一種永磁同步直線電機神經(jīng)網(wǎng)絡自適應軌跡跟蹤控制方法
【專利摘要】一種永磁同步直線電機神經(jīng)網(wǎng)絡自適應軌跡跟蹤控制方法，屬于直線電機運動控制技術領域。該方法利用神經(jīng)網(wǎng)絡控制器的非線性映射能力建立永磁同步直線電機的模型估計與補償環(huán)節(jié)，以實現(xiàn)電機良好的軌跡跟蹤性能。所述控制方法中包括基于徑向基函數(shù)(RBF)的神經(jīng)網(wǎng)絡控制器、帶有反饋增益的魯棒控制器兩部分，分別用來進行模型估計補償和抑制建模誤差的影響；本發(fā)明利用了神經(jīng)網(wǎng)絡的非線性逼近特性，建立了永磁同步直線電機模型非線性補償環(huán)節(jié)，有效克服了電機運行過程中死區(qū)、推力波動等非線性因素的影響，有較強抗干擾能力和良好的穩(wěn)定性，可實現(xiàn)良好的軌跡跟蹤性能。
【專利說明】
-種永磁同步直線電機神經(jīng)網(wǎng)絡自適應軌跡跟蹤控制方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明設及直線電機運動控制方法，具體設及一種永磁同步直線電機神經(jīng)網(wǎng)絡自 適應軌跡跟蹤控制方法。
【背景技術】
[0002] 相比于傳統(tǒng)的旋轉電機，永磁同步直線電機具有結構簡單、無需傳動裝置可直接 帶動負載等特點，消除了不必要的機械傳動環(huán)節(jié)所帶來的間隙、死區(qū)、柔性等問題的影響， 可實現(xiàn)高速高精度的直線運動，因而近年來在精密制造加工領域有著日益廣泛的應用。但 在實際的工業(yè)應用中存在難W忽略的不確定性W及擾動所帶來的影響，如負載變化所帶來 的擾動、電機參數(shù)不確定性、直線導軌的摩擦力、磁場分布不均勻所帶來的推力波動等，運 些問題均影響直線電機的運動性能，對直線電機控制方法的設計提出了更高的要求。
[0003] 從理論上來說，由徑向基函數(shù)構成的神經(jīng)網(wǎng)絡可W實現(xiàn)W任意精度逼近任意連續(xù) 的非線性函數(shù)，RB巧巾經(jīng)網(wǎng)絡的運一特性可W被很好地應用于對于直線電機模型特性的估 計與補償中；通過選取合適的隱含層神經(jīng)元節(jié)點W及其對應徑向基函數(shù)的特征，可W在理 論上實現(xiàn)對于模型的估計;神經(jīng)網(wǎng)絡的構建規(guī)則選用"定結構、變權值"的方式，通過合適的 自適應規(guī)則實現(xiàn)對于權值的最佳調(diào)整。合理的權值與神經(jīng)網(wǎng)絡結構可W盡可能精確地實現(xiàn) 對于直線電機動力學模型的估計與逼近。
[0004] -般來說在直線電機運動控制系統(tǒng)的實際應用中由于存在不確定性和測量噪聲 等影響，很難保證實現(xiàn)對于模型完全準確的估計，為了在建模誤差的影響下依然保持系統(tǒng) 的穩(wěn)定性，還需要在控制律中加入合理的魯棒控制項。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明目的在于提出一種永磁同步直線電機神經(jīng)網(wǎng)絡自適應軌跡跟蹤控制方法， W解決上述【背景技術】中所提出的問題，使其具有較強抗干擾能力和良好的穩(wěn)定性。
[0006] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術方案：
[0007] 步驟S1:建立永磁同步直線電機動力學模型：
[000引 Mx 二一Βχ - Κχ - ν + 11
[0009] 其中Μ為直線電機動子部分等效質量，X為直線電機的位移，i'為直線電機的速度，戈 為直線電機的加速的，U為電機推力，B、K分別表示與速度、位移相關的非線性特性經(jīng)過線性 化后的參數(shù)，兩者均為正數(shù)，V為未建模部分的動力學特性；
[0010] 步驟S2:計算軌跡跟蹤誤差e:
[0011] e = x-xd
[001^ 其中xd為期望的軌跡；
[0013] 步驟S3:建立用于自適應魯棒控制的滑模面變量0:
[0014] σ三株護+?
