CN108880366B - 一种减速箱试验台转矩加载控制器的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种减速箱试验台转矩加载控制器的控制方法，属于工业过程控制技术领域，包括如下步骤：搭建减速箱试验台***的物理模型，采用扭矩传感器检测被试减速箱的转矩信号，并将转矩信号传输到上位机中；步骤2：在上位机中编写优化自抗扰控制器I‑ADRC算法，将设定的转矩信号与被试减速箱转矩实际反馈信号送入优化自抗扰控制器I‑ADRC算法中；步骤3：将通过优化自抗扰控制器I‑ADRC算出的转矩控制信号传输到变频器中控制加载电机转矩。本发明实现减速箱试验台中转矩的精确控制，使得被试减速箱实际转矩与设定值一致，有效地降低减速箱试验台转矩偏差和提高控制***稳态精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种控制器的控制方法，特别是涉及一种减速箱试验台转矩加载控制器的控制方法，属于工业过程控制技术领域。
背景技术
减速箱通常由各种齿轮传动机构组成，是连接动力源和执行机构的中间装置，起匹配转速和传递转矩的作用，是许多机械设备传动机构的重要部件之一，为了保证减速箱可靠运行，按照国家相关标准JB/T5077-1991《通用齿轮装置型式试验方法》和JB/T9721-1999《工程机械减速器型式试验方法》要求，采用减速箱试验台模拟减速箱实际运行过程中所受到的载荷，在试验过程中，由于减速箱本身特性和发热以及加载电机转到惯量和加载的转矩到被试减速箱传递的过程是非线性的，导致被试减速箱实际受到的转矩值与设定值偏差较大且无法稳定。
目前，传统PID控制器因算法相对简单、鲁棒性强、可靠性高并且易于实现，被广泛应用在工业控制等领域，其控制性能的好坏主要取决于比例系数kp、积分系数ki和微分系数kd三个控制参数的整定，但传统PID控制器三个参数的整定通常是建立在获取其被控对象精确数学模型的基础上，并且根据特定规则具体确定，由于减速箱试验台加载控制***本身是一个复杂的非线性***，难以通过动力学建模或模型辨识的方法建立其精确的数学模型，并且在实际运行过程中存在一定的滞后性和时变性，所以传统的定参数PID控制器很难满足其控制要求。
韩京清教授提出的自抗扰控制器ADRC因其不依赖于精确的数学模型而广泛的应用于复杂***中，可以有效解决具有复杂结构的不确定***的控制问题，针对自抗扰控制器ADRC参数过多，参数难以整定等问题，高志强教授提出线性自抗扰控制器LADRC，只需要整定3个参数。
然而，减速箱试验台控制***中被试减速箱端转矩存在一定的滞后性和时变性，使得单纯的线性自抗扰控制器无法直接使用，必须要安排转矩过渡过程，否则易使转矩调节过程产生振荡，难以稳定，且易发散，并且PD线性控制器参数唯一与控制器带宽相联系，虽然简化了控制器的设计，但在减速箱试验台转矩加载控制的复杂非线性***中，无法单独调节带宽达到令人满意的效果。
发明内容
本发明的主要目的是为了提供一种减速箱试验台转矩加载控制器的控制方法，使被试减速箱端实际转矩与设定值一致，有效的降低减速箱试验台转矩偏差和提高控制***稳态精度，从而保证减速箱试验的可靠性，提高减速箱出厂可靠性。
本发明的目的可以通过采用如下技术方案达到：
一种减速箱试验台转矩加载控制器的控制方法，包括如下步骤：
步骤1：搭建减速箱试验台***的物理模型，采用扭矩传感器检测被试减速箱的转矩信号，并将转矩信号传输到上位机中；
步骤2：在上位机中编写优化自抗扰控制器I-ADRC算法，将设定的转矩信号与被试减速箱转矩实际反馈信号送入优化自抗扰控制器I-ADRC算法中；
步骤3：将通过优化自抗扰控制器I-ADRC算出的转矩控制信号传输到变频器中控制加载电机转矩。
进一步的，所述步骤1中，转矩信号为：驱动电机拖动整个减速箱试验台***运行，加载电机先作用于被试减速箱，然后将转矩传递到被试减速箱，最后作用于被试减速箱端输出检测到的实际扭矩。
进一步的，所述步骤2中，优化自抗扰控制器I-ADRC的跟踪微分器TD，对目标值安排过渡过程后输出值x1及其微分x2进行优化公式为：
