CN110682590A - 基于有限控制集无传感器的压力机全闭环控制系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于控制技术和金属成形技术领域，具体涉及到一种基于有限控制集无传感器的压力机全闭环控制系统与方法。本发明将成形工艺曲线与滑块实际位置之差作为整机控制系统控制指令位置输入，建立动力学模型，进行转矩的计算，作为转矩预测控制算法的输入。本发明在伺服电机驱动器中设置了无传感控制算法模块和有限控制集的预测转矩算法模块，计算转速和电磁转矩预测值，最终得到价值函数，可将滑块位置信息加入到价值函数中控制滑块的位置不出现超调现象，动态性能明显提升，电机伺服驱动器的抗干扰性能提升并且可靠性也显著提高，伺服电机成本大幅降低。

Description

基于有限控制集无传感器的压力机全闭环控制系统与方法

技术领域

本发明属于控制技术和金属成形技术领域，具体涉及到一种基于有限控制集无传感器的压力机全闭环控制系统与方法。

背景技术

伺服压力机的滑块位置控制方式包括三种方式，分别为开环、半闭环和全闭环三种方式。开环是不采用任何伺服压力机的位置闭环控制方式；半闭环是采用除滑块以外其他位置闭环控制方式；全闭环是采用滑块反馈闭环的位置控制方式。伺服压力机的伺服电机取代了普通的感应电机，并采用直接驱动或一级或者二级减速机构带动曲柄或者连杆机构，取消了制动器和离合器，最终的执行机构依然是滑块。吕言教授攥写的参考文献《最新伺服压力机的开发以及今后的动向》明确写明了伺服压力机的主要构成和基本传动结构，但没有明确的说明伺服压力机滑块的控制过程和控制方法。根据现阶段行业内惯例，根据上位机人机交互界面的关键点设计，生成伺服压机的成形工艺曲线，通过传动系统的对应公式，近似计算出电机运动的曲线，利用伺服驱动器的快速性和调节功能对伺服压力机进行控制。压力机位移量参数是控制压力机动作的基本参数，曲柄/连杆式压力机滑块的位移量与曲柄/连杆转过的角度成非线性关系。一般通过在曲轴端安装位置编码器采集曲轴的运转角度信号，利用近似公式计算得到压力机控制所需要的滑块位移量信号。但是由于连杆和减速机构存在运动间隙及零件公差等情况因素，实际采集的信号只能大致反映了滑块的位移量，会引起较大误差。部分发明专利申请如CN102183911A的公开内容表述，采用了磁式光栅尺进行滑块的位置精度控制，可使得控制精度达到0.01mm，但仍存在以下三个方面的问题，一是依然采用通用的伺服驱动器实现电机控制算法；二、整个实现过程依然要进行非线性系统的数学折算到电机侧进行控制；三、电机控制器还需采集电机的位置以实现电机控制算法。上述三个方面的缺点会使得滑块不能以最短时间内或者合理时间内控制到给定的位置，动态性能差，并且有可能会在位置控制过程中出现超调现象(如果滑块位置出现超调，说明超过了用户设定的位置，有可能出现成形工件的破裂和褶皱)，而且由于电机位置传感器有时会出现信号受干扰或者传感器故障的影响，系统的可靠性和稳定性大大降低。

发明内容

本发明为解决现有技术的不足，提供一种基于有限控制集无传感器的压力机全闭环控制系统与方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于有限控制集无传感器的压力机全闭环控制系统，包括伺服压力机，伺服压力机的整机电控系统与人机交互平台连接，人机交互平台输入工艺曲线关键点，并传递给整机电控系统，同时对关键状态信息进行显示；整机电控系统连接伺服电机驱动器，伺服电机驱动器接收来自整机电控系统的控制指令，伺服电机驱动器通过电缆与伺服电机相连，伺服电机刚性连接减速机构，减速机构连接连杆机构，连杆机构连接滑块；所述滑块的两侧安装平衡缸，滑块上安装有调模电机，调模电机用于完成伺服压力机的滑块微调，在滑块位置附近安装滑块位置传感器，滑块位置传感器与整机电控系统连接，滑块位置传感器将滑块实际位置的反馈信息传输到整机电控系统中；所述伺服电机驱动器里加入了基于有限控制集的无位置传感器控制算法模块，所述基于有限控制集的无位置传感器控制算法模块包括无传感器控制算法模块和有限控制集的转矩预测控制算法模块：

