阅读说明：本技术 一种被动式力加载的自适应驱动控制方法和系统 (Passive force loading self-adaptive drive control method and system ) 是由 王寅 闫怡汝 许航 谭济芸 周苗林 于 2019-11-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种被动式力加载的自适应驱动控制方法和系统。所述方法包括：获取所述系统的输入和输出,输入为速度,输出为加载力信息；根据所述速度和所述加载力信息,利用力随动加载控制器的评价指标模型进行处理,得到力随动加载控制器的非线性控制律；引入参考模型,根据加载力信息和所述速度,获取虚参考指令；根据所述虚参考指令,获取力偏差信号的虚误差；根据所述虚误差,获取力随动加载控制器的新评价指标模型；利用所述新评价指标模型,对非线性控制律进行修正,得到修正后的非线性控制律。本发明提供的被动式力加载的自适应驱动控制方法和系统,具有高性能、高加载精度和高可靠性的特点。(The invention discloses a passive force loading self-adaptive drive control method and system. The method comprises the following steps: acquiring input and output of the system, wherein the input is speed, and the output is loading force information; processing by utilizing an evaluation index model of the force follow-up loading controller according to the speed and the loading force information to obtain a nonlinear control law of the force follow-up loading controller; introducing a reference model, and acquiring a virtual reference instruction according to the loading force information and the speed; acquiring a virtual error of the force deviation signal according to the virtual reference instruction; acquiring a new evaluation index model of the force follow-up loading controller according to the virtual error; and correcting the nonlinear control law by using the new evaluation index model to obtain the corrected nonlinear control law. The passive force loading self-adaptive drive control method and system provided by the invention have the characteristics of high performance, high loading precision and high reliability.)

一种被动式力加载的自适应驱动控制方法和系统

技术领域

本发明涉及系统控制技术领域，特别是涉及具有非线性，强干扰，且未精确建模的一种被动式力加载的自适应驱动控制方法和系统。

背景技术

被动式力矩伺服系统主要应用于航空航天伺服作动系统的力学载荷特性半实物仿真，能够模拟真实环境下运动机构所承受的力学载荷特性，分析并研究伺服系统的性能，在科研生产和试验等诸多领域具有非常重要的作用。而随着空间机构各项性能指标不断提高，对被动式力矩伺服系统的加载能力和伺服精度等方面也提出更高的要求，因此对被动式力矩伺服系统的加载控制策略研究成为热点及难点。区别于传统的被动式力伺服系统，当承载侧运动与加载侧运动不能建立一对一映射关系时，机构运动复杂性提高会导致控制器各项扰动作用加强，研究被动式力伺服加载控制方法以满足不同强度、不同加载频率下的伺服加载有重要意义。

被动式力加载控制所针对的加载对象多为非线性、强干扰、时变系统。目前，传统的面向被动式力矩伺服加载控制常采用的策略多为针对加载侧实现力矩伺服控制，针对承载侧实现位置伺服控制，将加载侧与承载侧的位置偏差信号转换为扰动力矩，通过基于模型的控制方法观测并补偿系统的内部及外部干扰以减小或消除因多余力矩而对加载精度产生的影响。面向被动式力伺服加载控制时，当加载系统模型不能准确获取相关数据且负载侧期望位置轨迹未知，并且整个系统不仅存在因加载侧与承载侧位置偏差引起的难以避免的外部扰动，还存在因加载机构复杂化而带来的各项未知干扰，使得传统被动式力伺服加载控制策略无法满足高性能、高加载精度和高可靠性的加载要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种被动式力加载的自适应驱动控制方法和系统，具有高性能、高加载精度和高可靠性的特点。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种被动式力加载的自适应驱动控制方法，应用于非线性的被动式力加载系统，所述被动式力加载系统包括力随动加载控制器，所述方法包括：