式中：r为转矩设定信号；x1为跟踪转矩设定信号；x2为跟踪转矩设定信号的微分信号；h为采样时间；r0为跟踪微分器TD的速度因子；h0为跟踪微分器TD的滤波因子；fhan(x1-r,x2,r0,h0)为最速综合函数。
进一步的，最速综合函数fhan(x1-r,x2,r0,h0)表示为：
式中：r为转矩设定信号；x1为跟踪转矩设定信号；x2为跟踪转矩设定信号的微分信号；h为采样时间；r0为跟踪微分器TD的速度因子；h0为跟踪微分器TD的滤波因子；fhan(x1-r,x2,r0,h0)为最速综合函数。
进一步的，所述步骤2中，优化自抗扰控制器I-ADRC的三阶线性扩张观测器LESO，对被试减速箱端实际转矩信号和其微分信号以及***内部扰动与外界综合扰动进行估计的优化公式为：
式中：A、B、C、D均为向量参数；ud＝[u y]T为转矩输出控制信号u和被试减速箱端实际转矩采集信号y的组合输入；z(k)为观测器的状态向量；yd＝[f1 f2 f3]T为观测器观测的被试减速箱端实际转矩信号f1、观测器观测的被试减速箱端实际转矩的微分信号f2和观测器观测的***未知扰动信号f3的组合输出。
进一步的，所述步骤2中：
式中：h为采样时间；b0为补偿因子；β为离散估计器极点。
进一步的，所述离散估计器极点β与连续观测器极点wo之间的公式为：
式中：e为自然常数。
进一步的，所述步骤2中，优化自抗扰控制器I-ADRC的输出控制量u公式为：
式中：u0为误差反馈控制量；kp为比例常数；kd为微分常数；ki为积分常数；u为加载电机实际转矩控制量。
本发明的有益技术效果：
1、本发明提供的减速箱试验台转矩加载控制器的控制方法，实现了被试减速箱端实际转矩与设定值一致，有效的降低减速箱试验台转矩偏差和提高控制***稳态精度，从而保证减速箱试验的可靠性，提高减速箱出厂可靠性。
2、本发明提供的减速箱试验台转矩加载控制器的控制方法，结合非线性自抗扰控制器和线性自抗扰控制器的优缺点，使得优化自抗扰控制器I-ADRC能很好的应用在减速箱试验台的转矩控制***中，需要调整参数个数少且意义明确，易于调节，且具有超调量小，稳定性高，抗干扰能力强等特点，具有较好实际应用效果。
附图说明
图1为按照本发明的减速箱试验台转矩加载控制器的控制方法的一优选实施例的转矩控制结构示意图；
图2为按照本发明的减速箱试验台转矩加载控制器的控制方法的一优选实施例的转矩加载控制器的结构示意图；
图3为按照本发明的减速箱试验台转矩加载控制器的控制方法的一优选实施例的基于虚拟仪器Labview的转矩加载控制器现场调试实验图；
图4为按照本发明的减速箱试验台转矩加载控制器的控制方法的一优选实施例的转矩输出响应效果对比图；
图5为按照本发明的减速箱试验台转矩加载控制器的控制方法的另一优选实施例的转矩输出响应效果对比图。
图中：S表示转矩设定值，N表示转矩开环响应曲线，PID表示采用常规PID控制器闭环转矩响应曲线，I-ADRC表示采用优化自抗扰控制器闭环转矩响应曲线，ADRC-1表示未采用转矩过渡过程的自抗扰控制器闭环转矩响应曲线。
具体实施方式
为使本领域技术人员更加清楚和明确本发明的技术方案，下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1和图5所示，本实施例提供的减速箱试验台转矩加载控制器的控制方法，包括如下步骤：
步骤1：如图1所示，为本实施例***转矩控制结构，驱动电机控制模式为速度模式，驱动被试减速箱运转，转速与转矩方向相同；负载电机控制模式为转矩模式，作为发电机对被试减速箱进行加载，转速与转矩方向相反；驱动电机带动整个***运动，并根据编码器的测量值进行转速闭环控制；加载电机提供试验所需要的载荷，模拟减速减速箱在实际工况时所受的载荷，被试减速箱端采用HBM T40B扭矩传感器测得的转矩信号通过PROFIBUS-DP总线传入西门子S7-300PLC中读取；为便于监控，上位机采用虚拟仪器Labview通过OPC与PLC通信读取被试减速箱端转矩实际值。
步骤2：如图2所示，为本实施例***所采用的转矩加载控制器的结构，在上位机中虚拟仪器软件Labview编写优化自抗扰控制器I-ADRC算法，将设定的转矩信号与被试减速箱转矩实际反馈信号送入优化自抗扰控制器I-ADRC算法中；