[0015] 其中接表示軌跡跟蹤誤差e的導數(shù)，α為大于0的常數(shù)；
[0016] 步驟S4:根據(jù)步驟S1-S3，得到電機特性f的表達式：
[0017]
[001引其中Xd為期望位移，為為期望速度，私為期望加速度；
[0019] 步驟S5:建立Ξ層徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡：
[0020] 神經(jīng)網(wǎng)絡第一層為輸入層，包含2個輸入單元，分別為期望位移Xd和期望速度兩， 運兩個輸入單元構成輸入層的輸入向量；
[0021] 第二層為隱含層，選擇η個隱含層節(jié)點，η為正整數(shù)；根據(jù)輸入層的輸入向量 確定各隱含層節(jié)點@輸出，其中i二1,2,... ,η:
[0022]
[0023] 其中ξ表示由參考軌跡確定的均勻分布的軌跡點向量，h表示每個隱含層節(jié)點的作 用范圍；
[0024] 第Ξ層為輸出層，該層只含有一個輸出單元，其輸出為隱含層各單元輸出的加權 求和;存在一組理想的權值向量W=[Wi，. . .，Wi，. . .，Wn]T，使得電機特性f表示為：
[0025]
[00%] 步驟S6:通過RB巧巾經(jīng)網(wǎng)絡建立對于電機特性f的估計與補償/:;
[0027]
[002引其中# =快，咚，...，A f為RB巧申經(jīng)網(wǎng)絡估計得到的權值向量，g?=[巧，巧，...，巧,f為 各徑向基函數(shù)的輸出向量；
[0029] 步驟S7:確定估計的權值向量#的更新規(guī)則：
[0030]
[0031] 其中丫為自適應增益;對于計算機控制系統(tǒng)的操作過程，每個控制周期權值的變 化量AW為：
[0032]
[0033] 其中Ts為控制周期；
[0034] 步驟S8:設計神經(jīng)網(wǎng)絡建模誤差的魯棒補償控制作用Ur:
[0035] Ur = -d S即(σ)
[0036] 其中d為根據(jù)實際情況選擇的建模誤差的正實數(shù)邊界
表示σ的符號函 數(shù)；
[0037] 步驟S9:設計永磁同步直線電機神經(jīng)網(wǎng)絡自適應軌跡跟蹤控制方法的最終控制作 用：
[00；3 引
[0039] 其中αι〉〇，α2〉0表示線性控制增益，同時αι、〇2還需要滿足W下條件：
[0040]
[0041] 本發(fā)明具有W下優(yōu)點及突出性的技術效果:有效克服了電機運行過程中死區(qū)、推 力波動W及未知擾動等非線性因素的影響，有較強抗干擾能力和良好的穩(wěn)定性，可實現(xiàn)良 好的軌跡跟蹤性能。
【附圖說明】
[0042] 圖1為神經(jīng)網(wǎng)絡自適應軌跡跟蹤控制系統(tǒng)框圖。
[0043] 圖2為徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡結構示意圖。
【具體實施方式】
[0044] 下面結合附圖和本發(fā)明實例對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清晰、完整描述， 顯然所描述的實施例為本發(fā)明用于直線電機軌跡跟蹤控制的一個具體實施方案，而并非全 部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下 所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0045] 設計直線電機神經(jīng)網(wǎng)絡自適應軌跡跟蹤控制系統(tǒng)的主體思想是:利用神經(jīng)網(wǎng)絡控 制器的非線性映射能力建立永磁同步直線電機的模型估計與補償環(huán)節(jié)W實現(xiàn)電機良好的 軌跡跟蹤性能;所述神經(jīng)網(wǎng)絡模型補償結構包括由一組徑向基函數(shù)構成的網(wǎng)絡W及動態(tài)調(diào) 整的權值向量，W期望位移xd期望位移為為網(wǎng)絡的輸入信號，對于永磁同步直線電機的模 型估計與補償/為網(wǎng)絡輸出；該補償項與一種反饋控制相結合作為神經(jīng)網(wǎng)絡控制器的最終 控制作用U，通過所設計的參數(shù)使得系統(tǒng)可實現(xiàn)閉環(huán)穩(wěn)定W及良好的軌跡跟蹤性能。對于永 磁同步直線電機，其驅動電壓由控制器輸入信號（即控制作用)經(jīng)過伺服驅動放大器的放大 作用后得到，而安裝于直線電機運動導軌上的光柵位移傳感器可實時反饋電機的位置信 息，根據(jù)該位置信息及伺服周期可推算出實時速度情況;根據(jù)實時位置、速度信息W及期望 跟蹤軌跡的狀態(tài)，設計最終控制作用U，結合圖1中神經(jīng)網(wǎng)絡自適應軌跡跟蹤控制的系統(tǒng)框 圖，對具體步驟進行詳細說明：
