兵工学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (6): 1761-1775.doi: 10.12382/bgxb.2023.0342
收稿日期:
2023-04-16
上线日期:
2024-01-18
通讯作者:
基金资助:
XIE Xin, ZHENG Jieji**(), LI Baoyu, YU Bin, FAN Dapeng*(
)
Received:
2023-04-16
Online:
2024-01-18
摘要:
针对武器站俯仰轴伺服传动装置在武器载荷变化时控制精度和安全性下降的问题,提出基于多参数在线辨识的自适应复合控制方法。基于符号函数的线性化方法,构建包含传动间隙、电机和负载摩擦非线性的伺服传动装置待辨识模型框架,推导出待辨识参数的显式迭代方程,通过带遗忘因子的递推增广最小二乘算法实现参数在线辨识。在此基础上,提出自适应比例积分控制器与自适应状态扩张卡尔曼滤波器相结合的复合控制方法。实验结果表明:参数辨识方法可实现伺服传动装置9个关键动力学参数的精确在线辨识,稳态辨识误差不超过10%。自适应复合控制方法将系统速度跟随残差均方根降低了28.24%,有效提升了俯仰轴在武器载荷变化时的控制精度和稳定裕度。
中图分类号:
谢馨, 郑杰基, 李宝宇, 于滨, 范大鹏. 武器站伺服传动装置在线辨识与自适应控制方法[J]. 兵工学报, 2024, 45(6): 1761-1775.
XIE Xin, ZHENG Jieji, LI Baoyu, YU Bin, FAN Dapeng. Online Identification and Adaptive Control Method for Servo Transmission Device in Weapon Station[J]. Acta Armamentarii, 2024, 45(6): 1761-1775.
部件名称 | 型号 | 参数 | 数值 |
---|---|---|---|
额定功率/W | 750 | ||
额定转矩/(N·m) | 2.39 | ||
永磁同步电机 | ASM80B1007-30M | 额定转速/(r·min-1) | 3000 |
转矩常数/ (N·m·A-1) | 0.48 | ||
转动惯量/(kg·m2) | 1.14×10-4 | ||
驱动器 | YD8000 | 转换系数/(A·V-1) | 0.49 |
额定扭矩/(N·m) | 150 | ||
联轴器 | GSG-82×68 | 容许转速/(r·min-1) | 4000 |
扭转刚度/ (N·m·rad-1) | 168000 | ||
转动惯量/(kg·m2) | 2.7×10-4 | ||
减速比 | 161 | ||
最大输出转矩/(N·m) | 450 | ||
精密减速器 | ZKRV-20E-161-B | 最大输出转速/ (r·min-1) | 75 |
传动间隙/arcmin | ≤1 | ||
传动刚度/ (N·m·rad-1) | 5×105 | ||
绝对编码器 | BCE112K50 | 角度分辨率/bit | 19 |
惯量盘 | 转动惯量/(kg·m2) | 0.22 | |
砝码 | 质量/kg | 5 | |
个数 | 12 |
表1 伺服传动装置测试平台的部件型号与参数值
Table 1 Component models and parameter values of servo transmission device testing platform
部件名称 | 型号 | 参数 | 数值 |
---|---|---|---|
额定功率/W | 750 | ||
额定转矩/(N·m) | 2.39 | ||
永磁同步电机 | ASM80B1007-30M | 额定转速/(r·min-1) | 3000 |
转矩常数/ (N·m·A-1) | 0.48 | ||
转动惯量/(kg·m2) | 1.14×10-4 | ||
驱动器 | YD8000 | 转换系数/(A·V-1) | 0.49 |
额定扭矩/(N·m) | 150 | ||
联轴器 | GSG-82×68 | 容许转速/(r·min-1) | 4000 |
扭转刚度/ (N·m·rad-1) | 168000 | ||
转动惯量/(kg·m2) | 2.7×10-4 | ||
减速比 | 161 | ||
最大输出转矩/(N·m) | 450 | ||
精密减速器 | ZKRV-20E-161-B | 最大输出转速/ (r·min-1) | 75 |
