一种基于改进偏差耦合的多驱动系统协同控制方法及系统

1.本发明涉及多驱动系统协同控制技术领域，更具体的说是涉及一种基于改进偏差耦合的多驱动系统协同控制方法及系统。


背景技术：

2.目前，现有的多电机同步控制方法仅能适用于多电机系统，解决多电机系统的同步运行，但是无法适用于其他多驱动系统，另外现有的电机同步控制方法无法解决各驱动系统速度不一致的问题。并且在建立多驱动系统的数学模型时，常用的理论建模方法的模型精度差，且缺乏真实实验的理论指导，无法准确地反映驱动系统的真实特性。
3.因此，提出一种基于改进偏差耦合的多驱动系统协同控制方法，将改进偏差耦合控制策略和准滑模技术相结合，提高多驱动系统的鲁棒性、收敛速度和协同精度是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供了一种基于改进偏差耦合的多驱动系统协同控制方法，将改进偏差耦合控制策略和准滑模技术相结合，提高多驱动系统的鲁棒性、收敛速度和协同精度，为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
5.一种基于改进偏差耦合的多驱动系统协同控制方法，包括：
6.构建多驱动系统模型；
7.采用准滑模控制算法对初始指令进行处理；
8.通过速度跟踪误差和改进耦合偏差得到综合偏差改进偏差耦合控制策略对所述多驱动系统模型进行速度协同优化；
9.基于处理后的初始指令以及优化后的多驱动系统模型构建协同控制器；
10.通过所述协同控制器进行驱动控制。
11.可选的，所述多驱动系统模型包括：
[0012][0013]
其中，p为电机的极对数；ψf为电机转子磁链；j为负载的转动惯量；b为粘滞摩擦系数；ωi(t)为第i(i＝1,
…
,n)个电机转子的速度；t
l
为电机的负载转矩。
[0014]
可选的，所述采用准滑模控制算法对初始指令进行处理具体步骤为：
[0015]
定义驱动系统初始指令误差；
[0016]
根据所述驱动系统初始指令误差定义滑模面切换函数；
[0017]
将滑模控制指数趋近率中的符号函数用饱和函数表示对初始指令误差进行约束。
[0018]
可选的，包括：通过lyapunov函数对滑模面切换函数进行稳定性验证，通过满足lyapunov稳定条件，使滑模面切换函数最终会稳定在滑模面。
[0019]
可选的，所述改进偏差耦合控制策略包括：
[0020]
定义驱动系统的速度跟踪误差；
[0021]
将耦合偏差控制系统中的耦合偏差进行优化获得改进耦合偏差；
[0022]
将驱动系统的速度跟踪误差和改进耦合偏差进行加权得到驱动系统的综合偏差。
[0023]
可选的，包括：
[0024]
驱动系统采用pid计算控制量，在计算出综合偏差后，对驱动系统的耦合偏差进行更新，采用pid计算得到实际控制量，对驱动系统自身的速度跟踪误差及各驱动系统之间耦合偏差进行同步消除。
[0025]
可选的，一种基于改进偏差耦合的多驱动系统协同控制系统，包括：
[0026]
构建模块：用于构建多驱动系统模型；
[0027]
优化模块：用于采用准滑模控制算法对初始指令进行处理，通过速度跟踪误差和改进耦合偏差得到综合偏差改进偏差耦合控制策略对所述多驱动系统模型进行速度协同优化；
[0028]
整合模块：基于处理后的初始指令以及优化后的多驱动系统模型构建协同控制器；
[0029]
驱动模块：通过所述协同控制器进行驱动控制。
[0030]
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于改进偏差耦合的多驱动系统协同控制方法及系统，具有如下有益效果：
[0031]
本发明提出的改进偏差耦合多驱动系统协同控制方法与现有的多电机同步控制方法相比，本发明提出的方法所述多驱动系统协同控制器不仅能适用于多电机系统，还适用于其它多驱动系统；本发明所述方法不仅能解决多驱动系统的同步问题，还能解决各驱动系统速度不一致情况下的精确协调控制问题。
[0032]
本发明在建立多驱动系统的数学模型时，提出了理论建模和实验法相结合的方法，相对于常用的理论建模方法具有更高的模型精度，相对于实验法具有更明确的理论指导，更能准确反映驱动系统的真实特性。
[0033]
本发明提出的方法将改进偏差耦合控制策略和准滑模技术相结合，相对于现有技术大大提高了多驱动系统的鲁棒性、收敛速度和协同精度。
附图说明
[0034]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0035]
图1为本发明提供的一种基于改进偏差耦合的多驱动系统协同控制方法流程示意图。
[0036]
图2为本发明提供的一种基于改进偏差耦合的多驱动系统协同控制系统框架示意图。
具体实施方式