所述步骤2中为转矩调节过程平稳不产生振荡，安排转矩过渡过程；优化自抗扰控制器I-ADRC对设定转矩信号安排过渡过程的跟踪微分器TD优化公式为：
式中：r为转矩设定信号；x1为跟踪转矩设定信号；x2为跟踪转矩设定信号的微分信号；h为采样时间；r0为跟踪微分器TD的速度因子；h0为跟踪微分器TD的滤波因子；
其中，最速综合函数fhan(x1-r,x2,r0,h0)表示为：
所述步骤2中优化自抗扰控制器I-ADRC对被试减速箱端实际转矩采集信号、实际转矩采集微分信号和转矩控制***中未知总体扰动信号进行跟踪观测，为减少参数调整个数，采用线性自抗扰观测器并用当前零阶保持法离散后的三阶线性扩张观测器LESO优化公式为：
式中：ud＝[u y]T为转矩输出控制信号u和被试减速箱端实际转矩采集信号y的组合输入；
z(k)为观测器的状态向量；yd＝[f1 f2 f3]T为观测器观测的被试减速箱端实际转矩信号f1、观测器观测的被试减速箱端实际转矩的微分信号f2和观测器观测的***未知扰动信号f3的组合输出；h为采样时间；b0为补偿因子；β为离散估计器极点；
其中：
上述矩阵中离散估计器极点β与连续观测器极点wo之间的公式为：
式中：e为自然常数；
所述步骤2中优化自抗扰控制器I-ADRC为达到最佳效果，采用PD组合控制，后加入积分控制，得到转矩控制输出信号u公式为：
式中：u0为误差反馈控制量；kp为比例常数；kd为微分常数；ki为积分常数；u为加载电机实际转矩控制量；
在实际工程应用中，为方便快速调节参数，可将PD控制中参数kp与kd和带宽wc相联系，使得：
式中：wc为控制器带宽，等待控制器控制效果初步达到一定误差范围，再将参数kp与kd转换为独立变量，在控制器带宽的基础上再次分开调节，最终使控制误差达到较高精度，由于摩擦力会使***产生难以消除的稳态误差，因此还需加入积分调节控制，以满足应用要求；
如图3本实施例基于虚拟仪器Labview的转矩加载控制器现场调试实验图，通过虚拟仪器Labview后面板程序框图实现控制算法，在前面板进行调试实验，简单方便。
步骤3：将通过优化自抗扰控制器I-ADRC算出的转矩控制信号u通过OPC通信输出到S7-300PLC中，PLC通过PROFIBUS-DP通信再将转矩控制信号u以控制字的方式输入到变频器中控制加载电机转矩。
图4为优选实施例的转矩输出响应效果对比图，图5为优选实施例2的转矩输出响应效果对比图，其中：S表示转矩设定值；N表示转矩开环响应曲线；PID表示采用常规PID控制器闭环转矩响应曲线；I-ADRC表示采用优化自抗扰控制器闭环转矩响应曲线；ADRC-1表示未采用转矩过渡过程的自抗扰控制器闭环转矩响应曲线。
实施例1：
在本实施例1中，调节驱动电机转速达到设定值1000rpm，加载转矩值达到30Nm，并使电机转速和转矩都稳定后开始进行对比试验；初始给定转矩阶跃信号为10Nm，查看转矩波动情况；可以看出：在转矩开环时，转矩值与设定值偏差较大且无法稳定；在传统PID控制器作用时***超调量相对较大，且达到稳定所用时间较长；在未采用转矩过渡过程的自抗扰控制器ADRC-1作用时，转矩调节过程产生振荡，难以收敛；而采用优化自抗扰控制器I-ADRC作用时几乎无超调，且达到稳定所用时间相对较短，与所设定的期望响应相同。
实施例2：
在本实施例2中，为验证转速改变时优化自抗扰控制器I-ADRC的抗扰动能力，在实施例1的条件下，转速值为1000rpm，转矩值为40Nm，转速由1000rpm阶跃到1200rpm，查看转矩波动情况；可以看出：在传统PID控制器闭环控制转矩波动较大，近8s才恢复稳定；而采用优化自抗扰控制器I-ADRC作用时转矩波动小，且近3s就恢复稳定，抗扰动能力强。
综上所述，在本实施例中，本实施例提供的减速箱试验台转矩加载控制器的控制方法，实现了被试减速箱端实际转矩与设定值一致，有效的降低减速箱试验台转矩偏差和提高控制***稳态精度，从而保证减速箱试验的可靠性，提高减速箱出厂可靠性，结合非线性自抗扰控制器和线性自抗扰控制器的优缺点，使得优化自抗扰控制器I-ADRC能很好的应用在减速箱试验台的转矩控制***中，需要调整参数个数少且意义明确，易于调节，且具有超调量小，稳定性高，抗干扰能力强等特点，具有较好实际应用效果。
