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       基于模型的设计（model-based design，简称mbd）是目前国际上流行的系统开发方法，并且成功用于航空航天控制、车辆控制、运动控制、工业设备控制等领域。对于复杂的系统工程，在产品研制过程中，采用基于v模式开发流程是目前国际非常流行且行之有效的方法。
       对于一个完整的伺服系统开发项目而言， v模式的设计阶段主要完成伺服系统需求分析、电机传感器选型、控制系统建模、全数字仿真试验。其中控制系统建模是设计阶段的关键，包括接口设计、参考指令生成、控制律设计、定点化、各环周期设定、被控电机和负载建模、传动系统建模、驱动器建模等工作。
       伺服系统v模式开发流程的测试验证阶段包括快速控制原型（rapid control prototype）试验和硬件在回路（hardware in loop）试验。伺服系统的完整开发流程如下图所示：
 

图1 基于v模式的伺服系统开发流程

伺服系统建模
       在伺服系统中，被控作动器、传动机构、负载一起构成完整的被控对象。搭建伺服系统仿真模型，首先需要构造被控对象。想要建立与实际被控对象完全一模一样的仿真模型是不可能的，但为了让仿真系统的控制结果更有指导意义，理应建立尽可能逼近真实被控对象的仿真模型，而把其他未建模的系统动态视作有限的外部扰动，通过控制律设计进行抑制。因此，被控对象的建模分为两步：首先，根据作动电机的工作原理建立其数学模型，从而确定被控对象模型的基础结构，同时进一步考虑静摩擦、粘性摩擦、齿槽转矩、传动回差、传动比、负载等因素，对基础结构进行合适地修改得到一个更完整的被控对象结构；然后，通过系统辨识的方法，从采集的输入输出数据中辨识出该模型结构中各参数的数值，从而使该模型能按某种统计意义尽量逼近真实对象。
       在得到一个足够逼近被控对象的仿真模型后，控制律设计是伺服系统建模的主要内容。根据任务目标、精度和响应速度要求、传感器选型等方面的不同，研究人员可以综合分析并优先考虑系统指标的实现难点，灵活地选择控制律结构和设计方法。
•  电机建模
       由于电机类型的不同，其数学模型也不尽相同，不同的电机类型需要使用不同的逆变逻辑进行驱动。电机的数学模型是建立精确模型的基础，为了更有力地阐述电机基本工作原理，数学模型可以进行一定的简化，通常只描述极对数、相数、气隙磁通波形等基本特性。正是数学模型的这些基础特性和基本工作原理描述，决定了驱动器逆变逻辑的不同。
       在数学模型的基础上，再添加或修改静摩擦、滑动摩擦、齿槽扭矩等环节，构成一个可以全面刻画电机特性的模型。这样，电机模型就有了一个固定的数学结构，而为了让该模型与实物吻合，则还需要对该模型中各参数进行辨识。
•  参数辨识
       辨识方法根据系统实际的输入输出数据辨识出模型结构中各参数数值，使数学模型与实物更加吻合。
       参数辨识的方法按照如下图所示的迭代验证的流程执行。单次参数辨识运算结束，需验证辨识结果与实际系统的相似程度。如果相似度满足要求，则迭代过程结束；如果相似度较低，则需要通过修改模型结构、增加样本、更改激励、修改采样周期等进行调整，直到辨识结果经验证有效。

 

图2 被控对象参数辨识流程

       系统辨识分为变结构辨识和定结构参数辨识。由于上一节我们已经确定了被控对象模型的固定结构，因此此时被控对象的辨识是定结构参数辨识。参数辨识的方法包括：最小二乘法、增广矩阵法、辅助变量法、最大似然法。其中应用比较多的是迭代最小二乘法和最大似然法。
•  控制律设计
       控制律设计的方法从pid、零极点配置到状态方程理论，从鲁棒控制到智能控制，可谓多种多样，很难说孰优孰劣。但合适地控制律设计应该遵循的原则是：根据具体地控制任务和需要达到的性能指标设计尽可能简单的控制律。对于高精度的控制任务，如果已经通过系统辨识的方法得到了一个足够准确的被控对象模型，那么自适应鲁棒控制或扰动观测器一类基于模型的设计方法是一个很好的选择。
伺服控制器的验证方法
•  半实物实时仿真平台
       在伺服系统建模阶段，通过搭建基础数学模型、细化模型、系统辨识、控制律设计的一系列工作，我们已经构建了完整的伺服系统模型。而在v模式的验证阶段，我们需要通过rcp和hil进行伺服控制器产品的验证。这部分的工作可以在higale实时仿真平台上完成。
•  快速控制原型仿真
       伺服控制器的快速控制原型仿真是指将控制策略代码下载到实时仿真机，与驱动器、电机、传动机构、传感器构成伺服闭环，验证控制器的正确性和控制性能。下图给出了快速控制原型仿真的系统连接关系：

 

 图3 伺服控制器快速控制原型

       伺服控制器的快速控制原型仿真提供了以下一些功能和便利：
    ♦  有效隔离控制算法逻辑错误和控制器硬件错误，实现错误快速定位，加快系统调试进度，节省开发成本；
    ♦  便捷的数据采集平台，采集伺服系统中的输入输出数据用于系统辨识或控制结果分析；
    ♦  快捷的在线调参环境，实时显示控制结果，避免了反复从硬件中采集控制结果的繁复操作，提高控制律参数整定效率。
•  硬件在回路仿真
       硬件在回路仿真是指将控制逻辑代码下载到控制器硬件形成控制器产品后，将被控对象模型及伺服上层控制逻辑（如制导律、设备启动逻辑等）下载到实时仿真机，形成伺服控制闭环，模拟伺服控制器的真实工作环境，验证伺服控制器的工作性能。下图给出了硬件在回路仿真的系统连接关系：

 

 图4伺服控制器硬件在回路仿真

       伺服控制器硬件在回路仿真提供了以下一些功能和便利：
    ♦  实现控制器工作环境的实验室模拟，降低试验成本，节省试验空间；
    ♦  可以模拟制导律等更高一层的控制结构，提供接近真实的参考信号，验证控制器能否满足实际控制任务的性能要求。
    ♦  优势
       恒润科技为客户提供的基于实时仿真技术的伺服控制系统开发方法，可以为客户伺服系统开发整个项目周期提供全方位的服务。在控制系统设计阶段，可以协助客户建立伺服系统模型，并通过系统辨识的方法提高模型的有效性；在得到与实物吻合的被控对象模型后，可以针对不同控制任务和性能指标进行控制律设计和优化；最后，可以通过rcp和hil等半实物仿真技术有效验证伺服控制器的功能和性能，并有效提高控制系统的开发和调试效率。
•  客户收益
       基于实时仿真技术的伺服控制系统开发，不但可以通过早期设计迭代规避设计风险，提高控制器算法的开发效率，还可以在rcp验证过程中有效隔离算法错误和硬件错误，同时通过在线调参提高参数整定的效率。最后，伺服控制器半实物仿真验证方法，还通过hil仿真实现控制器在近似真实工况下的快速性能验证。