无传感器控制算法模块：进行电流采样和信号处理；对感应电机的状态方程进行离散化，进行转速估计，将最后估算的转速结果传输给有限控制集的转矩预测控制算法模块作为输入；

有限控制集的转矩预测控制算法模块：以动力学模型的给定转矩输出和无传感器控制算法模块对转速的估计值输出为输入；进行电磁转矩预测，计算得到价值函数，将滑块位置信息加入到价值函数中控制滑块的位置不出现超调现象。

优选的，所述滑块位置传感器为高精度的光栅尺或磁式直线式位置传感器。

基于上述有限控制集无传感器的压力机全闭环控制系统，一种基于有限控制集无传感器的压力机全闭环控制方法，包括以下步骤：

步骤一：在人机交互平台输入工艺曲线关键点，传递给伺服压力机的整机电控系统；

步骤二：整机电控系统根据伺服压力机的约束条件将人机交互平台输入的工艺曲线关键点生成符合伺服压力机运动学的工艺曲线，输出结果为成形工艺曲线，成形工艺曲线利用整机电控系统中的工艺曲线插补算法进行实现；

步骤三：在整机电控系统中建立动力学模型，以成形工艺曲线与滑块实际位置之差作为动力学模型的输入，滑块实际位置由滑块位置传感器采集后，反馈给整机电控系统，根据动力学模型计算并输出给定转矩；

步骤四：无传感器控制算法模块对伺服电机转速进行估计，并将转速的估计值作为基于有限控制集的转矩预测转矩预测控制算法模块的输入，同时将步骤三输出的给定转矩作为有限控制集的转矩预测控制算法模块的输入；然后有限控制集的转矩预测控制算法模块对电磁转矩进行预测计算，得到电磁转矩预测值，并通过电磁转矩预测值得到定子电压方程和定子电流方程，进而得到下一步的最优控制律的价值函数，有限控制集的转矩预测控制算法模块将滑块位置信息加入到价值函数中控制滑块的位置不出现超调现象。

作为优选方案：

所述步骤二中，通过分段多项式曲线插补算法生成平滑的成形工艺曲线。

所述步骤三中，通过利用拉格朗日定理、哈密顿定理和雅可比矩阵，建立伺服压力机的动力学模型。

所述步骤三中，输出给定转矩为电机转矩或可线性转化成为转矩的结果。

所述步骤三中，动力学模型中结合几何限制和完整约束关系，选择合理自由度为1，利用曲柄角度直接将曲柄连杆的表达式简化为数学方程的形式。

所述步骤四中，无传感器控制算法模块对伺服电机转速进行估计计算包括以下步骤：

步骤A：对感应电机的状态方程进行离散化；

步骤B：对转速进行估计计算。

上述步骤B中对转速进行估计计算包括以下步骤：1)计算状态预测值；2)状态协方差矩阵；3)计算卡尔曼增益矩阵；4)估计状态矢量；5)更新状态协方差矩阵。

所述步骤四中，有限控制集的转矩预测控制算法包括以下步骤：

步骤C：将步骤四转速的估计值和步骤三输出的给定转矩作为有限控制集的转矩预测控制算法模块的输入；

步骤D：计算电磁转矩预测值；

步骤E：根据电磁转矩预测值得到鼠笼式定子电压方程和定子电流方程，最后得到价值函数。

本发明的有益效果：

一、本发明能大幅提高伺服压力机全行程范围内滑块位置绝对控制精度，将滑块位置绝对控制精度从0.1mm提高到0.01mm；重复定位精度可在原有控制精度基础上提高1个数量级；