[0046] 步驟S1:建立永磁同步直線電機動力學模型：
[0047]
(1)
[004引其中Μ為直線電機動子部分等效質量，X為直線電機的位移，走為直線電機的速度， 老為直線電機的加速的，U為最終控制作用，Β、Κ分別表示與速度、位移相關的非線性特性經(jīng) 過線性化后的參數(shù)，兩者均為正數(shù)，V為未建模部分的動力學特性，上述參數(shù)在實際應用過 程中均可通過測量或系統(tǒng)辨識得到；
[0049] 步驟S2:計算軌跡跟蹤誤差e:
[0050] e = x-xd
[0051] 其中Xd為期望的軌跡；
[0052] 步驟S3:建立用于自適應魯棒控制的滑模面變量0:
[0化3] σ 二 ae + e
[0化4] 其中?表示軌跡跟蹤誤差e的導數(shù)，α = 100。
[0化日]步驟S4:根據(jù)步驟S1-S3，得到電機特性f的表達式：
[0化6]
[0化7]其中Xd為期望位移，電為期望速度，有為期望加速度，均由期望軌跡決定；
[0化引步驟S5:建立徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡：
[0059] 徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡的結構示意圖如圖2所示，其具體包含Ξ層結構:神經(jīng)網(wǎng)絡第 一層為輸入層，包含2個輸入單元，分別為期望位移xd和期望速度％，運兩個輸入單元構成 輸入層的輸入向量；
[0060] 第二層為隱含層，選擇η個隱含層節(jié)點，η為正整數(shù);根據(jù)輸入層的輸入向量 確定各隱含層節(jié)點巧輸出，其中i = 1，2，...，η:
[0061]
[0062] 其中，輸入層節(jié)點個數(shù)為2、η為隱含層神經(jīng)元節(jié)點個數(shù)、ci=ki，…，cn]為第i個神 經(jīng)元的中屯、向量、h表示對應于神經(jīng)元的徑向基函數(shù)的寬度、而輯表示隱含層的輸出。在本 發(fā)明中，神經(jīng)網(wǎng)絡隱含層具有固定的結構，對于參考位置和速度為輸入的兩組神經(jīng)網(wǎng)絡，均 選取15個隱含層節(jié)點，節(jié)點中屯、均勻分布于參考軌跡的范圍中、且每個徑向基函數(shù)的寬度 等同于函數(shù)中屯、的間隔。上述設計方式可使得軌跡跟蹤控制過程中的任意位置都可W被神 經(jīng)網(wǎng)絡建模，且不會出現(xiàn)計算量的浪費；
[0063] 第Ξ層為輸出層，該層只含有一個輸出單元，其輸出為隱含層各單元輸出的加權 求和;存在一組理想的權值向量W=[Wi，. . .，Wi，. . .，Wn]T，使得電機特性f表示為：
[0064]
[0065] 由于權值向量W在控制過程中不斷變化，其初始值的設定對于控制效果有一定影 響，運里將所有權值的初始值均設為0;
[0066] 步驟S6:通過RB巧巾經(jīng)網(wǎng)絡建立對于電機特性f的估計與補償/ :
[0067]
[006引其中廬=戰(zhàn)，砍:，...成,f為RB巧申經(jīng)網(wǎng)絡估計得到的權值向量，科=[約，巧，…，斯f 為各徑向基函數(shù)的輸出向量；
[0069] 步驟S7:確定估計的權值向量#的更新規(guī)則：
[0070]
[0071] 其中丫為自適應增益，對于所有的隱含層輸出，權值調(diào)整增益均選為丫 =5000。對 于計算機控制系統(tǒng)的操作過程，每個控制周期權值的變化量A W為：
[0072]
[0073] 其中Ts = 0.2ms為控制周期；
[0074] 步驟S8:設計神經(jīng)網(wǎng)絡建模誤差的魯棒補償控制作用Ur:
[00巧]Ur = -ds 即(σ)
[0076] 其中d為根據(jù)實際情況選擇的建模誤差的正實數(shù)邊界
表示σ的符號函 數(shù);Ur的目的是抑制未建模誤差的影響，通常運種作用的影響非常小，因此d也比較小，相比 于控制器的輸出作用可忽略不計，為方便軌跡跟蹤控制器的設計，在實際應用中可視實際 情況將該項作用進行適當簡化處理，即d = 0。
[0077] 步驟S9:設計永磁同步直線電機神經(jīng)網(wǎng)絡自適應軌跡跟蹤控制方法的最終控制作 用：
[007引 W = - 口- 02含 + / + ",.
