速度補(bǔ)償仿真分析
本章以工程應(yīng)用的沖壓機(jī)械為研究對(duì)象，選用兩種工況，首先對(duì)柔性速度補(bǔ)償裝置在單自由度下，即伺服電機(jī)不動(dòng)作情況下，采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論方法，應(yīng)用Adams仿真軟件，分析柔性速度補(bǔ)償裝置的整體動(dòng)力學(xué)性能、承載性能以及速度補(bǔ)償效果。然后，本章選定采用基于迭代的學(xué)習(xí)控制方法作為該柔性速度補(bǔ)償裝置的控制策略，對(duì)柔性速度補(bǔ)償裝置進(jìn)行兩自由度情況下的動(dòng)力學(xué)仿真，研究其速度補(bǔ)償效果和柔性性能。
本章所做的動(dòng)力學(xué)仿真和控制算法對(duì)解決其在工程問(wèn)題的實(shí)際應(yīng)用具有重要的參考價(jià)值。
§4.1基本概念
4.1.1虛擬樣機(jī)技術(shù)
機(jī)械工程中虛擬樣機(jī)技術(shù)又稱為機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)，是國(guó)際上20世紀(jì)80年代隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)得發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)得一項(xiàng)計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）技術(shù)。工程師在計(jì)算機(jī)上建立樣機(jī)模型，對(duì)模型進(jìn)行各種動(dòng)態(tài)性能分析，然后改進(jìn)樣機(jī)設(shè)計(jì)方案，用數(shù)字化形式代替?zhèn)鹘y(tǒng)得實(shí)物樣機(jī)實(shí)驗(yàn)。運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)，可以大大簡(jiǎn)化機(jī)械產(chǎn)品得設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程，大幅度縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，大量減少產(chǎn)品開(kāi)發(fā)費(fèi)用和成本，明顯提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)品得系統(tǒng)級(jí)性能，獲得最優(yōu)化和創(chuàng)新得設(shè)計(jì)產(chǎn)品。
虛擬樣機(jī)作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一項(xiàng)新技術(shù)，對(duì)傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法是一次革命。通過(guò)虛擬樣機(jī)技術(shù)，工程師可以通過(guò)機(jī)誡系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)仿真，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的潛在問(wèn)題，并快速進(jìn)行修改，減少了對(duì)于物理樣機(jī)的依賴，這樣不僅可以節(jié)省成本，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，而且可以提高產(chǎn)品性能，增強(qiáng)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力
虛擬樣機(jī)技術(shù)的研究范圍主要是機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，其核心是利用計(jì)算機(jī)輔助分析技術(shù)進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，以確定系統(tǒng)及其各構(gòu)件在任意時(shí)刻的位置、速度和加速度，同時(shí)，通過(guò)求解代數(shù)方程組確定引起系統(tǒng)及其各構(gòu)件運(yùn)動(dòng)所需的作用力及其反作用力。