二、解决了传统伺服压力机的位置控制模式存在超调的问题，并且提高了滑块位置控制动态性能；

三、取消了伺服电机位置传感器，伺服电机成本降低，可靠性大大提高，系统的抗干扰性能提高。

附图说明

图1为本发明伺服压力机的全闭环基本架构示意图。

图2为基于有限集的伺服压力机无传感器控制方法框架图。

图中，1整机电控系统，2人机交互平台，3伺服电机驱动器，4伺服电机，5平衡缸，6滑块，7调模电机，8滑块位置传感器。

具体实施方式

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均属于本发明的保护范围。

本发明的基于有限控制集无传感器的压力机全闭环控制系统包括伺服压力机，所述伺服压力机的整机电控系统1是整个系统的控制核心，可进行压力机逻辑单元的控制和信号处理。整机电控系统1与人机交互平台2连接，人机交互平台2可输入工艺曲线关键点，并传递给伺服压力机的整机电控系统1，同时对关键状态信息进行显示。

伺服压力机的整机电控系统1连接伺服电机驱动器3，伺服电机驱动器3接受来自整机电控系统1的控制指令，伺服电机驱动器3通过电缆与伺服电机4相连，伺服电机4刚性连接减速机构，减速机构连接连杆机构，连杆机构连接滑块6。伺服电机4通过刚性连接带动减速机构的减速箱齿轮旋转运动，通过减速箱输出上的曲轴转动带动连杆的连动，可使得滑块6完成最后的上下运动。压力机的工作原理为公知常识，这里不过多介绍。

所述滑块6的两侧安装平衡缸5，平衡缸5主要作用是产生与滑块6重力相同的力，由液压或者气动装置驱动。滑块6上还安装有调模电机7，调模电机7主要作用为完成伺服压力机的滑块6微调。在滑块6位置附近安装滑块位置传感器8，以提供滑块6位置的反馈信息，安装的滑块位置传感器8与整机电控系统1连接，将滑块6实际位置的反馈信息传输到整机电控系统1当中。优选的，滑块6位置附近安装高精度的光栅尺或者磁式直线式位置传感器。

本发明将现有的伺服电机4处的伺服电机位置传感器取消，不再在伺服电机4处安装光电编码器等位置传感器，进而在伺服电机驱动器3里加入了基于有限控制集的无位置传感器控制算法模块来替代。

所述基于有限控制集的无位置传感器控制算法模块包括两部分，分别是无传感器控制算法模块和有限控制集的转矩预测控制算法模块。下面分别介绍两算法模块的作用：

无传感器控制算法模块：包括对感应电机的状态方程进行离散化，从而进行转速估计；进行电流采样和信号处理等，并且将最后估算的转速结果传输给有限控制集的转矩预测控制算法模块，将其作为有限控制集的转矩预测控制算法模块中的输入。

有限控制集的转矩预测控制算法模块：有限控制集的转矩预测控制有两个输入，一个是动力学模型的给定转矩输出，一个是无传感器控制算法模块对转速的估计值输出；有限控制集的转矩预测控制算法模块则包括了电机功率模型开关状态的选择和优化，价值函数的选取和计算，转矩预测方程实现等。可根据动力学模型给定的转矩指令进入转矩预测控制算法当中。有限控制集的转矩预测控制可将滑块6位置信息加入到价值函数中控制滑块6的位置不出现超调现象。

本发明基于有限控制集无传感器的压力机全闭环控制方法，包括以下步骤；

步骤一：在人机交互平台2输入工艺曲线关键点，传递给伺服压力机的整机电控系统1。

步骤二：整机电控系统1根据伺服压力机的约束条件将人机交互平台2输入的工艺曲线关键点生成符合伺服压力机运动学的工艺曲线，输出结果为成形工艺曲线。成形工艺曲线利用整机电控系统1中的工艺曲线插补算法进行实现。