获取所述系统的输入和输出，输入为速度v(k)，输出为加载力信息F(k)；

根据所述速度v(k)和所述加载力信息F(k)，利用力随动加载控制器的评价指标模型进行处理，得到力随动加载控制器的非线性控制律p(k)；

引入参考模型，根据加载力信息F(k)和所述速度v(k)，获取虚参考指令F(k)_d；

根据所述虚参考指令F(k)_d，获取力偏差信号的虚误差e_vir；

根据所述虚误差e_vir，获取力随动加载控制器的新评价指标模型；

利用所述新评价指标模型，对非线性控制律p(k)进行修正，得到修正后的非线性控制律p′(k)。

可选的，所述根据所述速度v(k)和所述加载力信息F(k)，利用力随动加载控制器的评价指标模型进行处理，得到力随动加载控制器的非线性控制律p(k)，包括：

根据所述速度v(k)和所述加载力信息F(k)，将所述非线性的被动式力加载系统等效为线性模型；所述线性模型为ΔF(k+1)＝g(k)Δv(k)，其中，

F(k+1)＝f(F(k),…,F(k-m),v(k),…v(k-n))，f(·)为未知非线性光滑函数，m和n均为未知常数项；

确定所述力随动加载控制器的评价指标模型，所述力随动加载控制器的评价指标模型为J(p(k))＝|F^*-F(k+1)|²+λ|v(k)-v(k-1)|²，其中，λ为大于0的输入限制因子，F(k+1)为k+1时刻的加载力信息，F^*为所述被动式力加载系统期望的加载指令；

将所述线性模型代入所述力随动加载控制器的评价指标模型，得到力随动加载控制器的非线性控制律p(k)，其中，h为步长系数，λ为输入限制因子，F^*为系统期望的加载指令。

可选的，所述新评价指标模型为：

其中，L(z)为置于力控制器与被控加载系统之间的滤波器，e_vir(k)为k时刻的力偏差信号的虚误差，N为采样时刻，Con(z,θ)为参数化力控制器。

可选的，所述利用所述新评价指标模型，对非线性控制律p(k)进行修正，得到修正后的非线性控制律p′(k)，包括：

确定力控参数

根据所述非线性控制律p(k)，确定力控参数θ与时变参数g(k)间的关系；所述力控参数θ与时变参数g(k)间的关系为

根据所述力控参数θ与时变参数g(k)间的关系，确定得到时变参数g(k)的估值

根据所述时变参数g(k)的估值

对非线性控制律p(k)进行修正，得到修正后的非线性控制律p′(k)；所述修正后的非线性控制律p′(k)为：

其中，h为步长系数，λ为输入限制因子，F^*(k+1)为k时刻为系统期望的加载指令。

一种被动式力加载的自适应驱动控制系统，包括：

输入输出获取模块，用于获取所述系统的输入和输出，输入为速度v(k)，输出为加载力信息F(k)；

非线性控制律获取模块，用于根据所述速度v(k)和所述加载力信息F(k)，利用力随动加载控制器的评价指标模型进行处理，得到力随动加载控制器的非线性控制律p(k)；

虚参考指令获取模块，用于引入参考模型，根据加载力信息F(k)和所述速度v(k)，获取虚参考指令F(k)_d；

虚误差获取模块，用于根据所述虚参考指令F(k)_d，获取力偏差信号的虚误差e_vir；

新评价指标模型获取模块，用于根据所述虚误差e_vir，获取力随动加载控制器的新评价指标模型；

修正模块，用于利用所述新评价指标模型，对非线性控制律p(k)进行修正，得到修正后的非线性控制律p′(k)。

可选的，所述非线性控制律获取模块包括：

线性模型等效单元，用于根据所述速度v(k)和所述加载力信息F(k)，将所述非线性的被动式力加载系统等效为线性模型；所述线性模型为ΔF(k+1)＝g(k)Δv(k)，其中，

F(k+1)＝f(F(k),…,F(k-m),v(k),…v(k-n))，f(·)为未知非线性光滑函数，m和n均为未知常数项；

评价指标模型确定单元，用于确定所述力随动加载控制器的评价指标模型，所述力随动加载控制器的评价指标模型为J(p(k))＝|F^*-F(k+1)|²+λ|v(k)-v(k-1)|²，其中，λ为大于0的输入限制因子，F(k+1)为k+1时刻的加载力信息，F^*为所述被动式力加载系统期望的加载指令；

非线性控制律确定单元，用于将所述线性模型代入所述力随动加载控制器的评价指标模型，得到力随动加载控制器的非线性控制律p(k)，其中，h为步长系数，λ为输入限制因子，F^*为系统期望的加载指令。

