本發明屬于機電系統控制設計領域，具體涉及一種高速轉臺變負載自適應控制方法。

背景技術：

1、精密儀器、機床等高端裝備在現代制造業中起著重要作用，高速轉臺作為精密測量儀器和精密加工設備的重要組成部分，在飛行器設計研發、航空航天、慣導測試、先進武器系統的制造等多方面都有著廣泛的應用，而高速轉臺在變負載工況環境下的運行性能將直接影響高精度系統的使用效果和加工質量，因此加大對變負載高速轉臺控制方法研究具有重要意義。

2、高性能轉臺控制系統依賴于可靠的電機硬件、精密測量器件、合理硬件設計和控制策略，在硬件確定后，采用更優控制算法和控制機制是提升系統精度的有效方法。目前工業轉臺控制系統主要采用pid控制、復合控制和smith預估等算法，這些傳統算法基于成熟的理論，通過建立準確的數學模型和補償干擾信號，設計控制環節以提高控制精度和性能。但在實際中，轉臺在復雜工況環境中工作，受電機摩擦、電磁過渡、力矩耦合等非線性因素影響，且轉臺負載變動會引起轉動慣量的變化，使得精確模型難以建立影響控制效果。為自適應系統內外部擾動和參數變化，逐漸將神經網絡、模糊控制等先進技術應用于高速轉臺控制系統，用伺服電機替代步進電機作為驅動裝置解決電機轉速和細分問題，引入檢測元件構成閉環檢測系統，提供位置信息保證旋轉精度。隨著精密制造及位姿檢測等領域的快速發展，對轉臺位置、角度等控制反饋的要求也逐漸增加，誤差補償作為提高傳感精度的重要措施之一，常用方法包括利用遺傳算法、誤差擬合、深度訓練等建立誤差補償模型，但均忽略了傳感器持續動態檢測時引入的錯位誤差，影響采樣周期的誤差補償效果，導致轉臺反饋控制滯后性。因此，開發一種精度高、響應快、魯棒性強、適應性廣的高速轉臺變負載自適應控制方法具有很大的實用價值。

技術實現思路

1、本發明提出一種高速轉臺變負載自適應控制方法，基于閉環控制方式結合模糊pid控制算法和位移傳感器誤差補償模型，實現在擾動環境和變負載工況環境下對高速轉臺的高精度、快響應、強魯棒性和實時性自適應控制。

2、為達到上述目的，本發明采用如下技術方案予以解決：

3、一種高速轉臺變負載自適應控制方法，包括以下步驟：

4、步驟1：獲取高速轉臺及控制器初始狀態，發送所需位置、速度的閉環指令；

5、步驟2：建立轉臺驅動伺服系統的電機傳遞函數；

6、步驟3：位移傳感器檢測高速轉臺的角位移，根據插值原理獲取數據各點插值函數值；

7、步驟4：重構步驟3插值曲線獲取各階諧波幅值相位信息，構造傳感器誤差補償模型；

8、步驟5：設定轉臺閉環控制流程，使傳遞函數在參數變換后仍穩定；

9、步驟6：根據步驟4獲取的高速轉臺電機實際轉速與期望轉速對比，輸入誤差e和誤差變化率到模糊pid控制器；

10、步驟7：檢測轉臺誤差，輸出模糊控制自調整參數用于修正控制參數；

11、步驟8：根據步驟7給出的pid控制參數調整伺服電機的驅動狀態，進而實現高速轉臺轉速的持續自適應控制。

12、進一步的，步驟1上位機獲取高速轉臺和伺服電機相關基礎信息包括轉速限制、扭矩限制和安全操作參數，執行檢查硬件連接、校準傳感器、設置初始參數等初始化過程，依據機床加工工件要求向執行元件發送所需位置、轉速的閉環控制指令，經由伺服放大器驅動電機啟動高速轉臺。

13、進一步的，步驟2建立轉臺驅動伺服系統的電機傳遞函數，具體實現如下：

14、假設轉臺系統內各部件質量、形狀均勻，設系統內摩擦力為實際位置與速度的函數，可得伺服系統的轉矩平衡方程為：

15、(1)

16、其中，為轉動慣量，為系統實際轉角位移，為系統轉速，為輸出轉矩，為系統負載，設定為系統理論角位移，則電機傳遞函數可視為與的比值，若為拉普拉斯變量，為電機減速比，變化后的電機傳遞函數為：