虛擬樣機(jī)仿真技術(shù)包含兩方面的內(nèi)容：一是幾何仿真，即機(jī)構(gòu)的幾何特性與裝配關(guān)系的仿真；二是性能仿真，即系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)性能及動(dòng)力特性的仿真。幾何仿真是通過(guò)虛擬造型技術(shù)直觀、準(zhǔn)確地反映產(chǎn)品的幾何特征與裝配關(guān)系，進(jìn)而在設(shè)計(jì)早期預(yù)測(cè)系統(tǒng)干涉、檢驗(yàn)裝配缺陷，以便順利進(jìn)入下一步的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)仿真中。建模的過(guò)程是為幾何模型施加切合實(shí)際的特性，如約束、驅(qū)動(dòng)力、摩擦及剛度等性能參數(shù)。合理的幾何仿真是通過(guò)性能仿真進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的前摸與基礎(chǔ)。
4.1.2 Adams仿真軟件
機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析軟件ADAMS (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，是美國(guó)MDI公司（Mechanical Dynamics Inc.）開(kāi)發(fā)的虛擬樣機(jī)分析軟件。
目前，ADAMS一方面是虛擬樣機(jī)分析的應(yīng)用軟件，用戶可以運(yùn)用該軟件非常方便地對(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。另一方面，又是虛擬樣機(jī)分析開(kāi)發(fā)工具，其開(kāi)放性的程序結(jié)構(gòu)和多種接口，可以成為特殊行業(yè)用戶進(jìn)行特殊類型虛擬樣機(jī)分析的二次開(kāi)發(fā)工具平臺(tái)。
ADAMS軟件，可以自動(dòng)生成包括機(jī)一電一液一體化在內(nèi)的、復(fù)雜系統(tǒng)的多體動(dòng)力學(xué)數(shù)宇化虛擬樣機(jī)模型，能提供從產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)、方案論證、詳細(xì)設(shè)計(jì)、到產(chǎn)品方案修改、優(yōu)化、試驗(yàn)規(guī)劃甚至故障診斷各階段、全方位、高精度的仿真計(jì)算分析結(jié)果，從而達(dá)到縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期、降低開(kāi)發(fā)成本。提高產(chǎn)品質(zhì)量及竟?fàn)幜Φ哪康摹?BR>作為數(shù)字化功能樣機(jī)技術(shù)的代表，ADAMS的主要功能有：
l、豐富的分析功能：系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)分析、靜態(tài)分析、準(zhǔn)靜態(tài)分析、動(dòng)態(tài)分析、靈敏度分析等；
2、完善的前后處理功能：簡(jiǎn)單的建模功能；曲線（頻域和時(shí)域）、表格、圖形（包括動(dòng)畫）的輸出；
3、可以對(duì)直接設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)測(cè)，如干涉檢驗(yàn)，軌跡校核、靈敏度分析等；
4、可對(duì)已有的系統(tǒng)進(jìn)行性能評(píng)估，諸如振動(dòng)與噪音的分析等；
5、可對(duì)原有系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，如提出最佳的幾何結(jié)構(gòu)與裝配方案。
4.1.3．衡量速度波動(dòng)的參數(shù)
機(jī)械運(yùn)行過(guò)程中必然會(huì)產(chǎn)生速度波動(dòng)，但是速度波動(dòng)的大小的有一個(gè)衡量標(biāo)準(zhǔn)，通常是用機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度不均勻系數(shù)δ來(lái)表示速度波動(dòng)大小的。
如圖4-l所示為在一個(gè)周期內(nèi)等效構(gòu)件角速度的變化曲線，其平均角速度田。在工程實(shí)際當(dāng)中，常用其算術(shù)平均值來(lái)表示，即ω
m=
。ω
m也可由機(jī)械的名牌上查得額定轉(zhuǎn)速n(r/min)后進(jìn)行換算而得到。
機(jī)械速度波動(dòng)的程度不能僅用速度變化的幅度（
）來(lái)表示。這是因當(dāng)（
）一定時(shí)，對(duì)低速機(jī)械和對(duì)高速機(jī)械其變化的相對(duì)百分比顯然是不同的。因此，平均角速度ω
m也是一個(gè)重要指標(biāo)。綜合考慮這兩方面的因素，故可以用機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度不均勻系數(shù)δ來(lái)表示機(jī)械速度波動(dòng)的程度，其定義為角速度波動(dòng)的幅度（ω
max-ω