[0037]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完
整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0038]
本发明实施例公开了一种基于改进偏差耦合的多驱动系统协同控制方法，包括：
[0039]
构建多驱动系统模型；
[0040]
采用准滑模控制算法对初始指令进行处理；
[0041]
通过速度跟踪误差和改进耦合偏差得到综合偏差改进偏差耦合控制策略对所述多驱动系统模型进行速度协同优化；
[0042]
基于处理后的初始指令以及优化后的多驱动系统模型构建协同控制器；
[0043]
通过所述协同控制器进行驱动控制。
[0044]
进一步的，所述多驱动系统模型包括：
[0045][0046]
其中，p为电机的极对数；ψf为电机转子磁链；j为负载的转动惯量；b为粘滞摩擦系数；ωi(t)为第i(i＝1,
…
,n)个电机转子的速度；t
l
为电机的负载转矩。
[0047]
进一步的，所述采用准滑模控制算法对初始指令进行处理具体步骤为：
[0048]
定义驱动系统初始指令误差；
[0049]
根据所述驱动系统初始指令误差定义滑模面切换函数；
[0050]
将滑模控制指数趋近率中的符号函数用饱和函数表示对初始指令误差进行约束。
[0051]
进一步的，包括：通过lyapunov函数对滑模面切换函数进行稳定性验证，通过满足lyapunov稳定条件，使滑模面切换函数最终会稳定在滑模面。
[0052]
进一步的，所述改进偏差耦合控制策略包括：
[0053]
定义驱动系统的速度跟踪误差；
[0054]
将耦合偏差控制系统中的耦合偏差进行优化获得改进耦合偏差；
[0055]
将驱动系统的速度跟踪误差和改进耦合偏差进行加权得到驱动系统的综合偏差。
[0056]
进一步的，包括：
[0057]
驱动系统采用pid计算控制量，在计算出综合偏差后，对驱动系统的耦合偏差进行更新，采用pid计算得到实际控制量，对驱动系统自身的速度跟踪误差及各驱动系统之间耦合偏差进行同步消除。
[0058]
在实施例1中，一种改进偏差耦合多驱动系统协同控制方法，包括：
[0059]
步骤1，利用理论建模和实验法相结合的方法建立多驱动系统的数学模型。
[0060]
理论建模能根据执行机构的物理参数及各种物理定律，显式表征数学模型，形式上更为直观，但建模过程通常进行了一定的近似和简化，导致建模结果与实际系统相比存在一定的误差。其中根据物理定律建立的多驱动系统的数学模型如下：
[0061][0062]
其中，p为电机的极对数；ψf为电机转子磁链；j为负载的转动惯量；b为粘滞摩擦系数；ωi(t)为第i(i＝1,
…
,n)个电机转子的速度；t
l
为电机的负载转矩。
[0063]
实验方法是通过对实际系统响应的实验测量获取其输入输出关系，虽结果更能反
映系统的真实特性，但缺乏对系统本质的了解。二者结合将进行优势互补，既能了解系统本质，又能获取实际系统准确的响应特性，对后续的协同控制研究具有更高的指导意义。
[0064]
步骤2，设计改进偏差耦合控制策略。
[0065]
2.1：定义各驱动系统的速度跟踪误差为：
[0066]eself
＝x
d-x
[0067]
其中，xd是各驱动系统的参考速度向量；x是各驱动系统的实际速度向量。
[0068]
2.2：为了在保证各驱动系统高精度协同的情况下，降低控制系统复杂度，提高控制系统的实时性和可靠性，将传统偏差耦合控制系统中的耦合偏差改进为：
[0069]ecouple
＝p
·eself
[0070]
其中，为耦合偏差的系数矩阵。
[0071]
由此可知，当改进耦合偏差e
couple
→
0时，可以保证各驱动系统自身的跟踪误差也同步收敛于0，从而实现对综合误差消除的目的。
[0072]
2.3：将各驱动系统的自身偏差和改进耦合偏差进行加权求和即可得到各驱动系统的综合偏差为：
[0073]ecom
＝(1-α)
·eself
+α
·ecouple
[0074]
其中，α为耦合偏差的权重因子，取值范围为(0,1)。
[0075]
2.4：计算出综合偏差后，各驱动系统采用pid计算得到控制量，实现对各驱动系统自身偏差及相互之间耦合偏差同步消除的效果。
[0076]
步骤3，为应对多驱动系统可能面临的外部干扰、负载变化等扰动，采用准滑模控制算法对初始指令进行处理，得到各驱动系统的运动指令。
[0077]
3.1：定义多驱动系统的初始指令误差如下：
[0078]
e＝q
d-q
[0079]
其中，qd和q分别为期望指令和实际响应。
[0080]
3.2：定义滑模面切换函数为：
[0081][0082]
其中，c为大于零的常系数。
[0083]
3.3：将滑模控制指数趋近率中的符号函数用饱和函数取代，得到：