传动间隙/arcmin | ≤1 | ||
传动刚度/ (N·m·rad-1) | 5×105 | ||
绝对编码器 | BCE112K50 | 角度分辨率/bit | 19 |
惯量盘 | 转动惯量/(kg·m2) | 0.22 | |
砝码 | 质量/kg | 5 | |
个数 | 12 |
参数/单位 | 空载 | 带载 |
---|---|---|
负载转动惯量Jl/(kg·m2) | 0.22 | 0.45 |
传动刚度Ks/(N·m·rad-1) | 1×106 | 1×106 |
电机黏滞阻尼系数Bm/(N·m·rad-1·s) | 0.005 | 0.005 |
负载黏滞阻尼系数Bl/(N·m·rad-1·s) | 20 | 20 |
电机正库伦摩擦力矩 /(N·m) | 0.1 | 0.1 |
电机负库伦摩擦力矩 /(N·m) | -0.1 | -0.1 |
负载正库伦摩擦力矩 /(N·m) | 5 | 5 |
负载负库伦摩擦力矩 /(N·m) | -5 | -5 |
传动间隙2θb/arcmin | 1 | 1 |
表2 仿真模型待辨识参数设定值
Table 2 Set values of parameters to be identified in the simulation model
参数/单位 | 空载 | 带载 |
---|---|---|
负载转动惯量Jl/(kg·m2) | 0.22 | 0.45 |
传动刚度Ks/(N·m·rad-1) | 1×106 | 1×106 |
电机黏滞阻尼系数Bm/(N·m·rad-1·s) | 0.005 | 0.005 |
负载黏滞阻尼系数Bl/(N·m·rad-1·s) | 20 | 20 |
电机正库伦摩擦力矩 /(N·m) | 0.1 | 0.1 |
电机负库伦摩擦力矩 /(N·m) | -0.1 | -0.1 |
负载正库伦摩擦力矩 /(N·m) | 5 | 5 |
负载负库伦摩擦力矩 /(N·m) | -5 | -5 |
传动间隙2θb/arcmin | 1 | 1 |
参数 | 空载 | 带载 | ||
---|---|---|---|---|
辨识值 | 辨识误差/% | 辨识值 | 辨识误差/% | |
负载转动惯量Jl/(kg·m2) | 0.22 | 0 | 0.451 | 0.22 |
传动刚度Ks/(N·m·rad-1) | 1×106 | 0 | 1×106 | 0 |
电机黏滞阻尼系数Bm/(N·m·rad-1·s) | 0.0046 | 6.6 | 0.0047 | 6 |
负载黏滞阻尼系数Bl/(N·m·rad-1·s) | 20.54 | 2.7 | 20.55 | 2.75 |
电机正库伦摩擦力矩 /(N·m) | 0.0904 | 9.6 | 0.091 | 9 |
电机负库伦摩擦力矩 /(N·m) | -0.1034 | 0.34 | -0.103 | 0.3 |
负载正库伦摩擦力矩 /(N·m) | 4.612 | 7.76 | 4.607 | 7.86 |
负载负库伦摩擦力矩 /(N·m) | -4.68 | 6.4 | -4.675 | 6.5 |
传动间隙2θb/arcmin | 1~1.1 | 10 | 1.1 | 10 |
表3 模型参数在线辨识收敛过程
Table 3 Steady state convergence results of online identification of model parameters
参数 | 空载 | 带载 | ||
---|---|---|---|---|
辨识值 | 辨识误差/% | 辨识值 | 辨识误差/% | |
负载转动惯量Jl/(kg·m2) | 0.22 | 0 | 0.451 | 0.22 |
传动刚度Ks/(N·m·rad-1) | 1×106 | 0 | 1×106 | 0 |
电机黏滞阻尼系数Bm/(N·m·rad-1·s) | 0.0046 | 6.6 | 0.0047 | 6 |
负载黏滞阻尼系数Bl/(N·m·rad-1·s) | 20.54 | 2.7 | 20.55 | 2.75 |
电机正库伦摩擦力矩 /(N·m) | 0.0904 | 9.6 | 0.091 | 9 |
电机负库伦摩擦力矩 /(N·m) | -0.1034 | 0.34 | -0.103 | 0.3 |
负载正库伦摩擦力矩 /(N·m) | 4.612 | 7.76 | 4.607 | 7.86 |
负载负库伦摩擦力矩 /(N·m) | -4.68 | 6.4 | -4.675 | 6.5 |
