光电稳定平台伺服系统动力学建模与参数辨识

发布时间：2022-10-05 10:03 热度：

　　廖洪波*，范世珣，黑墨，范大鹏

　　(国防科学技术大学机电工程与自动化学院，湖南长沙410073)

　　摘要：针对光电稳定平台伺服系统模型参数辨识问题，提出了线性和非线性模型参数分离辨识方法。在线性模型参数辨识过程中，利用差动逆M序列信号作为输入，相应的响应信号作为输出，并应用最小二乘方法辨识线性离散模型参数，从而降低非线性因素的影响。在非线性模型参数辨识过程中，以LuGre摩擦模型为基础，针对摩擦和不平衡质量相互耦合的问题，提出了考虑不平衡质量的LuGre模型静态参数辨识方法;然后，利用电流信号作为摩擦力测量值，对LuGre模型动态参数进行辨识，得到包含不平衡质量和动态摩擦的系统非线性部分模型参数。构建了单轴光电稳定平台实验系统，利用本文提出的方法对实验系统动力学模型参数进行了辨识。结果表明：质量不平衡力矩的辨识值为0.183N·m，略高于理论值0.18N·m，满足辨识精度要求。实验证实提出的辨识方法可以实现对模型线性与非线性参数的有效辨识。

　　关键词：光电稳定平台;差动逆M序列;LuGre模型;不平衡质量;参数辨识

　　中图分类号：TP273文献标识码：Adoi：10.3788/OPE.20152302.0477

　　Abstract：Aseparatedmodelparameteridentificationmethodforelectro-opticalstabilizedplatformservosystemswaspresented.Themodelofservosystemswasseparatedintoalinearpartandanon-linearpart.Intheprocessofparameteridentificationofthelinearmodel，adifferentialinverseMse-quencesignalwasutilizedtoexcitedservosystems，andleastsquaremethodwasusedtoidentifytheparametersofthelineardiscretemodelparttoreducetheinfluenceofthenonlineardynamics.Intheprocessofparameteridentificationofthenonlinearmodel，thecouplingdynamicsbetweenfrictionandunbalancedmasswasconsidered，andthestaticparametersoftheLuGremodelandtheparametersoftheunbalancedmassmodelwerefirstlyidentifiedbyusingtheleastsquaremethod;Then，thedynam-icparametersoftheLuGremodelwereobtainedbyfrictionmeasurementthroughacurrentsignal.Anexperimentalsystemforsingle-axiselectro-opticalstabilizedplatformwasconstructed，andthedy-namicmodelparameterswereindentifiesbyproposedentificationvalueofunbalancedmasstorqueis0.18value0.18N·m，andsatisfiedwiththeidentificatilinearmodelscanbeobtainedbythepresentediden

　　Keywords：electro-opticalstabilizedplatform;diffeancemass;parameteridentification

　　1引言

　　光电稳定平台被广泛应用于车载、机载和舰载武器系统中，其主要作用是隔离载体对光电探测器视轴的扰动，其隔离扰动的能力决定于平台伺服系统的控制精度。为了更好地掌握光电稳定平台伺服系统的动力学特性，从而提高其伺服系统控制精度，需要建立能够合理描述系统特性的动力学模型。以单轴光电稳定平台伺服系统为基础，研究人员已建立了比较完整的动力学模型，包括线性和非线性两部分[1-3]。其中，线性部分模型主要考虑直流电机、功率放大器、减速器、传感器和负载等环节，非线性部分模型主要考虑摩擦[4-5]和质量不平衡[6-7]等因素。摩擦模型中，由于静态摩擦模型不能描述系统从静止到开始滑动之间的特性，故采用动态摩擦模型。动态摩擦模型中，LuGre模型的耗散特性使其便于进行摩擦补偿器设计，从而越来越受研究人员的关注[8-9]。2动力学建模