[0084][0085]
其中，ε为大于零的常系数；k为大于零的常系数；sat(
·
)为饱和函数，其具体形式为：
[0086][0087]
其中，δ是边界层参数，为大于零的常数。
[0088]
3.4：取lyapunov函数为
[0089][0090]
其中，成立。对两端求导可得：
[0091][0092]
可以看出恒成立，当且仅当s＝0时故而满足lyapunov稳定条件，s最终会稳定在滑模面。
[0093]
步骤4：结合多驱动系统的数学模型得到多驱动系统的协同控制器为
[0094]
其中，c、b、a为多驱动系统数学模型采用状态空间表示法的系数矩阵，x是各驱动系统的实际速度向量。
[0095]
在实施例2中，一种基于改进偏差耦合的多驱动系统协同控制系统，包括：
[0096]
构建模块：用于构建多驱动系统模型；
[0097]
优化模块：用于采用准滑模控制算法对初始指令进行处理，通过速度跟踪误差和改进耦合偏差得到综合偏差改进偏差耦合控制策略对所述多驱动系统模型进行速度协同优化；
[0098]
整合模块：基于处理后的初始指令以及优化后的多驱动系统模型构建协同控制器；
[0099]
驱动模块：通过所述协同控制器进行驱动控制。
[0100]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0101]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.一种基于改进偏差耦合的多驱动系统协同控制方法，其特征在于，包括：构建多驱动系统模型；采用准滑模控制算法对初始指令进行处理；通过速度跟踪误差和改进耦合偏差得到综合偏差改进偏差耦合控制策略对所述多驱动系统模型进行速度协同优化；基于处理后的初始指令以及优化后的多驱动系统模型构建协同控制器；通过所述协同控制器进行驱动控制。2.根据权利要求1所述的一种基于改进偏差耦合的多驱动系统协同控制方法，其特征在于，所述多驱动系统模型包括：其中，p为电机的极对数；ψ
f
为电机转子磁链；j为负载的转动惯量；b为粘滞摩擦系数；ω
i
(t)为第i(i＝1,
…
,n)个电机转子的速度；t
l
为电机的负载转矩。3.根据权利要求1所述的一种基于改进偏差耦合的多驱动系统协同控制方法，其特征在于，所述采用准滑模控制算法对初始指令进行处理具体步骤为：定义驱动系统初始指令误差；根据所述驱动系统初始指令误差定义滑模面切换函数；将滑模控制指数趋近率中的符号函数用饱和函数表示对初始指令误差进行约束。4.根据权利要求3所述的一种基于改进偏差耦合的多驱动系统协同控制方法，其特征在于，包括：通过lyapunov函数对滑模面切换函数进行稳定性验证，通过满足lyapunov稳定条件，使滑模面切换函数最终会稳定在滑模面。5.根据权利要求1所述的一种基于改进偏差耦合的多驱动系统协同控制方法，其特征在于，所述改进偏差耦合控制策略包括：定义驱动系统的速度跟踪误差；将耦合偏差控制系统中的耦合偏差进行优化获得改进耦合偏差；将驱动系统的速度跟踪误差和改进耦合偏差进行加权得到驱动系统的综合偏差。6.根据权利要求5所述的一种基于改进偏差耦合的多驱动系统协同控制方法，其特征在于，包括：驱动系统采用pid计算控制量，在计算出综合偏差后，对驱动系统的耦合偏差进行更新，采用pid计算得到实际控制量，对驱动系统自身的速度跟踪误差及各驱动系统之间耦合偏差进行同步消除。7.一种基于改进偏差耦合的多驱动系统协同控制系统，其特征在于，包括：构建模块：用于构建多驱动系统模型；优化模块：用于采用准滑模控制算法对初始指令进行处理，通过速度跟踪误差和改进耦合偏差得到综合偏差改进偏差耦合控制策略对所述多驱动系统模型进行速度协同优化；整合模块：基于处理后的初始指令以及优化后的多驱动系统模型构建协同控制器；驱动模块：通过所述协同控制器进行驱动控制。

技术总结
本发明公开了一种基于改进偏差耦合的多驱动系统协同控制方法及系统，涉及多驱动系统协同控制技术领域，包括：构建多驱动系统模型；通过速度跟踪误差和改进耦合偏差得到综合偏差改进偏差耦合控制策略对所述多驱动系统模型进行速度协同优化；采用准滑模控制算法对初始指令进行处理；基于处理后的初始指令以及优化后的多驱动系统模型构建协同控制器；通过所述协同控制器进行驱动控制。本发明建立多驱动系统的数学模型；设计改进偏差耦合控制策略；将改进偏差耦合控制策略和准滑模技术相结合，设计多驱动系统协同控制器，能够有效解决多驱动系统速度协同的问题，并提高系统的跟踪性能和鲁棒性，实现多驱动系统的稳定运行。实现多驱动系统的稳定运行。实现多驱动系统的稳定运行。


技术研发人员：程元皓 王乃格 吴英龙 汤何胜 向家伟
受保护的技术使用者：温州大学平阳智能制造研究院
技术研发日：2023.05.24
技术公布日：2023/8/1