[0079] 其中αι〉〇，α2〉0表示線性控制增益，同時αι、α2還需要滿足W下條件：
[0080] a廣（αΜ+Β)〉0
[0081] a2-K〉0
[0082] 嘴作用與工業(yè)控制領域中常用的PD控制器具有相似的結構和功能。W常 用的永磁同步直線電機為例，設計αl = 4X104'，α2 = 400，保證了基本的閉環(huán)穩(wěn)定性需求。由 于該反饋控制項主要負責保證系統(tǒng)的閉環(huán)穩(wěn)定性，而不需要太過考慮準確性的因素，因此 對于不同類型的永磁同步直線電機，該項參數(shù)可根據(jù)傳統(tǒng)穩(wěn)定PD控制器的相關參數(shù)來確 定。
【主權項】
1. 一種永磁同步直線電機神經(jīng)網(wǎng)絡自適應軌跡跟蹤控制方法，其特征在于所述方法包 括如下步驟：： 步驟S1:建立永磁同步直線電機動力學模型： M'x^-Bx-Kx-V + u 其中Μ為直線電機動子部分等效質量，X為直線電機的位移，.i為直線電機的速度3為直 線電機的加速度，u為最終控制作用，B、K分別表示與速度、位移相關的非線性特性經(jīng)過線性 化后的參數(shù)，兩者均為正數(shù)，V為未建模部分的動力學特性； 步驟S2:計算軌跡跟蹤誤差e: e = x-xd 其中Xd為期望的軌跡； 步驟S3:建立用于自適應魯棒控制的滑模面變量σ: σ 二 ere + ? 其中?表示軌跡跟蹤誤差e的導數(shù)，α為大于0的常數(shù)； 步驟S4:根據(jù)步驟S1-S3，得到電機特性f的表達式： f =m4^Bx4+Kx$： + V 其中Xd為期望位移，勾為期望速度，毛為期望加速度； 步驟S5:建立三層徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡： 神經(jīng)網(wǎng)絡第一層為輸入層，包含2個輸入單元，分別為期望位移Xd和期望速度毛，這兩個 輸入單元構成輸入層的輸入向量； 第二層為隱含層，選擇η個隱含層節(jié)點，η為正整數(shù);根據(jù)輸入層的輸入向量:?=[心,允]， 確定各隱含層節(jié)點供輸出：其中4表示由參考軌跡確定的均勻分布的軌跡點向量，h表示每個隱含層節(jié)點的作用范 圍； 第三層為輸出層，該層只含有一個輸出單元，其輸出為隱含層各單元輸出的加權求和； 存在一組理想的權值向量WztWl·，. . .，Wi，. . .，Wn]T，使得電機特性f表示為：步驟S6:通過RBF神經(jīng)網(wǎng)絡建立對于電機特性f的估計與補償/ : / = #> 其中# = f為RBF神經(jīng)網(wǎng)絡估計得到的權值向量，供=[約愚,…，#"；Γ為各徑 向基函數(shù)的輸出向量； 步驟S7:確定估計的權值向量步的更新規(guī)則：其中γ為自適應增益;對于計算機控制系統(tǒng)的操作過程，每個控制周期權值的變化量 AW為：其中Ts為控制周期； 步驟S8:設計神經(jīng)網(wǎng)絡建模誤差的魯棒補償控制作用ur: ur = _d sgn(〇) 其中d為根據(jù)實際情況選擇的建模誤差的正實數(shù)邊界，.表示〇的符號函數(shù)； 步驟S9:設計永磁同步直線電機神經(jīng)網(wǎng)絡自適應軌跡跟蹤控制方法的最終控制作用： U = -￡2j0 - + ^ + Mr 其中α?>0，α2>0表示線性控制增益，同時α?、α 2還需要滿足以下條件： (-/, -{aΜ -\- Β) > 0 a, - A： > 0 !，
【文檔編號】H02P21/00GK106059418SQ201610438862
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月17日
【發(fā)明人】胡楚雄, 朱煜, 汪澤, 李敏, 何蘇欽, 張鳴, 胡金春, 楊開明, 尹文生, 徐登峰, 穆海華, 成榮
【申請人】清華大學, 北京華卓精科科技股份有限公司