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非线性系统辨识在伺服系统建模中的运用研究

李恒 肖支才 张建 陈黎明
摘 要：随着经济的迅速发展，我国科学技术的发展也有了显著的提高，伺服驱动技术是根据一定的指令信息对驱动元件进行控制，并加以扩充，使机械系统执行部件按指令要求运动的一种控制技术。近年来，随着计算机技术的不断发展和微电子技术的飞速进步，伺服技术越来越成熟，国内的伺服行业也在不断发展，广泛应用于机械包装、数控机床、工业机器人等行业。
关键词：非线性系统辨识;伺服系统建模;运用研究
：TM921.541 ：A ：1671-2064（2020）10-0050-02
0引言
随机振动是自然界较为常见的现象，如大气湍流对飞机的影响、海浪波动对船舶的冲击、地震等，这些振动环境对设备的正常工作影响很大，通过振动环境模拟，可在设备正式应用前对其可靠性和疲劳寿命进行考察，提前预防可能出现的失效问题。电液伺服系统由于其控制精度高、响应速度快、承载能力强等特点，可作为振动设备模拟振动环境[1]。
1概述
伺服电液调速系统因响应速度快、固有死区小、检测精度高而得到广泛应用。首先要考虑列车保护系统的响应，在仿真分析中要考虑基于实际测量的列车保护系统模型参数。准确地建立速度控制系统的模型参数对于检测超低频率振荡的风险、分析灵敏度因素并找到解决方案是很重要的。电动液压伺服是电机调速系统设计的三个主要组成部分之一。它将控制系统的弱电阶放大转化为液压信号，激活控制涡轮空气或水流的阀门，从而控制发动机的输出。在上下连接中起着至关重要的作用。特别是负责接收有关伺服电机扭矩和速度的信息。在早期的工业机器人中，伺服电机主要由步进电机和电液电机组成，逐渐取代直流伺服电机，具有良好的调速性能。在20世纪80年代，交流电动机变频调速技术迅速发展，可靠性高的交流伺服电动机成为行业的主要发展趋势。较早发展的交流伺服电动机与PWM方波无刷直流电动机取代电刷换向器。随着永磁发动机材料的进步，具有高励磁效率和功率密度的永磁同步电动机在无刷直流电机系统中得到了广泛的应用[2]。交流伺服电机有许多参数和耦合性，因此它需要设计特殊的控制技术，包括矢量控制、直接转矩控制和模型预测控制。方法很复杂，识别过程不可控。经过大量的实地测试和深入分析电液伺服系统的模型结构，提出了一种密切结合电液伺服系统的模型参数识别方法，这种方法采用一步法分离高阶单输入单输出系统，一步一步和多参数进行合理的标识，以便识别模型参数的电液伺服系统不使用复杂的识别算法，并实现良好的结果。同时，分析现有的电液伺服系统的结构模型在商用和商用程序和相应的实际的设备之间的关系，并进行模型的推导和解释。
2伺服控制的基本原理
加工精度和响应速度的要求越来越高得益于控制技術的飞速发展。数控机床发出的指令响应速度快，能否适应不同的机械特性，能否在追求性能的同时保证伺服控制的稳定性，都是需要考虑的问题。反馈控制是指依照指令的过程中，重复控制比较、放大、行动、检测和比较。控制回路是输入指令值和反馈值之间的差（偏差），乘以增益，再乘以输出。整个控制部分包括三个反馈回路（电流环、速度环和位置环）从内到外。内循环越多，越高响应性的必要性。
3非线性系统辨识在伺服系统建模中的运用
3.1伺服系统建模数学模型
伺服系统的数学模型是基于系统串行结构设计的非线性识别模块。串行伺服的关键是使用直接的非线性识别系统，这可能会导致数据和信息的集中和分散问题，使伺服参数不精确。为此串联结构，使用矩阵一样的电动发动机，和线性时间的摩擦中被奴役，仍可简化系统的设定，确保信息数据库，用于确定特定参数用单个数值，并大大减少繁琐的采购过程的状态信息。目前相对更加普遍的体系结构应用采用线性模块的解耦的线性、非线性信号的非线性来区分联合国系统提供了基础数据块的结构，使其能够充分完成获取值的准确性，因此效率最低，其服务器系统，实现更好的回报，监测系统数据的准确性，以确定后续阶段的安全参数，发挥互补作用[3]。
3.2伺服系统建模Hammerstein离散模型
Hammerstein离散模型也是伺服系统非线性参数计算的一部分。为了获得准确的数据信息，必须选择传输函数S-Z=1的理论公式。伺服控制的实际应用更多地依赖于连续的信号传输，以获得离散信号的信息，并在适当的情况下通过数据采样。具体的采样方法可以基于时域内的连续信号，将脉冲序列的基础乘以单位时间的信息。在确定离散函数数据的基础上，采用拉普拉斯变换法和数据位移法获得算子数据。根据S数据得出的结论，分析了直接算子S和变换算子Z之间的关系，并给出了详细的参数，得出了最终的汉默斯坦离散模型。此外，还应注意的是，连续函数应根据载波振幅的基本调节器进行调整，并结合单位脉冲采样，获得初始输出信号。利用脉冲函数的采样数据可以通过拉普拉斯变换得到，信息变量可以根据伪装函数滤波的采样信号的性质转化为可用的脉冲采样信息。在分析连续动态系统的稳定性时，Z变换方法依赖于变换算子获得离散系统的基本性能。结合拉普拉斯变换公式，可以简化欧拉的传统公式。