可选的，所述新评价指标模型为：

其中，L(z)为置于力控制器与被控加载系统之间的滤波器，e_vir(k)为k时刻的力偏差信号的虚误差，N为采样时刻，Con(z,θ)为参数化力控制器。

可选的，所述修正模块包括：

力控参数确定单元，用于确定力控参数

关系确定单元，用于根据所述非线性控制律p(k)，确定力控参数θ与时变参数g(k)间的关系；所述力控参数θ与时变参数g(k)间的关系为

估值确定单元，用于根据所述力控参数θ与时变参数g(k)间的关系，确定得到时变参数g(k)的估值

非线性控制律修正单元，用于根据所述时变参数g(k)的估值

对非线性控制律p(k)进行修正，得到修正后的非线性控制律p′(k)；所述修正后的非线性控制律p′(k)为：

其中，h为步长系数，λ为输入限制因子，F^*(k+1)为k时刻为系统期望的加载指令。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的被动式力加载的自适应驱动控制方法和系统，通过采用力随动加载控制器的评价指标模型对力随动加载控制器的非线性控制律进行修正和校准，以实现对控制器参数的整定，从而无需详细考虑模型多未知项及复合干扰并对其单独设计补偿控制策略，仍能保证力加载时的快响应速度及高跟踪精度。进而在模拟真实环境下运动机构所承受的力学载荷特性时，实现对被动式力矩伺服系统力-力矩的高性能、高精度、高可靠性的动态复合加载控制。

附图说明

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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的非线性的被动式力加载系统的结构示意图；

图2为本发明所提供的非线性的被动式力加载系统的俯视图；

图3为本发明实施例所提供的被动式力加载的自适应驱动控制方法的流程图；

图4为本发明实施例所提供的被动式力加载自适应驱动控制方法的原理图；

图5为本发明实施例所提供的被动式力加载的自适应驱动控制系统的结构示意图。

具体实施方式

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。

本发明的目的是提供一种被动式力加载的自适应驱动控制方法和系统，具有高性能、高加载精度和高可靠性的特点。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明所提供的非线性的被动式力加载系统的结构示意图，图2为本发明所提供的非线性的被动式力加载系统的俯视图，如图1和图2所示，一种被动式力加载机构的装置包括机构底座(1)、调整支架(2)、方形支撑块(3)、转动机构安装板(4)、直线运动作动器(5)、负载转动轴旋转关节(6)、负载转轴机构(7)、转动机构壳体(8)和固定螺栓(9)。

所述直线运动作动器(5)包括直流伺服力矩电机、高精度滚柱丝杆付、光电编码器、动作杆(5-1)和球头关节轴承(5-2)。

所述调整支架(2)包括转轴机构(2-1)和柱形调整台(2-2)。

所述直线运动作动器(5)通过转轴机构(2-1)固定在柱形调整台(2-2)上，直线运动作动器(5)另一端可以伸出动作杆(5-1)，动作杆(5-1)通过球头关节轴承(5-2)与负载转动轴旋转关节(6)连接。

所述负载转动轴旋转关节(6)的底部固连在负载转轴机构(7)上。

所述负载转轴机构(7)穿过第一转动机构安装板(4-1)和第二转动机构安装板(4-2)后，分别与第一转动机构壳体(8-1)和第二转动机构壳体(8-2)连接。

第一方形支撑块(3-1)、第二方形支撑块(3-2)、第三方形支撑块(3-3)和第四方形支撑块(3-4)顶部均分别与第一转动机构安装板(4-1)和第二转动机构安装板(4-2)固定连接，且四个方形支撑块的底部均与机构底座(1)固定连接。

球头关节轴承(5-2)和负载转动轴旋转关节(6)之间，以及直线运动作动器(5)安装孔和转轴机构(2-1)之间均存在相对的转动运动。

位于调整支架(2)上的转轴机构(2-1)固定不动，柱形调整台(2-2)仅用于调整直线运动作动器(5)的安装位置。

当直线运动作动器(5)在直流伺服力矩电机的驱动下运动时，动作杆作(5-1)为直线运动作动器(5)的输出端，会表现出伸长或收缩的直线运动。固连在负载转轴机构(7)上的负载转动轴旋转关节(6)跟随其表现为逆时针或顺时针的旋转运动，进而带动与之连接的第一转动机构壳体(8-1)和第二转动机构壳体(8-2)运动，以使被动式力加载心痛的转动部分做旋转运动。

一种被动式力加载机构经位置闭环控制能够满足精确的位置伺服跟踪，为力伺服加载提供了有力的基础，给定期望力加载指令，设计合适的力随动加载控制器，以产生速度运动指令，进而驱动一种被动式力加载机构的运动，当其与承载侧因相对运动而接触产生加载力时，进行力反馈控制，以完成被动式力伺服加载控制。

