號(hào),與圖7中“WM-Read1”對(duì)應(yīng);右上角第二個(gè)窗口顯示的是電機(jī)實(shí)際位移,與圖7中“WM-Read2”對(duì)應(yīng);左下角第三個(gè)窗口顯示的是電機(jī)位置跟蹤誤差,與圖7中“WM-Read3”對(duì)應(yīng);右下角第四個(gè)窗口顯示的是小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)償電壓值,與圖7中“WM-Read4”對(duì)應(yīng)。由圖8可得,該方法下的位置跟蹤誤差約為0.15 mm,誤差百分比為0.75%。
圖9與圖10為采用復(fù)合前饋PID控制方法下的cSPACE控制算法及運(yùn)行結(jié)果圖。
圖9 復(fù)合前饋PID控制的cSPACE控制算法Fig.9 cSPACE control algorithm of combined feedforward plus PID control
圖10 復(fù)合前饋PID控制方法運(yùn)行結(jié)果Fig.10 Results of combined feedforward plus PID control
調(diào)整PID控制器中比例、微分與積分系數(shù)為0.65、0.003 5與 0.10,速度、加速度補(bǔ)償系數(shù)為0.009 6與0.000 49。由圖10運(yùn)行結(jié)果可知,采用復(fù)合前饋PID控制方法下的位置跟蹤誤差約為0.44mm,誤差百分比為2.2%。
圖11與圖12給出了采用小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆模型控制方法下的cSPACE控制算法及運(yùn)行結(jié)果圖。
圖11 小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆模型控制的cSPACE控制算法Fig.11 cSPACE control algorithm of wavelet neural network adaptive inverse control
圖12 小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆模型控制運(yùn)行結(jié)果Fig.12 Results of wavelet neural network adaptive inverse control
調(diào)整PID控制器中比例、微分與積分系數(shù)為0.35、0.004與0,小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)速率與增益系數(shù)為0.06與0.015。由圖12運(yùn)行結(jié)果可得,采用小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆模型控制方法下的位置跟蹤誤差約為0.56 mm,誤差百分比為2.8%。
為了便于觀察干擾消除情況,對(duì)圖8中基于小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法與圖12中小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆模型控制方法中的位置跟蹤誤差信號(hào),分別觀察其頻譜圖,其結(jié)果如圖13所示。表1給出了3種控制方法下跟蹤性能的匯總結(jié)果。
圖13 位置跟蹤誤差的頻譜分析比較Fig.13 Comparisons of frequency analysis for position tracking errors
表1 3種控制方法的跟蹤性能比較Table 1 Comparisons of tracking performance
比較圖7~13及表1數(shù)據(jù)可知,采用復(fù)合前饋PID控制方法對(duì)PMLSM系統(tǒng)的補(bǔ)償量只是根據(jù)PMLSM模型本身進(jìn)行了近似補(bǔ)償,并沒(méi)有對(duì)干擾進(jìn)行補(bǔ)償,且其跟蹤效果受參數(shù)估計(jì)值精度影響較大;小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)逆模型控制方法不需要估計(jì)模型參數(shù)值,類似于無(wú)模型控制思想,可有效應(yīng)對(duì)模型參數(shù)變化,魯棒性較好,但經(jīng)頻譜分析可知,此方法不能有效消除干擾影響?;谛〔ㄉ窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制方法采用的是“分而治之”思想,雖然在對(duì)PMLSM系統(tǒng)進(jìn)行速度、加速度補(bǔ)償時(shí)需要對(duì)模型參數(shù)值進(jìn)行估計(jì),但參數(shù)不精確造成的誤差及推力波動(dòng)、摩擦力等干擾影響可通過(guò)小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在線估計(jì)進(jìn)行補(bǔ)償,因此受參數(shù)估計(jì)值影響較小。較前兩種控制方法,基于小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的位置跟蹤精度能夠得到顯著提高,且經(jīng)頻譜分析可得該方法能較好地消除干擾影響,從而驗(yàn)證了基于小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的有效性。
1)采用“分而治之”思想,在復(fù)合前饋PID控制的基礎(chǔ)上,引入小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在線補(bǔ)償推力波動(dòng)、摩擦力以及固定參數(shù)模型不精確等因素對(duì)系統(tǒng)造成的干擾,可使PMLSM系統(tǒng)獲得理想的跟蹤效果,且能夠較好地消除干擾影響。
2)小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)摩擦力中非連續(xù)部分估計(jì)效果不佳,導(dǎo)致PMLSM系統(tǒng)仍然受到靜摩擦力影響,在后續(xù)工作中可加入簡(jiǎn)單的靜摩擦力補(bǔ)償環(huán)節(jié)達(dá)到完善提高。
3)提出的控制系統(tǒng)適應(yīng)于連續(xù)可微的位置輸入跟蹤信號(hào)。如正弦波等,如要跟蹤不可微信號(hào),如三角波,可用不完全微分法近似代替。
4)對(duì)小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中權(quán)值參數(shù)的初始化問(wèn)題,仍需作進(jìn)一步研究。
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