非線性系統辨識在伺服系統建模中的運用研究

李恒 肖支才 張建 陳黎明

摘 要：隨著經濟的迅速發展，我國科學技術的發展也有了顯著的提高，伺服驅動技術是根據一定的指令信息對驅動元件進行控制，并加以擴充，使機械系統執行部件按指令要求運動的一種控制技術。近年來，隨著計算機技術的不斷發展和微電子技術的飛速進步，伺服技術越來越成熟，國內的伺服行業也在不斷發展，廣泛應用于機械包裝、數控機床、工業機器人等行業。

關鍵詞：非線性系統辨識;伺服系統建模;運用研究

中圖分類號：TM921.541 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）10-0050-02

0引言

隨機振動是自然界較為常見的現象，如大氣湍流對飛機的影響、海浪波動對船舶的沖擊、地震等，這些振動環境對設備的正常工作影響很大，通過振動環境模擬，可在設備正式應用前對其可靠性和疲勞壽命進行考察，提前預防可能出現的失效問題。電液伺服系統由于其控制精度高、響應速度快、承載能力強等特點，可作為振動設備模擬振動環境[1]。

1概述

伺服電液調速系統因響應速度快、固有死區小、檢測精度高而得到廣泛應用。首先要考慮列車保護系統的響應，在仿真分析中要考慮基于實際測量的列車保護系統模型參數。準確地建立速度控制系統的模型參數對于檢測超低頻率振蕩的風險、分析靈敏度因素并找到解決方案是很重要的。電動液壓伺服是電機調速系統設計的三個主要組成部分之一。它將控制系統的弱電階放大轉化為液壓信號，激活控制渦輪空氣或水流的閥門，從而控制發動機的輸出。在上下連接中起著至關重要的作用。特別是負責接收有關伺服電機扭矩和速度的信息。在早期的工業機器人中，伺服電機主要由步進電機和電液電機組成，逐漸取代直流伺服電機，具有良好的調速性能。在20世紀80年代，交流電動機變頻調速技術迅速發展，可靠性高的交流伺服電動機成為行業的主要發展趨勢。較早發展的交流伺服電動機與PWM方波無刷直流電動機取代電刷換向器。隨著永磁發動機材料的進步，具有高勵磁效率和功率密度的永磁同步電動機在無刷直流電機系統中得到了廣泛的應用[2]。交流伺服電機有許多參數和耦合性，因此它需要設計特殊的控制技術，包括矢量控制、直接轉矩控制和模型預測控制。方法很復雜，識別過程不可控。經過大量的實地測試和深入分析電液伺服系統的模型結構，提出了一種密切結合電液伺服系統的模型參數識別方法，這種方法采用一步法分離高階單輸入單輸出系統，一步一步和多參數進行合理的標識，以便識別模型參數的電液伺服系統不使用復雜的識別算法，并實現良好的結果。同時，分析現有的電液伺服系統的結構模型在商用和商用程序和相應的實際的設備之間的關系，并進行模型的推導和解釋。

2伺服控制的基本原理

加工精度和響應速度的要求越來越高得益于控制技術的飛速發展。數控機床發出的指令響應速度快，能否適應不同的機械特性，能否在追求性能的同時保證伺服控制的穩定性，都是需要考慮的問題。反饋控制是指依照指令的過程中，重復控制比較、放大、行動、檢測和比較。控制回路是輸入指令值和反饋值之間的差（偏差），乘以增益，再乘以輸出。整個控制部分包括三個反饋回路（電流環、速度環和位置環）從內到外。內循環越多，越高響應性的必要性。

3非線性系統辨識在伺服系統建模中的運用

3.1伺服系統建模數學模型

伺服系統的數學模型是基于系統串行結構設計的非線性識別模塊。串行伺服的關鍵是使用直接的非線性識別系統，這可能會導致數據和信息的集中和分散問題，使伺服參數不精確。為此串聯結構，使用矩陣一樣的電動發動機，和線性時間的摩擦中被奴役，仍可簡化系統的設定，確保信息數據庫，用于確定特定參數用單個數值，并大大減少繁瑣的采購過程的狀態信息。目前相對更加普遍的體系結構應用采用線性模塊的解耦的線性、非線性信號的非線性來區分聯合國系統提供了基礎數據塊的結構，使其能夠充分完成獲取值的準確性，因此效率最低，其服務器系統，實現更好的回報，監測系統數據的準確性，以確定后續階段的安全參數，發揮互補作用[3]。

3.2伺服系統建模Hammerstein離散模型

Hammerstein離散模型也是伺服系統非線性參數計算的一部分。為了獲得準確的數據信息，必須選擇傳輸函數S-Z=1的理論公式。伺服控制的實際應用更多地依賴于連續的信號傳輸，以獲得離散信號的信息，并在適當的情況下通過數據采樣。具體的采樣方法可以基于時域內的連續信號，將脈沖序列的基礎乘以單位時間的信息。在確定離散函數數據的基礎上，采用拉普拉斯變換法和數據位移法獲得算子數據。根據S數據得出的結論，分析了直接算子S和變換算子Z之間的關系，并給出了詳細的參數，得出了最終的漢默斯坦離散模型。此外，還應注意的是，連續函數應根據載波振幅的基本調節器進行調整，并結合單位脈沖采樣，獲得初始輸出信號。利用脈沖函數的采樣數據可以通過拉普拉斯變換得到，信息變量可以根據偽裝函數濾波的采樣信號的性質轉化為可用的脈沖采樣信息。在分析連續動態系統的穩定性時，Z變換方法依賴于變換算子獲得離散系統的基本性能。結合拉普拉斯變換公式，可以簡化歐拉的傳統公式。