min）與平均角速度。ω
m之比，即：
不同類型的機(jī)械，對(duì)速度不均勻系數(shù)石大小的要求是不同的。表4-1中列出了一些常用速度不均勻系數(shù)的許用值。
表4-1常用速度不均勻系數(shù)的許用值
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要求的速度平穩(wěn)性 |
[δ] |
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非常平穩(wěn) |
<0.003 |
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中等平穩(wěn) |
0.003-0.012 |
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平穩(wěn)，允許有某種波動(dòng) |
0.012一0.05 |
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中等的波動(dòng) |
0.05一0.2 |
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容許大的波動(dòng) |
>0.2 |
所設(shè)計(jì)的機(jī)械速度波動(dòng)不應(yīng)超過(guò)其參考許用值，即滿足如下條件：δ≤[δ]，例如傳統(tǒng)的沖壓機(jī)、軋壓機(jī)器[δ]=1/7-1/10。本文設(shè)計(jì)的柔性速度補(bǔ)償裝置，是針對(duì)精密沖壓機(jī)械的，所以[δ]參考值至少為0.012-0.05（平穩(wěn)，允許有某種波動(dòng)）。
§4.2建模和仿真
鑒于本文物理建模的需要，下面針對(duì)該軟件的建模方式做介紹。
實(shí)體建模對(duì)于本文來(lái)講即為柔性速度補(bǔ)償裝置的機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)的造型與組裝，其中基本元件有：構(gòu)件、力、約束、運(yùn)動(dòng)激勵(lì)等。
1、構(gòu)件，即相互運(yùn)動(dòng)的剛體或剛體固定件，當(dāng)定義構(gòu)件時(shí)，需要給出構(gòu)件的局部坐標(biāo)系的原點(diǎn)方向、構(gòu)件的質(zhì)心位置、質(zhì)量、對(duì)某一參考座標(biāo)系的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、慣性積等，所有這些屬性特征完全由ADMAS本身建模后自動(dòng)建立。
2、約束，是指機(jī)構(gòu)內(nèi)兩構(gòu)件間的聯(lián)接關(guān)系，它限制兩構(gòu)件在某個(gè)方向上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向由約束的類型所決定。ADAMS提供的約束類型有：理想約束、虛約束、運(yùn)動(dòng)激勵(lì)。
3、運(yùn)動(dòng)激勵(lì)，是指定一個(gè)構(gòu)件相對(duì)于另一個(gè)構(gòu)件按約束允許的運(yùn)動(dòng)方式、以給定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)。
ADAMS豐富的建模元素在適當(dāng)?shù)募记膳c自定義函數(shù)的協(xié)助下，可充分描述實(shí)際存在的各種運(yùn)動(dòng)及力學(xué)分析。
系統(tǒng)的仿真步驟為：
1.運(yùn)動(dòng)分折：對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行必要的運(yùn)動(dòng)分析，大致了解其運(yùn)動(dòng)規(guī)律：
2.環(huán)境設(shè)置：設(shè)置仿真環(huán)境并定義備部件的材料性能等參數(shù)；
3.約束定義：施加約束，并定義各約束的屬性；
4.定義激勵(lì)：建立驅(qū)動(dòng)及力，即計(jì)算系統(tǒng)在給定位置上對(duì)給定激勵(lì)的各種響應(yīng)，包括位移、角位移、速度和加速度響應(yīng)等，并計(jì)算有激勵(lì)產(chǎn)主的約束力；
5.結(jié)果處理：顯示、處理并輸出仿真結(jié)果。
4.2.1工況給定
取沖壓機(jī)械中典型載荷為例，在沖壓運(yùn)動(dòng)周期中，沖頭受載荷的時(shí)間很短，而沖壓載荷比空程時(shí)的摩擦阻力要大得多，這是沖壓機(jī)械的典型特征。就是這種瞬時(shí)極大的沖擊載荷給速度造成很大的波動(dòng)，導(dǎo)致系統(tǒng)電壓不穩(wěn)，加工工藝降低等弊端，而且電機(jī)要按高峰載荷來(lái)選取，回程時(shí)負(fù)載極小，造成浪費(fèi)。
