基于模型识别与等效简化的高速平台运动参数自整定方法

技术领域

本发明涉及机械工程、自动控制与数学研究技术领域，尤其涉及基于模型 识别与等效简化的高速平台运动参数自整定方法。

背景技术

高速平台的精密运动主要涉及运动速度与运动精度两个指标。其中，对于 高速平台而言，当运动加速度达到一定程度时，平台的弹性振动不容忽略，即 平台呈现“柔性化”特性，在选择合适的运动曲线后，参数的选取影响到激励 频谱，目前主要依靠人工经验调参数，既费时，又受经验局限。

常规的自适应控制方案很难考虑平台的内在动力学物理规律，导致其自适 应结果往往是“可行”而不一定是“最优”。此外，自适应控制方案的实施过程 较为复杂，在一些如IC封装等高频响应用领域不一定适用，其适用范围有限。

专利201310460878.9提出了一种高速平台减小残余振动的S型运动曲线规 划方法，建立了基于高精度截尾模态叠加的柔性多体动力学模型，并结合参数 化S型运动函数构成了综合优化模型，该专利主要是针对S型运动曲线规划， 其方案中构建的基于模态截断的多体动力学响应模型的忽略了高阶模态影响， 只适用于速度不是太高的场合。此外，该专利需要用到柔性多体动力学仿真软 件，主要用于离线优化，不能胜任现场参数快速自整定的要求。

专利201410255068.4提出一种基于主频能量时域最优分布的非对称变加速 度规划方法。利用含有运动学自由度的结构有限元模型及参数化运动函数的综 合优化来解决高速高加速平台大柔性变形等非线性影响下的时间最优运动规划 问题。其一大特点是利用有限元动力学仿真技术来获取平台在非线性工况下的 动力学响应，避免了动态子结构的模态截断误差，并将其和参数运动函数相结 合进行综合优化，从而获取以时间最短为目标的运动函数的最优参数值，并应 用于工程实践。但由于其采用非线性有限元模型作为优化过程所用的动力学响 应模型，导致其计算复杂度较高，只能用于设计优化阶段，不能用于工业现场 的优化与参数整定。此外，由于有限元模型与真实平台之间存在加工制造等带 来的误差，需要测试和模型修正，才能保证优化结果是可行的。

发明内容

本发明的目的在于提出基于模型识别和等效简化的高速平台运动参数自整 定方法，用于在现场快速获取实际高速平台的最优运动参数，规避现有方法中 存在的缺点，同时，本发明提出的方法也可集成在实际控制器中。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

基于模型识别与等效简化的高速平台运动参数自整定方法，其特征在于： 包括以下步骤：

步骤一、从预置的参数化运动函数中选取运动函数，设置初始参数，并在 控制器与驱动器的作用下驱动高速平台运动；

步骤二、采集平台的运动状态信息，获取该平台的动态特性信息；

步骤三、利用步骤二获取的动态特性信息，并以驱动方向为基准，建立等 效单自由度动力学响应模型，识别出等效模型的刚度、惯性、频率、阻尼参 数，构建出与真实平台动力学响应相对应的等效模态动力学响应模型；

步骤四、根据步骤三的等效模态动力学响应模型，对步骤一中所选取的参 数化运动函数中的运动参数进行满足运动精度、执行周期更短的综合优化。

更进一步说明，所述步骤三具体包括以下步骤：

A、设置双加速度传感器，分别置于工作端和导轨端，可以测量出刚体运 动加速度和弹性振动加速度，并积分出速度和位移信息，通过傅里叶变换得到 弹性振动的频率；

B、通过驱动器的电流计算出驱动力，与惯性力差(通过平台质量与刚体运 动加速度的乘积)计算引起弹性变形的等效载荷，将A中得到的刚体位移与总 位移差计算出弹性变形，两者之商为等效刚度，再根据弹性频率，计算出等效 惯性；

C、对驱动停止时的弹性振幅进行拟合，获得位移衰减指数，并根据刚 度，惯性，频率，计算出等效阻尼；

D、将平台等效为单自由度质量弹簧阻尼系统，采用上述获取的参数建立 等效简化模型。

更进一步说明，所述步骤四具体包括两个可选方案：

1)基于实际驱动运行的参数优化，包括以下步骤:

1a、以参数化曲线作为运动函数，驱动平台运动，并测量振动和定位时 间；

1b、对参数进行逐个小修改，通过运行测量获得定位时间，并计算各参数 灵敏度；

1c、根据等效模型计算搜索步长，更新参数，重新运行测量定位时间；

1d、重复步骤1b,1c，直到获得最短定位时间。

2)基于等效模型仿真的参数优化，包括以下步骤:

2a、以参数化运动函数作为边界条件，进行模型仿真，并测量振动和定位 时间；

2b、对参数进行逐个小修改，通过仿真获得定位时间，并计算各参数灵敏 度；

2c、根据等效模型计算搜索步长，更新参数，重新仿真获得定位时间；

2d、重复步骤2b,2c，直到获得最短定位时间。

更进一步说明，步骤二通过加速度测振仪采集平台的动态响应信息。

更进一步说明，所述自整定方法集成在控制器内。

本发明的有益效果：1、利用动力学响应等效方法将复杂的多体动力学响 应模型转化为简化的等效动力学响应模型，使得本发明所提的方法可以集成在 控制器中，进而实现运动参数的现场快速优化与自整定；2、获得等效动力学 响应模型中的模态振型为平台的期望运动自由度，保证了运动参数优化结果的 一致有效性。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的整体实施路线图；