3.3伺服系統誤差建模模型

Hammerstein誤差建模模型實際上是基于非線性隨機伺服系統來實現無記憶的鏈路序列，利用系統連桿運行機制來構造Hammerstein模型結構，以減少伺服系統的感知參數誤差。由于伺服系統主要使用線性數據，它會產生一定程度的噪聲，這可能會影響Hammerstein的數據誤差模型。因此，系統故障的計算必須考慮到伺服系統的運行環境。如果數據測試參數設置為0，則不應考慮干擾因子的影響，以確保數據差異不超過初始參數。在已知的條件下，非線性系統識別伺服系統可以從數據輸入值確定輸出參數信息，從而估計給定數據范圍內數據的準確索引[4]。

3.4智能化

今天人工智能已經在各個領域得到了廣泛的應用。智能是工業自動化發展的趨勢，伺服驅動系統是工業自動化過程中的重要系統之一，伺服系統的未來發展必然走向智能發展。智能的優點之一是它有強大的參數記憶功能。通過人機對話，系統的運行參數可以保存在伺服系統中。通過計算機的通信接口，可以直接在電腦上設置參數，這是非常快速和方便的。智能伺服系統具有較強的自我診斷、分析能力，能夠進行自我診斷和故障排除、分析和反饋，及時反饋客戶的具體故障原因和分析結果，使員工能夠及時、準確地進行維護和監控。此外，一些智能伺服系統具備參數自調整的功能，它可以調整內部參數，優化設備運行，減少人力和材料消耗。通過必要的閉環調整試驗過程中操作的能力。伺服系統必須具有兩個抗干擾能力。首先，外圍設備不會干擾伺服系統。其次，伺服系統沒有外圍設備。擾動分為傳導擾動和輻射擾動。為了解決伺服系統的干擾問題，有必要對干擾源進行分析和求解。目前的抗干擾方法包括超導磁線圈、絕緣、過濾、屏蔽等。一些專家提出了一種消除固定電機脈沖干擾電機軸脈沖和振蕩引起的誤差的算法。應用于交流伺服控制系統的算法表明，在編碼器分辨率不變的情況下，系統檢測精度有了很大的提高。

3.5伺服電機的應用

無刷交流伺服電動機廣泛用于工業生產。它不僅有響應速度快，也有小慣性穩定的扭矩。雖然其控制較為復雜，但可實現智能控制，并可應用于復雜環境。特別是對于普通同步電機，它不僅具有較大的功率范圍和慣性，而且具有較高的轉速，更適合低速穩定運行的場合，顯示出較高的集寧度和低速輸出更大的轉矩和更寬的轉速范圍等優點[5]。

在目前工業生產中經常采用的數字控制系統中的步進電機，其控制方式均采用全數字交流伺服電機或步進電機，這種伺服電機的優點體現在：首先是表現出較強的過載能力，即具有較強的過載和轉矩過載能力，在啟動速度時為了抵消由慣性負載產生的力矩產生的慣性力矩，需要選用高轉矩電機，從而減少了所需設備運行時的扭矩。第二個是指響應速度快的優點。這主要是因為電機具有良好的加速性能，其響應速度是只有幾個百分點的步進電機，更適合快速起停控制場合。最后，它顯示了良好的低頻特性。換句話說，由于其高頻率分析功能和已知的共振的能力，很容易檢測諧振點，進行系統調整，以防止低頻振動的發生。

4結語

隨著伺服系統的大規模應用，伺服電機的調試與維護顯得越來越重要。本論文通過對路斯特伺服驅動器的參數反復調試研究，積累了伺服調試的一些具體經驗，掌握了伺服驅動器調整的基本原則以及必要參數，以及調整后的效果。目前交流伺服電機在工業自動化系統中廣泛應用，而且表現出具有較快的響應速度且容易實現智能化等優點，尤其是與部件電機相比表現出更高的過載能力、更快的響應速度、以及不會出現低頻振動等問題的優點，不僅在實際應用中優勢顯著，而且在未來的高性能化以及模塊化、網絡化等發展中有著廣闊的發展前景。

參考文獻

[1] 田樹軍，胡全義，張宏.液壓系統動態特性數字仿真[M].大連：大連理工大學出版社，2013.

[2] 陳國茜，顏文俊.基于DSP的新型電參數測量儀設計[J].機電工程，2012，29（5）：501-505.

[3] 張靜.MATLAB在控制系統中的應用[M].北京：電子工業出版社，2007.

[4] 牛巍，黃效國，管東方.軋機液壓厚度控制系統的動態特性分析[J].液壓與氣動，2005（3）：10-11.

[5] 胡良謀，李景超，曹克強.基于MATLAB/Simulink的電液伺服控制系統的建模與仿真研究[J].機床與液壓，2003（3）：230-231+246.