將沖壓機(jī)械簡(jiǎn)化為一曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，物理參數(shù)為：
曲柄長(zhǎng)度Ll=35mm，連桿長(zhǎng)度L2=80mm，滑塊的體積為750mm3,材料為鋼材（密度為780Ikg/m3)，電動(dòng)機(jī)型號(hào)為Y1ooL2-4，電動(dòng)機(jī)軸至曲柄的傳動(dòng)比為i=23.833。
現(xiàn)假設(shè)有兩種運(yùn)行工況，其負(fù)載分別如圖4-2、圖4-3所示。通過(guò)兩種具體沖壓載荷情況來(lái)分析柔性速度補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償性能。
首先在Adams下對(duì)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行樣機(jī)建模，如圖4-4所示，然后在理想情況下（忽略摩擦）進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，具體如下：
等效驅(qū)動(dòng)力矩可由電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性導(dǎo)出，設(shè)Mm、Mde分別為電動(dòng)機(jī)輸出力矩和等效驅(qū)動(dòng)力矩，兩者有如示關(guān)系：Mde=iMm，式中i為傳動(dòng)比。則可得出等效驅(qū)動(dòng)力矩：
Mde=-14845.5+6076.82ω-580.256ω2
式中ω為曲柄轉(zhuǎn)速。
將以上驅(qū)動(dòng)力矩和阻力施加在虛擬樣機(jī)上，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，ω初始值設(shè)為6.55rad/s。分別得出圖4-5、圖4-6所示的兩種工況的速度穩(wěn)態(tài)響應(yīng)圖。
圖中慮線表示空載情況下ω的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，可見(jiàn)很快達(dá)到穩(wěn)定，速度濾動(dòng)很小，實(shí)線表示加載過(guò)程ω的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。顯然，在加載時(shí)段，當(dāng)載荷驟增時(shí)，會(huì)導(dǎo)致速度大幅降低。
用機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度不均勻系數(shù)δ來(lái)表示機(jī)械速度波動(dòng)的程度，
。在加載過(guò)程中，依據(jù)這兩個(gè)公式，分別計(jì)算兩種工況的速度波動(dòng)情況如表4-2。
表4-2速度補(bǔ)償前速度波動(dòng)情況
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工況1 |
=6.5957rad/s |
=5.7962rad/s |
δ1=0.1290 |
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工況2 |
=6.6063rad/s |
=5.5377rad/s |
δ2=0.1760 |
根據(jù)推薦值，選用速度平穩(wěn)性級(jí)別為“平穩(wěn)，允許有某種波動(dòng)”的不均勻系數(shù)許用值：[δ]=0.012-0.05，顯然δ1、δ2都超過(guò)了[δ]，上述兩種情況己超出了該許用范圍。
4.2.2第一階段的速度補(bǔ)償
首先在伺服電機(jī)不動(dòng)作的情況下，機(jī)構(gòu)只有常速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，進(jìn)行仿典。針對(duì)所取實(shí)例的負(fù)載情況，設(shè)計(jì)該柔性速度補(bǔ)償裝置的各項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，并應(yīng)用Adams軟件對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，驗(yàn)證其速度補(bǔ)償?shù)男Ч?BR>經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，建立樣機(jī)模型如圖4-7所示，標(biāo)號(hào)同圖3-1，模型尺寸為：r1=20mm,r4+r6=200mm,r2+r3=2OOmm，厚度均為5mm，材料為鋼（同曲柄滑塊），滑塊同前，不計(jì)摩擦，經(jīng)減速器減速，驅(qū)動(dòng)力矩函數(shù)關(guān)系式不變，加在曲柄1上。