17、(2)

18、將變化后的電機傳遞函數作為后續反饋控制的基礎。

19、進一步的，所述步驟3位移傳感器檢測高速轉臺的角位移，根據插值原理獲取數據各節點插值函數值，具體實現如下：

20、采用改進的重心拉格朗日插值法計算位移傳感器記錄的高速轉臺離散位移角度點附近值；在數據區間[a,b]上取k+1個節點，則對應節點的位移角度值為：

21、(3)

22、根據公式(4)定義拉格朗日基本多項式和重心權，依據改進拉格朗日插值法計算獲取有限節點（k+1個節點）位移點附近值，即在數據區間端點附近插值多項式應對因負載變化導致的位移曲線振蕩的問題，可得位移角度值為：

23、(4)

24、由此得到位移傳感器位置信息和所對應的傳感器角度信息。

25、進一步的，步驟4重構步驟3插值曲線獲取各階諧波幅值相位信息，構造傳感器誤差補償模型，具體實現如下：

26、基于傅里葉展開與收斂定理，根據相位、幅值與頻率關系重構插值曲線為有限正弦波，分解傳感器位移誤差值為：

27、(5)

28、(6)

29、其中，k為諧波階數，為常數項系數，為余弦正弦波系數，為誤差值正弦波頻率信息，為諧波幅值，計算位移誤差諧波系數比值反正切可得相位；根據采樣定理在曲線周期內提取k+1個節點，設最多擬合的周期項個數為n(k+1)，則反求傅里葉級數擬合誤差函數的系數值為：

30、(7)

31、由此得到插值曲線各階正余弦諧波系數，經過對比篩選數值大于設定閾值、對誤差結果影響超過設定誤差閾值的諧波，即0階、2階和4階諧波，實現對位移傳感器誤差數據的補償重構。

32、進一步的，所述步驟5設定轉臺閉環控制流程，使傳遞函數在參數變換后仍穩定，具體實現如下：假設r為輸入信號，c為輸出信號，n為干擾信號與系統摩擦與變負載相關，為前控環節，為被控對象，h為所述閉環控制系統傳遞函數，根據系統信號疊加原理可得總輸出信號為：

33、(8)

34、計算系統理論角位移與實際角位移的插值可獲得系統誤差為，誤差變化率，和分別表示和的一階導數。

35、進一步的，所述步驟6根據步驟4獲取的高速轉臺電機實際轉速與期望轉速對比，輸入系統誤差e和誤差變化率到模糊控制器，具體實現如下：

36、模糊控制器是利用輸出對pid控制器的參數進行在線校正以達到預期的控制效果，若系統誤差e和誤差變化率作為模糊pid控制器的輸入變量，依據量化因子和比例因子定義域，設定比例系數模糊論域為{-3,-2,-1,0,1,2,3}，設定積分系數和微分系數模糊論域為{-0.3,-0.2,-0.1,0,0.1,0.2,0.3}，描述輸入輸出的模糊集合為{nb,nm,ns,z,ps,pm,pb}，依據工程常用結合三角函數和高斯隸屬度函數為所述模糊控制器的隸屬度函數。

37、進一步的，所述步驟7分別依據參數的模糊控制規則結合最小運算法進行推理，得到模糊化結果，其中表示誤差e和誤差變化率經過模糊推理的中間值，然后基于質心法進行去模糊化，得到，以比例系數為例可得：

38、(9)

39、其中，的求解與相同；

40、基于模糊控制器得到調整參數，對pid控制器原始控制參數進行校正可得，、和表示前一次校正獲得的pid參數。持續調整變負載轉臺系統的響應速率、震蕩幅度和穩定時間。

41、進一步的，所述步驟8將校正后的pid參數信號傳輸給伺服電機驅動器，調整伺服電機輸出電流比對轉臺系統轉矩、速度和位置，實現高速轉臺轉速的持續自適應控制。

42、本發明相對于現有技術的有益效果為：

43、第一，本發明提出對位移傳感器的輸出角位移進行誤差補償，避免持續動態檢測時由于錯位誤差導致的控制滯后，如圖4所示，本方法在轉臺高速轉動時可以更好的控制角位移誤差；

44、第二，本發明基于模糊pid伺服控制，有效避免在擾動環境和變負載復雜工況環境下無法建立精確伺服控制系統數學模型的問題，如圖6、7、8所示，本方法具有更優的快速響應、抗干擾和魯棒性能。