　　2.1线性部分模型

　　根据直流电机电压、力矩平衡方程和传动系统力矩平衡方程得到伺服系统动力学模型：

　　ua=RaIa+LadIadt+ue

　　ue=KEωmTm=KTIa

　　Jm¨θm+Bmθm=Tm-Tmf-Tsm-Tub

　　J¨lθl=Tl-TlfTsm=Tl/i0

　　Tl=Keq(θm/i0-θl)+Ceq(θm/i0-θl)(1)式中：

　　ua为电机电枢电压;Ra为电阻;La为电感;ue为反电动势;Ia为电枢电流;KE为反电动势系数;ωm为电机端转速;KT为力矩系数;Tm为电机输出转矩;Jm为电机端等效转动惯量;Bm为黏滞阻尼系数;θm为电机输出转角;Tsm为等效电机端的传动环节扭转力矩;Jl为负载端等效转动惯量;θl为负载转动角度;i0为传动环节减速比;Keq为传动环节等效刚度;Ceq为传动环节等效阻尼;Tmf为电机端等效摩擦力矩;Tub为等效到电机端的不平衡质量力矩;Tlf为负载端摩擦力矩;Tl为等效到负载端的传动环节扭转力矩。

　　3参数辨识

　　3.1线性部分模型参数辨识

　　光电稳定平台伺服系统中，输入为功率放大器指令信号u，输出为负载端的转速信号ωl，由式(5)可得，ωl相对于u的传递函数。这是一个3阶的连续系统模型，而在参数辨识过程中，计算机对输入、输出信号进行离散采样处理，通过辨识准则，得到的是离散化模型参数，因此需要实现连续模型和离散模型之间的相互转化，可得：式(9)中的准则函数取最小值，则通过最小二乘最优化方法可以得到式(8)中参数的最佳估计值ξl。

　　4实验验证

　　为了验证辨识算法，设计了光电稳定平台单轴伺服系统，如图1所示。由直流电机、高分辨率光电编码器、惯量盘、不平衡质量块(为0.4kg，ρ为0.46m，产生的不平衡力矩为0.18N·m)、动密封组件、功率放大器和dSPACE半实物仿真系统等组成。光电编码器用来测量转轴的转角和转速，不平衡质量块用来模拟伺服系统中存在的不平衡质量，动密封组件可以提供不同大小的摩擦阻力，功率放大器工作于电流闭环模式并且电流信号可以通过dSPACE系统采集，dSPACE系统发送指令信号，同时采集各种反馈信号。

　　5结论

　　本文以光电稳定平台伺服系统动力学建模和参数辨识为研究背景，建立了较完整的动力学模型。分析了线性和非线性模型参数辨识过程中的模型结构、最优化方法和准则函数，给出了参数辨识的具体步骤。构建了单轴光电稳定平台实验系统，利用该方法对实验系统动力学模型参数进行了辨识。实验结果表明：质量不平衡力矩的辨识值为0.183N·m，与理论值0.18N·m接近，而在线性与非线性特性对比方面，依据辨识数据建立的动力学模型仿真结果与实验测试结果具有较高的一致性。

　　参考文献：

　　[1]TOLGAYK，lYASE.NonlinearmodelingandidenticationofaDCmotorforbidirectionalopera-tionwithrealtimeexperiments[J].EnergyCon-versionandManagement，2004，45(7)：1087-1106.

　　[2]LIAOHB，FANSHX，HEIM，etal..Researchonmodelingandsimulationanalysisofdirectdrivesysteminsimulinkandsimscapeenvironment[J].KeyEngineeringMaterials，2013，579：699-705.

　　[3]刘栋，陶涛，梅雪松.伺服系统Hammerstein非线性模型及参数辨识方法研究[J].西安交通大学学报，2010，44(3)：42-46.LIUD，TAOT，MEIXS.Nonlinearhammersteinmodelandparameteridentificationforservodrivesystem[J].JournalofXi’anJiaotongUniversi-ty，2010，44(3)：42-46.(inChinese)