各項(xiàng)參數(shù)、力矩函數(shù)設(shè)定好后，首先不加負(fù)載，試驗(yàn)空載狀況，如圖4-8所示。
可以看到，經(jīng)過(guò)柔性速度補(bǔ)償裝置之后輸出的速度波，也不是平穩(wěn)的，也有波動(dòng)，然而正是要合理的利用該速度波動(dòng)，來(lái)抵消瞬間峰值負(fù)載造成的速度波動(dòng)，比如，利用產(chǎn)生的速度波峰來(lái)抵消載造成的波谷，兩者大小相當(dāng)，位置相當(dāng)（這要靠設(shè)計(jì)合造的機(jī)構(gòu)和調(diào)整合適的參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)），就可以疊加后產(chǎn)生一個(gè)平穩(wěn)的速度輸出，其它不是負(fù)載的時(shí)段，柔性速度波動(dòng)造成的波動(dòng)，不影響工作，甚至可以行程急回，這更有利于整個(gè)系統(tǒng)。
再看電機(jī)的狀態(tài)，如圖4-9所示，電機(jī)在只驅(qū)動(dòng)柔性速度補(bǔ)償裝置，不加前面所示的負(fù)載時(shí)，電機(jī)輸出的速度波動(dòng)很小，很快就達(dá)到平衡，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩也很快達(dá)到穩(wěn)定，且力矩波動(dòng)微小，如圖4-10所示。
現(xiàn)要對(duì)上述兩種工況的波動(dòng)幅值、寬度、時(shí)間段、阻力矩等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，然后通過(guò)對(duì)柔性速度補(bǔ)償裝置的滑塊3初始位置的設(shè)置，設(shè)計(jì)一種波動(dòng)，使得該裝置分別產(chǎn)生一個(gè)和圖4-5、圖4-6所示波峰值大小基本相等，但波形相反、位置匹配的速度波，以抵消原來(lái)加載時(shí)引起的速度波動(dòng)，達(dá)到速度調(diào)節(jié)的作用。
工況1：加載時(shí)設(shè)置滑塊3初始狀況為從中間位置右移10mm，電機(jī)函數(shù)及其它參數(shù)不變，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，其結(jié)果如圖4-11、圖4-12所示。圖中，縱軸上速度為負(fù)值，表示與輸入軸曲柄速度方向相反。
上述工況下，電機(jī)力矩和負(fù)載力矩的變化如圖4-13，圖4-14：
工況2：加載時(shí)設(shè)置滑塊3初始狀況為從中間位置左移8mm，電機(jī)函數(shù)及其它參數(shù)不變，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，其結(jié)果如秋4-15、圖4-16所示。圖中，縱軸上速度為負(fù)值，表示與輸入軸曲柄速度方向相反。
和工況上相比，工況2的負(fù)載特點(diǎn)不變，仍然是在一周期運(yùn)動(dòng)過(guò)程當(dāng)中，加載的時(shí)段，載荷劇增。只是載荷的大小、位置，調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)，仍然可以得到很好的速度補(bǔ)償效果。
只是這種情況只在一定的載荷變化范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)的是有效的，如果載荷變化大，超出允許的范圍，該裝置的補(bǔ)償效果就不理想了。
上述情況下郵電機(jī)力矩和歲載力矩的變化如圖4-17、圖4-18：
將上述兩種工況下經(jīng)柔性速度補(bǔ)償裝置速度補(bǔ)償之后的數(shù)據(jù)分析計(jì)算如表4-3所示。
表4-3速度補(bǔ)償前速度波動(dòng)情況
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工況1 |
ωmax=7.2969rad/s |
ωmin=7.0178rad/s |
δ1=0.0390 |
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工況2 |
ωmax=6.0128rad/s |
ωmin=5·7656rad/s |
δ2=0.0420 |
以上兩組數(shù)據(jù)分析表明，加載時(shí)，經(jīng)柔性速度補(bǔ)償裝置速度補(bǔ)償后的速度輸出，在加載的時(shí)段，速度波動(dòng)明顯減小，具體數(shù)值可參看其局部放大圖，另外，阻力矩和電機(jī)的主動(dòng)力距和加柔性速度補(bǔ)償裝置前數(shù)值大小沒(méi)有明顯變化，表明對(duì)原機(jī)械系統(tǒng)的電機(jī)和其它動(dòng)力、強(qiáng)度等一些性能參數(shù)沒(méi)有大的影響。