步骤三：在整机电控系统1中建立动力学模型，以成形工艺曲线与滑块6实际位置之差作为动力学模型的输入。滑块6实际位置由滑块6位置附近安装高精度的光栅尺或者磁式直线式位置传感器采集后反馈给整机电控系统1。根据上述建立的动力学模型计算并输出给定转矩，给定转矩为电机转矩或可线性转化成为转矩的结果。

步骤四：无传感器控制算法模块对伺服电机转速进行估计，并将转速的估计值作为基于有限控制集的转矩预测控制算法模块的输入，同时将步骤三输出的给定转矩作为有限控制集的转矩预测控制算法模块的输入；然后有限控制集的转矩预测控制算法模块对电磁转矩进行预测计算，得到电磁转矩预测值，并通过电磁转矩预测值得到定子电压方程和定子电流方程，进而得到下一步的最优控制律的价值函数，这样有限控制集的转矩预测控制算法模块可将滑块6位置信息加入到价值函数中控制滑块6的位置不出现超调现象。

上述优选的，步骤二中，通过分段多项式曲线插补算法生成平滑的成形工艺曲线。

上述优选的，步骤三中，通过利用拉格朗日定理、哈密顿定理和雅可比矩阵等，建立伺服压力机的动力学模型。结合几何限制和完整约束关系，选择合理自由度为1，可利用曲柄角度直接将曲柄连杆的表达式简化为数学方程的形式。动力学模型输出为动力学计算输出的电机转矩或者可线性转化成为转矩的结果，如下：

其中Γ＝T-L，T为伺服压力机的传动部件动能和，L为伺服压力机的传动部件势能和，θ为伺服压力机的曲轴角度或者选取的关键角度，τ为计算的输出给定转矩。

上述优选的，步骤四中，无传感器控制算法模块对伺服电机转速进行估计计算包括以下步骤：

步骤A：对感应电机的状态方程进行离散化

感应电机的状态方程可写为

px＝Ax+Bu (2)

y＝Cx (3)

其中x＝[i_oα，i_oβ，ψ_rα，ψ_rβ]，u＝[u_oα，u_oβ]，y＝[i_sα，i_sβ]；六个变量i_sα、i_sβ、ψ_ra、ψ_rβ、u_sα、u_sβ依次为两相静止坐标系下的alpha相电流、beta相电流、alpha相磁链、beta相磁链、alpha相电压、beta相电压；p代表微分算子；

其中

L_r转子电感，L_s定子电感，L_m互感，R_s定子电阻，R_r转子电阻，ω_r转子速度。

当电流的采样周期很小或负载惯量相对较大时，转速的变化可以忽略不计，在无速度传感器控制中的转速未知，方程为非线性，则可得到五阶离散增广阵，

px＝A_dx+B_du (4)

y＝C_dx (₅)

其中x＝[i_sα，i_sβ，ψ_rα，ψ_rβ，ω_r]，u＝[u_sa，u_sβ]；

将连续方程离散化过程中，可知A_d＝I+AT；B_d＝BT；C_d＝C，

T为采样周期。

步骤B：对转速进行估计计算

利用扩展卡尔曼滤波器进行转速和转矩估计的递推步骤如下：

1、计算状态预测值

2、状态协方差矩阵

3、计算卡尔曼增益矩阵

4、估计状态矢量

5、更新状态协方差矩阵

其中F和H分别是A_d和C_d的雅可比矩阵，k表示第k步。

上述，上标为“～”的表示预测值，上标为“^”的表示估计值。

上述优选的，步骤四中，有限控制集的转矩预测控制算法包括以下步骤：

步骤C：将步骤四转速的估计值和步骤三输出的给定转矩作为有限控制集的转矩预测控制算法模块的输入。

步骤D：计算电磁转矩预测值

基于欧拉离散方法，对鼠笼式感应电机的转子和定子磁链方程展开，得

定子磁链预测可通过定子电压方程得到

利用欧拉公式离散化得到下一步得定子磁链预测值

ψ_s(k+1)＝ψs(k)+T_sv_s-R_sT_si_s(k) (14)