由于负载侧运动形式与加载侧无法建立一对一映射关系，不能通过位置补偿实现力快速跟踪，且被动式力加载控制系统模型不能准确获取，则需通过动线性法以得到该非线性系统的输入输出动型模型，再根据自适应驱动控制方法对力随动加载控制器优参，进而得到系统输入输出间模型参数的估值，最终获得前向通路力加载控制器的实时控制律，至此设计一种被动式力加载的自适应驱动控制方法，如图3所示，所述方法包括：

S100、获取所述系统的输入和输出，输入为速度v(k)，输出为加载力信息F(k)；

S101、根据所述速度v(k)和所述加载力信息F(k)，利用力随动加载控制器的评价指标模型进行处理，得到力随动加载控制器的非线性控制律p(k)；

S102、引入参考模型，根据加载力信息F(k)和所述速度v(k)，获取虚参考指令F(k)_d；

S103、根据所述虚参考指令F(k)_d，获取力偏差信号的虚误差e_vir；

S104、根据所述虚误差e_vir，获取力随动加载控制器的新评价指标模型；

S105、利用所述新评价指标模型，对非线性控制律p(k)进行修正，得到修正后的非线性控制律p′(k)。

在S101-S105中，根据所述速度v(k)和所述加载力信息F(k)，利用力随动加载控制器的评价指标模型进行处理，得到力随动加载控制器的非线性控制律p(k)的步骤，具体包括：

根据所述速度v(k)和所述加载力信息F(k)，将所述非线性的被动式力加载系统等效为线性模型；所述线性模型为ΔF(k+1)＝g(k)Δv(k)，其中，

F(k+1)＝f(F(k),…,F(k-m),v(k),…v(k-n))，f(·)为未知非线性光滑函数，m和n均为未知常数项；

确定所述力随动加载控制器的评价指标模型，所述力随动加载控制器的评价指标模型为J(p(k))＝|F^*-F(k+1)|²+λ|v(k)-v(k-1)|²，其中，λ为大于0的输入限制因子，F(k+1)为k+1时刻的加载力信息，F^*为所述被动式力加载系统期望的加载指令；

将所述线性模型代入所述力随动加载控制器的评价指标模型，得到力随动加载控制器的非线性控制律p(k)，

其中，h为步长系数，λ为输入限制因子，F^*为系统期望的加载指令。

根据如图4所示的控制方法原理图，引入参考模型，根据加载力信息F(k)和所述速度v(k)，获取虚参考指令F(k)_d，其具体包括：

设定加载力的期望阶跃信号，通过给定的参考模型可得到此时所对应的加载力信号曲线，优化力随动加载控制器参数以尽量使得系统的闭环特性与其接近，即根据以下指标优化并使其最小：

其中，Cm(z)为参考模型，G(z)为加载系统，Con(z,θ)为参数化控制器。将参考模型根据需要设计为如下离散化线性形式：

因优化指标中加载系统G(z)未知，难以直接对力加载控制器参数求导，因此根据F(k)＝Cm(z)F(k)_d及测得的(v(k),F(k))_k＝1,2,…N，得到虚参考指令F(k)_d＝Cm(z)^-1F(k)；

根据所述虚参考指令F(k)_d，获取力偏差信号的虚误差e_vir，e_vir＝F(k)_d-F(k)。

当力参考指令变为F_{d_vir}，且控制输入与控制输出均有(1:N)，则根据所述虚误差e_vir，获取力随动加载控制器的新评价指标模型为

其中，L(z)为置于力控制器与被控加载系统之间的滤波器，，一般其具有以下形式便可得到控制器近似最优解，L(z)＝1-Cm(z)z^-1，e_vir(k)为k时刻的力偏差信号的虚误差，N为采样时刻，Con(z,θ)为参数化力控制器。

在保证控制参数最优情形下有{v_vir(k)_k＝1,2,…N}＝{v(k)_k＝1,2,…N}，可根据{e_vir(k),v_vir(k)_k＝1,2,…N}改写评价指标为