兩種工況下，δ均在不均勻系數(shù)許用值范圍內(nèi)，速度平穩(wěn)，可見(jiàn)速度補(bǔ)償裝置的速度調(diào)節(jié)作用顯著。
§4.3控制策略與第二階段的速度補(bǔ)償
本論文所研究的柔性速度補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)思想是立足于傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)學(xué)，強(qiáng)調(diào)以機(jī)構(gòu)為主體，以控制為輔助，但也同時(shí)重視機(jī)構(gòu)與控制的有機(jī)集成。因此選擇合適的控制策略，和機(jī)構(gòu)能很好的配合，才能完成所設(shè)計(jì)的速度調(diào)節(jié)。計(jì)算機(jī)具有的軟件可調(diào)性為機(jī)器控制系統(tǒng)提供了柔性化和智能化的可能性，所以也是本論文極為重要的一環(huán)。
4.3.1選定控制方法
經(jīng)分析，認(rèn)為基于適度柔性機(jī)器理論的柔性速度補(bǔ)償裝置，其控制方式仍具有挑戰(zhàn)性，這主要是因?yàn)椋?BR>(1）常速電機(jī)在系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程當(dāng)中是不可控的。
(2）由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的輸入運(yùn)動(dòng)和常速電機(jī)驅(qū)動(dòng)的輸入運(yùn)動(dòng)是否能很好的耦合。
控制方式有多種，有經(jīng)典的PID控制，也有現(xiàn)代的智能控制。經(jīng)分析，并參考前人在該類機(jī)構(gòu)控制方面所做的一些研究工作，決定系統(tǒng)采用學(xué)習(xí)控制（1eaming control）的方法。這也是由該柔性速度補(bǔ)償裝置本身的特點(diǎn)決定的：
(1）模型不確定。工作當(dāng)中會(huì)因工作環(huán)境變化、磨損、受力受熱等情況使工作情況發(fā)生變化，但這些變化無(wú)規(guī)律可循，只能靠控制來(lái)逐漸逼近期望輸出。
(2)周期性。柔性速度補(bǔ)償裝置是以常速電機(jī)驅(qū)動(dòng)的曲柄旋轉(zhuǎn)一周為一周期的。
(3）需要控制簡(jiǎn)單、迅速，成本低。
依據(jù)這些這些特點(diǎn)，選擇學(xué)習(xí)控制的方法作為柔性速度補(bǔ)置的控制方案。
學(xué)習(xí)控制是智能控制策略的一種。簡(jiǎn)單的說(shuō)，由干對(duì)未知信息的估計(jì)逐步改善而導(dǎo)致控制性能的逐步改善，就是自學(xué)習(xí)控制。對(duì)學(xué)習(xí)控制的定義，不少學(xué)者給出了各自的見(jiàn)解:
Y.Z.Tsypkin把系統(tǒng)中的學(xué)習(xí)一詞理解為一種過(guò)程，通過(guò)重復(fù)各輸入信號(hào)并從外外部校正該系統(tǒng)，從而使系統(tǒng)對(duì)于特定的輸入信號(hào)具有特定的響應(yīng)。而自學(xué)習(xí)就是不具有外來(lái)校正的學(xué)習(xí)，或即不具有懲罰和獎(jiǎng)勵(lì)的學(xué)習(xí)。
G.N.Saridis認(rèn)為，如果一個(gè)系統(tǒng)能對(duì)一個(gè)過(guò)程或其環(huán)境的未知特征所固有的信息進(jìn)行學(xué)習(xí)，并將得到的經(jīng)驗(yàn)用于進(jìn)一步估計(jì)、分類、決策或控制，從而使系統(tǒng)的品質(zhì)得到改善，那就稱此系統(tǒng)為學(xué)習(xí)系統(tǒng)。
而學(xué)習(xí)系統(tǒng)將其得到的信息用于控制具有未知特征的過(guò)程，就成為學(xué)習(xí)主之制系統(tǒng)。
L.walter和J.A.farrell給出了比較完整、規(guī)范的學(xué)習(xí)控制表述是：一個(gè)學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)是具有這樣一種能力的系統(tǒng)，它能通過(guò)與控制對(duì)象和環(huán)境的閉環(huán)交互作用，根據(jù)過(guò)去獲得的經(jīng)驗(yàn)信息，逐步改進(jìn)系統(tǒng)自身的未來(lái)性能。
這種表述說(shuō)明了學(xué)習(xí)控制的一般特點(diǎn)：
(1)有一定的自主性。學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)的性能是自我改進(jìn)的；