电磁转矩预测值为

步骤E：得到价值函数

根据电磁转矩预测值，可得到鼠笼式定子电压方程，并通过鼠笼式定子电压方程可得到定子电流方程，分别如下：

预测下一步的最优控制律通过价值函数来体现：

g＝|T^*-T(k+1)|+λ₀|||ψ_s ^*||-||ψ_s(k+1)||+|pos^*-pos| (18)

其中ψ_r(k)表示第k步转子磁链，ψ_s(k)表示第k步定子磁链，v_s表示定子电压，i_s表示定子电流，T(k+1)表示第k+1步的电机转矩，上述式中Im表示取虚部，j代表虚部表示符号，λ₀表示权重符号，pos表示滑块6实际位置反馈值，pos^*表示给定滑块6成形工艺曲线的位置值，ψ_s ^*表示给定磁链值，n_p表示电机极对数。这里的T^*表示给定转矩值，此值等于压力机动力学模型输出给定转矩τ。

根据价值函数的优化结果，可得到伺服电机驱动器的三相功率单元的开关状态，可控制IGBT门级动作，实现伺服驱动器的电流输出，控制伺服电机。

这样有限控制集的转矩预测控制算法模块可将滑块6位置信息加入到价值函数中控制滑块6的位置不出现超调现象。

现有技术只能通过曲轴的角度传感器反馈滑块6位置，进行半闭环的位置控制，该方式能够解决曲柄处的角度误差，但对于伺服压力机的连杆间隙的误差和机体变形引起的误差依然不能消除。常规的伺服压力机方式是采用将电机之外的机械传动部件进行数学关系的折算，在伺服电机4控制实现运动控制，控制方式为开环控制方式，这种方式可能会出现滑块6位置超调，影响工件成形质量，更不能保证滑块6的绝对位置控制精度。

本发明的优点在于能准确地控制伺服压力机滑块6绝对位置，且不会出现超调，动态性能明显提升，伺服压力机的传动结构融入到控制算法中。由于取消了电机的位置编码器，伺服电机驱动器3的抗干扰性能提升并且可靠性也显著提高，伺服电机4控制成本大幅降低。

以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于有限控制集无传感器的压力机全闭环控制系统，包括伺服压力机，伺服压力机的整机电控系统（1）与人机交互平台（2）连接，人机交互平台（2）输入工艺曲线关键点，并传递给整机电控系统（1），同时对关键状态信息进行显示；整机电控系统（1）连接伺服电机驱动器（3），伺服电机驱动器（3）接收来自整机电控系统（1）的控制指令，伺服电机驱动器（3）通过电缆与伺服电机（4）相连，伺服电机（4）刚性连接减速机构，减速机构连接连杆机构，连杆机构连接滑块（6）；所述滑块（6）的两侧安装平衡缸（5），滑块（6）上安装有调模电机（7），调模电机（7）用于完成伺服压力机的滑块（6）微调，在滑块（6）位置附近安装滑块位置传感器（8），滑块位置传感器（8）与整机电控系统（1）连接，滑块位置传感器（8）将滑块（6）实际位置的反馈信息传输到整机电控系统（1）中；所述伺服电机驱动器里加入了基于有限控制集的无位置传感器控制算法模块，所述基于有限控制集的无位置传感器控制算法模块包括无传感器控制算法模块和有限控制集的转矩预测控制算法模块：

无传感器控制算法模块：进行电流采样和信号处理；对感应电机的状态方程进行离散化，进行转速估计，将最后估算的转速结果传输给有限控制集的转矩预测控制算法模块作为输入；

有限控制集的转矩预测控制算法模块：以动力学模型的给定转矩输出和无传感器控制算法模块对转速的估计值输出为输入；进行电磁转矩预测，计算得到价值函数，将滑块（6）位置信息加入到价值函数中控制滑块（6）的位置不出现超调线性。