上式中Con(z,θ)＝β(z)θ，β(z)为已设计的离散传递函数；

确定力控参数

根据所述非线性控制律p(k)，确定力控参数θ与时变参数g(k)间的关系；所述力控参数θ与时变参数g(k)间的关系为

根据所述力控参数θ与时变参数g(k)间的关系，确定得到时变参数g(k)的估值

根据所述时变参数g(k)的估值对非线性控制律p(k)进行修正，得到修正后的非线性控制律p′(k)；所述修正后的非线性控制律p′(k)为：即完成了完整力随动加载控制器的设计。

其中，h为步长系数，λ为输入限制因子，F^*(k+1)为k时刻为系统期望的加载指令。

此外，本发明还提供了了一种被动式力加载的自适应驱动控制系统，如图5所示，该系统包括：输入输出获取模块100、非线性控制律获取模块101、虚参考指令获取模块102、虚误差获取模块103、新评价指标模型获取模块104和修正模块105。

其中，输入输出获取模块100获取所述系统的输入和输出，输入为速度v(k)，输出为加载力信息F(k)。非线性控制律获取模块101根据所述速度v(k)和所述加载力信息F(k)，利用力随动加载控制器的评价指标模型进行处理，得到力随动加载控制器的非线性控制律p(k)。虚参考指令获取模块102引入参考模型，根据加载力信息F(k)和所述速度v(k)，获取虚参考指令F(k)_d。虚误差获取模块103根据所述虚参考指令F(k)_d，获取力偏差信号的虚误差e_vir。新评价指标模型获取模块104根据所述虚误差e_vir，获取力随动加载控制器的新评价指标模型。修正模块105利用所述新评价指标模型，对非线性控制律p(k)进行修正，得到修正后的非线性控制律p′(k)。

上述非线性控制律获取模块101包括：线性模型等效单元、评价指标模型确定单元和非线性控制律确定单元。

其中，线性模型等效单元根据所述速度v(k)和所述加载力信息F(k)，将所述非线性的被动式力加载系统等效为线性模型；所述线性模型为ΔF(k+1)＝g(k)Δv(k)，其中，F(k+1)＝f(F(k),…,F(k-m),v(k),…v(k-n))，f(·)为未知非线性光滑函数，m和n均为未知常数项。评价指标模型确定单元确定所述力随动加载控制器的评价指标模型，所述力随动加载控制器的评价指标模型为J(p(k))＝|F^*-F(k+1)|²+λ|v(k)-v(k-1)|²，其中，λ为大于0的输入限制因子，F(k+1)为k+1时刻的加载力信息，F^*为所述被动式力加载系统期望的加载指令。非线性控制律确定单元将所述线性模型代入所述力随动加载控制器的评价指标模型，得到力随动加载控制器的非线性控制律p(k)，

其中，h为步长系数，λ为输入限制因子，F^*为系统期望的加载指令。

所述修正模块105包括：力控参数确定单元、关系确定单元、估值确定单元和非线性控制律修正单元。

其中，力控参数确定单元确定力控参数

关系确定单元根据所述非线性控制律p(k)，确定力控参数θ与时变参数g(k)间的关系；所述力控参数θ与时变参数g(k)间的关系为

估值确定单元根据所述力控参数θ与时变参数g(k)间的关系，确定得到时变参数g(k)的估值

非线性控制律修正单元根据所述时变参数g(k)的估值

对非线性控制律p(k)进行修正，得到修正后的非线性控制律p′(k)；所述修正后的非线性控制律p′(k)为：

其中，h为步长系数，λ为输入限制因子，F^*(k+1)为k时刻为系统期望的加载指令。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的被动式力加载的自适应驱动控制方法和系统，通过采用力随动加载控制器的评价指标模型对力随动加载控制器的非线性控制律进行修正和校准，以实现对控制器参数的整定，从而无需详细考虑模型多未知项及复合干扰并对其单独设计补偿控制策略，仍能保证力加载时的快响应速度及高跟踪精度。进而在模拟真实环境下运动机构所承受的力学载荷特性时，实现对被动式力矩伺服系统力-力矩的高性能、高精度、高可靠性的动态复合加载控制。

此外本发明还具有以下效果：

1、实现了当负载侧运动的多形式化时的被动式力动态复合加载；

2、解决了因负载侧期望轨迹未知，难以通过加载侧与承载侧的实时位置偏差实现对力伺服回路施加的多余力矩进行补偿的问题；

3、解决了加载系统模型未知时，仅基于数据采集优化控制参数。

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。对于实施例公开的系统而言，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。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。