(2)是一種動(dòng)態(tài)過(guò)程。學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)的性能隨時(shí)間而變，性能的改進(jìn)在與外界反復(fù)作用的過(guò)程中進(jìn)行；
（3）有記憶功能。學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)需要積累經(jīng)驗(yàn)，用以改進(jìn)其性能；
（4）有性能反饋。學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)需要明確它的當(dāng)前性能與某個(gè)目標(biāo)性能之間的差距，施加改進(jìn)操作。
學(xué)習(xí)控制有多種分類，本文采用基于迭代和重復(fù)的自學(xué)習(xí)控制。這類學(xué)習(xí)控制主要是針對(duì)在一定周期內(nèi)作重復(fù)運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)，它不但與傳統(tǒng)的控制理論相聯(lián)系，而且可導(dǎo)出易于工程實(shí)現(xiàn)的學(xué)習(xí)控制規(guī)律。這正符合本課題的要求。
基于迭代和重復(fù)的自學(xué)習(xí)控制，其基本思想是針對(duì)一類特定的系統(tǒng)但又不依賴系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型，它通過(guò)反復(fù)訓(xùn)練的方式進(jìn)行自學(xué)習(xí)，使系統(tǒng)逐步逼近期望的輸出�？刂谱饔玫膶W(xué)習(xí)是通過(guò)對(duì)以往控制經(jīng)驗(yàn)（控制作用與誤差的加權(quán)和）的記憶實(shí)現(xiàn)的。算法的收斂性依賴于加權(quán)因子k的確定。這種學(xué)習(xí)系統(tǒng)的核心是系統(tǒng)不變性的假設(shè)以及基于記憶單元的間斷的重復(fù)訓(xùn)練過(guò)程，因而不但有較好的實(shí)時(shí)性，而且對(duì)干擾和系統(tǒng)模型的變化具有一定的魯棒性。
4.3.2控制算法
柔性速度補(bǔ)償裝置特征之一就是具有柔性、可控性功能。這一特征主要是靠控制器通過(guò)對(duì)伺服電機(jī)的實(shí)時(shí)在線控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的，伺服電機(jī)是控制系統(tǒng)關(guān)鍵的執(zhí)行元件。
系統(tǒng)的具體控制算法如下：
設(shè)ω1、ω2、ω3、k分別為常速電機(jī)輸入速度，伺服電機(jī)的輸入速度，輸出速度，理論輸出速度（理想值）和加權(quán)因子，e為輸出速度和理論輸出速度值的誤差范圍。迭代周期以常速電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周（2π）為一周期，迭代進(jìn)行一次。
則迭代過(guò)程如下：
迭代直至判斷式：δ=|
|≤e。滿足時(shí)，即說(shuō)明該周期系統(tǒng)的誤差收斂，則該周期終止，輸出
，然后進(jìn)入下一輪迭代，依此循環(huán)下去。
整個(gè)柔性速度補(bǔ)償裝置系統(tǒng)的控制方式如圖4-19所示：
4.3.3第二階段的速度補(bǔ)償
第二階段的速度補(bǔ)償是在常速電機(jī)和控制器控制的伺服電機(jī)混合驅(qū)動(dòng)的情形下，進(jìn)行的動(dòng)態(tài)仿真，是跟進(jìn)一步的速度補(bǔ)償。
依照此學(xué)習(xí)控制算法，第一輸入還是采用上述等效力矩模型不變，然后設(shè)置第二自由度輸入函數(shù)，再進(jìn)行兩自由度的動(dòng)力學(xué)仿真分析，研究該柔性速度補(bǔ)償裝置的柔性功能和速度補(bǔ)償效果。
由于控制的數(shù)學(xué)模型不確定，所以只能通過(guò)先給第二輸入一個(gè)初始函數(shù)，比如三角函數(shù)，加權(quán)因子先給一個(gè)假設(shè)值，然后經(jīng)兩自由度機(jī)構(gòu)輸出一個(gè)速度波，根據(jù)算法和理想值比較，誤差如果超出允許范圍，計(jì)算機(jī)經(jīng)計(jì)算給定第二步的輸入函數(shù)，再進(jìn)行速度補(bǔ)償，取得第二個(gè)輸出速度波……依次循環(huán)，逐步逼近理想輸入函數(shù)。通過(guò)不斷的調(diào)試，選擇合適的加權(quán)因子，直到速度輸入函數(shù)逐漸收斂為止，這樣就得到了理想的第二輸入速度函數(shù)。
迭代步驟如下：
初始設(shè)置加權(quán)因子k=10，ω1=ω3d=6.5rad/s，第一輸入等效力矩模型和負(fù)載力矩模型依前述單自由度仿真建立。v2為ω2經(jīng)螺旋傳遞裝置轉(zhuǎn)化為往復(fù)運(yùn)動(dòng)的速度。
第一步：（1）給第二輸入一個(gè)函數(shù)，假設(shè)