3.3伺服系统误差建模模型
Hammerstein误差建模模型实际上是基于非线性随机伺服系统来实现无记忆的链路序列，利用系统连杆运行机制来构造Hammerstein模型结构，以减少伺服系统的感知参数误差。由于伺服系统主要使用线性数据，它会产生一定程度的噪声，这可能会影响Hammerstein的数据误差模型。因此，系统故障的计算必须考虑到伺服系统的运行环境。如果数据测试参数设置为0，则不应考虑干扰因子的影响，以确保数据差异不超过初始参数。在已知的条件下，非线性系统识别伺服系统可以从数据输入值确定输出参数信息，从而估计给定数据范围内数据的准确索引[4]。
3.4智能化
今天人工智能已经在各个领域得到了广泛的应用。智能是工业自动化发展的趋势，伺服驱动系统是工业自动化过程中的重要系统之一，伺服系统的未来发展必然走向智能发展。智能的优点之一是它有强大的参数记忆功能。通过人机对话，系统的运行参数可以保存在伺服系统中。通过计算机的通信接口，可以直接在电脑上设置参数，这是非常快速和方便的。智能伺服系统具有较强的自我诊断、分析能力，能够进行自我诊断和故障排除、分析和反馈，及时反馈客户的具体故障原因和分析结果，使员工能够及时、准确地进行维护和监控。此外，一些智能伺服系统具备参数自调整的功能，它可以调整内部参数，优化设备运行，减少人力和材料消耗。通过必要的闭环调整试验过程中操作的能力。伺服系统必须具有两个抗干扰能力。首先，外围设备不会干扰伺服系统。其次，伺服系统没有外围设备。扰动分为传导扰动和辐射扰动。为了解决伺服系统的干扰问题，有必要对干扰源进行分析和求解。目前的抗干扰方法包括超导磁线圈、绝缘、过滤、屏蔽等。一些专家提出了一种消除固定电机脉冲干扰电机轴脉冲和振荡引起的误差的算法。应用于交流伺服控制系统的算法表明，在编码器分辨率不变的情况下，系统检测精度有了很大的提高。
3.5伺服电机的应用
无刷交流伺服电动机广泛用于工业生产。它不仅有响应速度快，也有小惯性稳定的扭矩。虽然其控制较为复杂，但可实现智能控制，并可应用于复杂环境。特别是对于普通同步电机，它不仅具有较大的功率范围和惯性，而且具有较高的转速，更适合低速稳定运行的场合，显示出较高的集宁度和低速输出更大的转矩和更宽的转速范围等优点[5]。
在目前工业生产中经常采用的数字控制系统中的步进电机，其控制方式均采用全数字交流伺服电机或步进电机，这种伺服电机的优点体现在：首先是表现出较强的过载能力，即具有较强的过载和转矩过载能力，在启动速度时为了抵消由惯性负载产生的力矩产生的惯性力矩，需要选用高转矩电机，从而减少了所需设备运行时的扭矩。第二个是指响应速度快的优点。这主要是因为电机具有良好的加速性能，其响应速度是只有几个百分点的步进电机，更适合快速起停控制场合。最后，它显示了良好的低频特性。换句话说，由于其高频率分析功能和已知的共振的能力，很容易检测谐振点，进行系统调整，以防止低频振动的发生。
4结语
随着伺服系统的大规模应用，伺服电机的调试与维护显得越来越重要。本论文通过对路斯特伺服驱动器的参数反复调试研究，积累了伺服调试的一些具体经验，掌握了伺服驱动器调整的基本原则以及必要参数，以及调整后的效果。目前交流伺服电机在工业自動化系统中广泛应用，而且表现出具有较快的响应速度且容易实现智能化等优点，尤其是与部件电机相比表现出更高的过载能力、更快的响应速度、以及不会出现低频振动等问题的优点，不仅在实际应用中优势显著，而且在未来的高性能化以及模块化、网络化等发展中有着广阔的发展前景。
参考文献
[1] 田树军，胡全义，张宏.液压系统动态特性数字仿真[M].大连：大连理工大学出版社，2013.
[2] 陈国茜，颜文俊.基于DSP的新型电参数测量仪设计[J].机电工程，2012，29（5）：501-505.
[3] 张静.MATLAB在控制系统中的应用[M].北京：电子工业出版社，2007.
[4] 牛巍，黄效国，管东方.轧机液压厚度控制系统的动态特性分析[J].液压与气动，2005（3）：10-11.
[5] 胡良谋，李景超，曹克强.基于MATLAB/Simulink的电液伺服控制系统的建模与仿真研究[J].机床与液压，2003（3）：230-231+246.

-全文完-