2.根据权利要求1所述的基于有限控制集无传感器的压力机全闭环控制系统，其特征在于：所述滑块位置传感器（8）为高精度的光栅尺或磁式直线式位置传感器。

3.根据权利要求1或2所述的基于有限控制集无传感器的压力机全闭环控制系统，一种基于有限控制集无传感器的压力机全闭环控制方法，包括以下步骤：

步骤一：在人机交互平台（2）输入工艺曲线关键点，传递给伺服压力机的整机电控系统（1）；

步骤二：整机电控系统（1）根据伺服压力机的约束条件将人机交互平台（2）输入的工艺曲线关键点生成符合伺服压力机运动学的工艺曲线，输出结果为成形工艺曲线，成形工艺曲线利用整机电控系统（1）中的工艺曲线插补算法进行实现；

步骤三：在整机电控系统（1）中建立动力学模型，以成形工艺曲线与滑块（6）实际位置之差作为动力学模型的输入，滑块（6）实际位置由滑块位置传感器（8）采集后反馈给整机电控系统（1），根据动力学模型计算并输出给定转矩；

步骤四：无传感器控制算法模块对伺服电机转速进行估计，并将转速的估计值作为基于有限控制集的转矩预测控制算法模块的输入，同时将步骤三输出的给定转矩作为有限控制集的转矩预测控制算法模块的输入；然后有限控制集的转矩预测控制算法模块对电磁转矩进行预测计算，得到电磁转矩预测值，并通过电磁转矩预测值得到定子电压方程和定子电流方程，进而得到下一步的最优控制律的价值函数，有限控制集的转矩预测控制算法模块将滑块（6）位置信息加入到价值函数中控制滑块（6）的位置不出现超调现象。

4.根据权利要求3所述的基于有限控制集无传感器的压力机全闭环控制方法，其特征在于：所述步骤二中，通过分段多项式曲线插补算法生成平滑的成形工艺曲线。

5.根据权利要求3所述的基于有限控制集无传感器的压力机全闭环控制方法，其特征在于：所述步骤三中，通过利用拉格朗日定理、哈密顿定理和雅可比矩阵，建立伺服压力机的动力学模型。

6.根据权利要求3所述的基于有限控制集无传感器的压力机全闭环控制方法，其特征在于：所述步骤三中，输出给定转矩为电机转矩或可线性转化成为转矩的结果。

7.根据权利要求3所述的基于有限控制集无传感器的压力机全闭环控制方法，其特征在于：所述步骤三中，动力学模型中结合几何限制和完整约束关系，选择合理自由度为1，利用曲柄角度直接将曲柄连杆的表达式简化为数学方程的形式。

8.根据权利要求3所述的基于有限控制集无传感器的压力机全闭环控制方法，其特征在于：所述步骤四中，无传感器控制算法模块对伺服电机转速进行估计计算包括以下步骤：

步骤A：对感应电机的状态方程进行离散化；

步骤B：对转速进行估计计算。

9.根据权利要求8所述的基于有限控制集无传感器的压力机全闭环控制方法，其特征在于：步骤B中对转速进行估计计算包括以下步骤：1）计算状态预测值；2）状态协方差矩阵；3）计算卡尔曼增益矩阵；4）估计状态矢量；5）更新状态协方差矩阵。

10.根据权利要求3所述的基于有限控制集无传感器的压力机全闭环控制方法，其特征在于：所述步骤四中，有限控制集的转矩预测控制算法包括以下步骤：

步骤C：将步骤四转速的估计值和步骤三输出的给定转矩作为有限控制集的转矩预测控制算法模块的输入；

步骤D：计算电磁转矩预测值；

步骤E：根据电磁转矩预测值得到鼠笼式定子电压方程和定子电流方程，最后得到价值函数。

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