，如圖4-20所示。
（2）在adams下建立的樣機(jī)模型里，將上述速度值設(shè)置到第二輸入中，設(shè)置好后，進(jìn)行仿真。得到輸出速度圖4-21。
（3）將上述輸出速度圖每隔0.005秒采樣一次，得到一組輸出速度值的離散數(shù)據(jù)，以數(shù)據(jù)文件格式輸出，如圖4-22所示（圖中只截取0.2秒內(nèi)）。
（4）將上述數(shù)據(jù)，形成一組輸出速度函數(shù)
，控制器調(diào)用學(xué)習(xí)控制算法，先根據(jù)判斷式：
判斷是否超出許用值，在誤差范圍內(nèi)。如果超出，用以下算式計(jì)算，
得到新的一組
值，數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)化成平動(dòng)速度，擬合形成3階擬合曲線函數(shù)，如圖4-23所示（實(shí)線為擬合曲線，下同）。
第二步：（1）將上述擬合的函數(shù)：作為新的第二輸入函數(shù)：
（2）在Adams下建立的樣機(jī)模型里，將上述
速度函數(shù)設(shè)置到第二輸入中，設(shè)置好后，進(jìn)行仿真。得到輸出速度曲線，如圖4-24所示。
（3）同樣，將上述輸出速度圖每隔0.005秒采樣一次，得到一組輸出速度值的離散數(shù)據(jù)，以數(shù)據(jù)文件格式輸出，如圖4-25所示（截取0.05秒內(nèi)）。
（4）將上述數(shù)據(jù)，形成一組輸出速度函數(shù)
，控制器調(diào)用學(xué)習(xí)控制算法，先根據(jù)判斷式：
判斷是否超出許用值，在誤差范內(nèi)。如果超出，用不以下算式計(jì)算，
得到新一組
值，數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)化成平動(dòng)速度，擬合形成3階擬合函數(shù)曲線，如圖4-26所示（圖中實(shí)線為擬合函數(shù)）。
第n步：
依次類推，程序一周期迭代一次，直至得到符合要求的輸出速度，最后得到一組理想的第二輸入速度函數(shù)。
由于算法是用C語(yǔ)言編寫的，它和Adams軟件的接口技術(shù)問(wèn)題一直沒(méi)有很好的解決，導(dǎo)致上述過(guò)程事實(shí)上分兩階段手動(dòng)完成的，就是先仿真得到輸出速度曲線，然后將該曲線離散化輸出到數(shù)據(jù)文件當(dāng)中，然后在C語(yǔ)言環(huán)境下，調(diào)用該數(shù)據(jù)文件，編程處理計(jì)算出新的ω2。所以這一部分沒(méi)有實(shí)現(xiàn)完全的控制和仿真聯(lián)合起來(lái)，導(dǎo)致無(wú)法得到一個(gè)收斂的ω2函數(shù)和一個(gè)比較適合的加權(quán)因子k的值，很是遺憾。
§4.4本章小結(jié)
在本章中，經(jīng)理論分析和仿真研究表明，該柔性速度補(bǔ)償裝置主要融合一些適度柔性機(jī)器原理，利用機(jī)構(gòu)自身的運(yùn)動(dòng)特性，并通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的適度調(diào)整來(lái)調(diào)節(jié)速度的波動(dòng)。
首先伺服電機(jī)不動(dòng)作，該裝置作為一個(gè)單自由度機(jī)構(gòu)就可以補(bǔ)償大部分的速度波動(dòng)。然后，采用學(xué)習(xí)控制的方法作為該柔性速度補(bǔ)償裝置的控制策略。因?yàn)榛诘膶W(xué)習(xí)控制基本思想是針對(duì)一類特定的系統(tǒng)但又不依賴系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型，它通過(guò)反復(fù)訓(xùn)練的方式進(jìn)行自學(xué)習(xí)，使系統(tǒng)逐步逼近期望的輸出。在控制算法控制下伺服電機(jī)依據(jù)波動(dòng)情況驅(qū)動(dòng)第二輸入，實(shí)現(xiàn)在兩自由度機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)協(xié)同工作，最終為執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供一個(gè)比較平穩(wěn)的速度輸入。
該補(bǔ)償裝置的主要特點(diǎn)是具有適度的柔性，可在一定范圍內(nèi)根據(jù)機(jī)械參數(shù)或運(yùn)行工況的變化而進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。此外，其柔性還體現(xiàn)在對(duì)非加載時(shí)段的速度波動(dòng)可根據(jù)需要選擇是否進(jìn)行補(bǔ)償，不是全程速度補(bǔ)償，從而適度降低補(bǔ)償?shù)拇鷥r(jià)。