图2是本发明的一个实施例的模型识别的流程图；

图3是本发明的一个实施例的基于实物运动参数的流程图；

图4是本发明的一个实施例的基于等效模型仿真的参数自整定的流程图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

基于模型识别与等效简化的高速平台运动参数自整定方法，包括以下步 骤：

步骤一、从预置的参数化运动函数中选取运动函数，设置初始参数，并在 控制器与驱动器的作用下驱动高速平台运动；

步骤二、采集平台的运动状态信息，获取该平台的动态特性信息；

步骤三、利用步骤二获取的动态特性信息，并以驱动方向为基准，建立等 效单自由度动力学响应模型，识别出等效模型的刚度、惯性、频率、阻尼参 数，构建出与真实平台动力学响应相对应的等效模态动力学响应模型；

步骤四、根据步骤三的等效模态动力学响应模型，对步骤一中所选取的参 数化运动函数中的运动参数进行满足运动精度、执行周期更短的综合优化。

结合图1-图4，本发明的自整定方法解决了上述现有技术中优化过程需要 采用动力学模型，需要对被控对象进行建模，测试和模型修正，才能保证模型 准确；另一方面，优化过程依赖于昂贵的多体力学或非线性有限元等商业软 件；最后，优化模型计算量大，无法在控制卡中实现的问题。

采用了模态振型与期望运动自由度一致的等效多体动力学响应模型，充分 考虑了等效动力学响应模型与真实平台模型的一致等效关系，保证了优化结果 的有效性。其次，本发明所提方法中的等效多体动力学响应模型计算量较小， 可以在工业现场快速重构真实平台系统的等效多体动力学响应模型，并进行快 速参数自整定，规避了设计阶段理想模型与实际平台之间误差带来的最优参数 不协调问题。与传统的基于实验设计分析的参数工艺优化方法和单纯利用有限 元模型优化的方法相比，本发明采用了兼顾了精确模型构建优化与工业现场参 数辨识优化的综合要求。

更进一步说明，所述步骤三具体包括以下步骤：

A、设置双加速度传感器，分别置于工作端和导轨端，可以测量出刚体运 动加速度和弹性振动加速度，并积分出速度和位移信息，通过傅里叶变换得到 弹性振动的频率；

B、通过驱动器的电流计算出驱动力，与惯性力差(通过平台质量与刚体运 动加速度的乘积)计算引起弹性变形的等效载荷，将A中得到的刚体位移与总 位移差计算出弹性变形，两者之商为等效刚度，再根据弹性频率，计算出等效 惯性；

C、对驱动停止时的弹性振幅进行拟合，获得位移衰减指数，并根据刚 度，惯性，频率，计算出等效阻尼；

D、将平台等效为单自由度质量弹簧阻尼系统，采用上述获取的参数建立 等效简化模型。

更进一步说明，所述步骤四具体包括两个可选方案：

1)基于实际驱动运行的参数优化，包括以下步骤:

1a、以参数化曲线作为运动函数，驱动平台运动，并测量振动和定位时 间；

1b、对参数进行逐个小修改，通过运行测量获得定位时间，并计算各参数 灵敏度；

1c、根据等效模型计算搜索步长，更新参数，重新运行测量定位时间；

1d、重复步骤1b,1c，直到获得最短定位时间。

2)基于等效模型仿真的参数优化，包括以下步骤:

2a、以参数化运动函数作为边界条件，进行模型仿真，并测量振动和定位 时间；

2b、对参数进行逐个小修改，通过仿真获得定位时间，并计算各参数灵敏 度；

2c、根据等效模型计算搜索步长，更新参数，重新仿真获得定位时间；

2d、重复步骤2b,2c，直到获得最短定位时间。

更进一步说明，步骤二通过加速度测振仪采集平台的动态响应信息。

更进一步说明，所述自整定方法集成在控制器内。可以集成在控制器中， 进而实现运动参数的现场快速优化与自整定。

实施例—模型参数识别

测试驱动力和主要方向的振动响应，通过信号分析，分离静态变形和动态 响应，刚度为驱动力/静态变形，通过傅立叶变换，获取动态响应的频率，根 据频率公式计算等效惯性。最后，根据相邻振幅的衰减关系，拟合计算阻尼 比。

优化方案1：(数值优化)

构造等效刚度质量阻尼模型，针对选用的参数化模型进行数值计算，预测 参数变化，根据实际测试修正模型参数，最后采用等效模型进行优化，获得最 优参数曲线。

方案2：

以微小变化量逐一修改运动参数，试运行并测量参数改变后的响应时间， 计算灵敏度梯度，根据等效模型作为名义模型，预估参数搜索步长，重复灵敏 度梯度计算和步长估计过程，直到获得最优解。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本 发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的 解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具 体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。