传动间隙2θb/arcmin | 1~1.1 | 10 | 1.1 | 10 |
参数 | 空载 | 带载 |
---|---|---|
负载转动惯量Jl/(kg·m2) | 0.246 | 0.453 |
传动刚度Ks/(N·m·rad-1) | 9.7×105 | 8.9×105 |
电机黏滞阻尼系数Bm/(N·m·rad-1·s) | 2.4×10-3 | 2.4×10-3 |
负载黏滞阻尼系数Bl/(N·m·rad-1·s) | 23.17 | 25.23 |
电机正库伦摩擦力矩 /(N·m) | 0.1 | 0.11 |
电机负库伦摩擦力矩 /(N·m) | -0.095 | -0.12 |
负载正库伦摩擦力矩 /(N·m) | 1.9 | 2.89 |
负载负库伦摩擦力矩 /(N·m) | -1.86 | -2.01 |
传动间隙2θb/arcmin | 0.82 | 1.74 |
表4 伺服传动装置参数在线辨识稳态收敛结果
Table 4 Steady state convergence results of online identification of servo transmission device parameters
参数 | 空载 | 带载 |
---|---|---|
负载转动惯量Jl/(kg·m2) | 0.246 | 0.453 |
传动刚度Ks/(N·m·rad-1) | 9.7×105 | 8.9×105 |
电机黏滞阻尼系数Bm/(N·m·rad-1·s) | 2.4×10-3 | 2.4×10-3 |
负载黏滞阻尼系数Bl/(N·m·rad-1·s) | 23.17 | 25.23 |
电机正库伦摩擦力矩 /(N·m) | 0.1 | 0.11 |
电机负库伦摩擦力矩 /(N·m) | -0.095 | -0.12 |
负载正库伦摩擦力矩 /(N·m) | 1.9 | 2.89 |
负载负库伦摩擦力矩 /(N·m) | -1.86 | -2.01 |
传动间隙2θb/arcmin | 0.82 | 1.74 |
工况 | 线性模型 | 本文模型 | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
参数固 定不变 | 参数在 线更新 | 降低/ % | 参数固 定不变 | 降低/ % | 参数在 线更新 | 降低/ % | |
空载 | 5.23 | 5.16 | 1.34 | 2.12 | 59.46 | 2.11 | 59.66 |
带载 | 6.83 | 4.36 | 36.16 | 3.52 | 48.46 | 2.37 | 65.30 |
表5 不同模型对实际系统的拟合误差均方根
Table 5 Root mean squares of fitting errors among different models and actual systems
工况 | 线性模型 | 本文模型 | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
参数固 定不变 | 参数在 线更新 | 降低/ % | 参数固 定不变 | 降低/ % | 参数在 线更新 | 降低/ % | |
空载 | 5.23 | 5.16 | 1.34 | 2.12 | 59.46 | 2.11 | 59.66 |
带载 | 6.83 | 4.36 | 36.16 | 3.52 | 48.46 | 2.37 | 65.30 |
工况 | 定值复合控制方法 | 自适应复合控制方法 | 降低/% |
---|---|---|---|
空载 | 5.92 | 5.87 | 0.84 |
带载 | 10.34 | 7.42 | 28.24 |
表6 不同控制方法的速度跟随残差均方根
Table 6 Root mean squares of speed following residuals for different control methods
工况 | 定值复合控制方法 | 自适应复合控制方法 | 降低/% |
---|---|---|---|
空载 | 5.92 | 5.87 | 0.84 |
带载 | 10.34 | 7.42 | 28.24 |
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doi: 10.3969/j.issn.1000-1093.2018.10.001 |
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