以上所述，仅为本发明进一步的实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所公开的范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种减速箱试验台转矩加载控制器的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：搭建减速箱试验台***的物理模型，采用扭矩传感器检测被试减速箱的转矩信号，并将转矩信号传输到上位机中；
步骤2：在上位机中编写优化自抗扰控制器I-ADRC算法，将设定的转矩信号与被试减速箱转矩实际反馈信号送入优化自抗扰控制器I-ADRC算法中；
步骤3：将通过优化自抗扰控制器I-ADRC算出的转矩控制信号传输到变频器中控制加载电机转矩；
所述步骤2中，优化自抗扰控制器I-ADRC的输出控制量u公式为：
式中：u0为误差反馈控制量；kp为比例常数；kd为微分常数；ki为积分常数；u为加载电机实际转矩控制量，e1为跟踪微分器跟踪的转矩设定信号与观测器观测的被试减速箱端实际转矩信号的差值；
e2为跟踪微分器跟踪的转矩设定信号的微分信号与观测器观测的被试减速箱端实际转矩的微分信号的差值；x1为跟踪微分器跟踪的转矩设定信号；x2为跟踪微分器跟踪的转矩设定信号的微分信号；
f1为观测器观测的被试减速箱端实际转矩信号；f2为观测器观测的被试减速箱端实际转矩的微分信号；f3为观测器观测的***未知扰动信号；I(k)为前k次采样误差的积分累加值；I(k+1)为前k+1次采样误差的积分累加值；b0为补偿因子。
2.如权利要求1所述的一种减速箱试验台转矩加载控制器的控制方法，其特征在于，所述步骤1中，转矩信号为：驱动电机拖动整个减速箱试验台***运行，驱动电机先作用于被试减速箱，然后将转矩传递到陪试减速箱，最后作用于陪试减速箱端输出检测到的实际扭矩。
3.如权利要求1所述的一种减速箱试验台转矩加载控制器的控制方法，其特征在于，所述步骤2中，优化自抗扰控制器I-ADRC的跟踪微分器TD，对目标值安排过渡过程后输出值x1及其微分x2进行优化公式为：
式中：r为转矩设定信号；x1为跟踪转矩设定信号；x2为跟踪转矩设定信号的微分信号；h为采样时间；r0为跟踪微分器TD的速度因子；h0为跟踪微分器TD的滤波因子；fhan(x1-r,x2,r0,h0)为最速综合函数。
4.如权利要求3所述的一种减速箱试验台转矩加载控制器的控制方法，其特征在于，最速综合函数fhan(x1-r,x2,r0,h0)表示为：
式中：r为转矩设定信号；x1为跟踪转矩设定信号；x2为跟踪转矩设定信号的微分信号；h为采样时间；r0为跟踪微分器TD的速度因子；h0为跟踪微分器TD的滤波因子；fhan(x1-r,x2,r0,h0)为最速综合函数，d1、a0、y1、a1、a2、sy、a、y和sa都为最速综合函数的过程变量，其中y与y1值相同。
5.如权利要求1所述的一种减速箱试验台转矩加载控制器的控制方法，其特征在于，所述步骤2中，优化自抗扰控制器I-ADRC的三阶线性扩张观测器LESO，对被试减速箱端实际转矩信号和其微分信号以及***内部扰动与外界综合扰动进行估计的优化公式为：
式中：A、B、C、D均为向量参数；ud＝[u y]T为转矩输出控制信号u和被试减速箱端实际转矩采集信号y的组合输入；z(k)为观测器的状态向量；yd＝[f1 f2 f3]T为观测器观测的被试减速箱端实际转矩信号f1、观测器观测的被试减速箱端实际转矩的微分信号f2和观测器观测的***未知扰动信号f3的组合输出。
6.如权利要求5所述的一种减速箱试验台转矩加载控制器的控制方法，其特征在于，所述步骤2中：
式中：h为采样时间；b0为补偿因子；β为离散估计器极点。
7.如权利要求6所述的一种减速箱试验台转矩加载控制器的控制方法，其特征在于，所述离散估计器极点β与连续观测器极点wo之间的公式为：
式中：e为自然常数。
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