基于伪输入高斯过程的3D打印机前馈驱动控制方法技术

本发明专利技术公开基于伪输入高斯过程的3D打印机前馈驱动控制方法，具体步骤如下：步骤1、将3D打印机驱动系统P表示为离散形式的因果系统式与非因果系统式：步骤2、在前馈补偿控制器作用下使控制系统获得与期望轨迹相吻合的输出轨迹；步骤3、为反演得到系统前馈补偿所需的逆模型；步骤4、将驱动系统逆模型重新表述为高斯前馈补偿；步骤5、构建稀疏伪输入高斯过程前馈控制架构；步骤6、将步骤4高斯过程算法引入到系统逆模型辨识中，并结合步骤5对高斯前馈控制进行优化，再将优化后逆模型加载到前馈控制架构中，完成基于伪输入高斯过程的3D打印机前馈驱动控制。该方法解决了3D打印弱刚度驱动系统难以实现高效率、高精度控制问题。高精度控制问题。高精度控制问题。

【技术实现步骤摘要】
基于伪输入高斯过程的3D打印机前馈驱动控制方法


[0001]本专利技术属于机械设计与制造
，具体涉及一种基于伪输入高斯过程的3D打印机前馈驱动控制方法。

技术介绍

[0002]3D打印技术(又称为增材制造技术)可快速完成产品从原型设计到物理实现的过程，省去了繁琐的数控编程与夹具设计等工作，极大地缩短了产品的设计周期，在复杂高效的生产需求背景下极具有竞争优势，且涵盖了机械制造、工程建筑、生物医疗、食品工业等多个领域。目前，3D打印技术的精度、可重复性和材料范围得到大幅增加，已成为工业生产过程中可靠的加工技术。然而，随着3D打印技术在各个行业中的快速普及，日益更新的产品和客户需求使得对打印机产品的成型质量及打印速度的要求变得愈发严苛。近年来，众多学者及企业在如何提高3D打印产品的成型精度问题进行了大量研究，但仍然面临打印机驱动系统(例如：带传动)弱刚度特性、非线性摩擦力扰动等问题的挑战，导致产品打印质量达不到设计要求且效率较低。因此，亟需开发在保证打印精度的前提下能够大幅度提升打印效率的驱动技术，进而提升制件生产效率并降低其成本。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是提供一种基于伪输入高斯过程的3D打印机前馈驱动控制方法，解决了现有方法难以满足弱刚度驱动系统高精度运动控制的需求，从而导致打印制件成型质量差、效率低的问题。
[0004]本专利技术所采用的技术方案是，基于伪输入高斯过程的3D打印机前馈驱动控制方法，具体步骤如下：
[0005]步骤1、将3D打印机驱动系统P表示为离散形式的因果系统式与非因果系统式：
[0006]步骤2、在前馈补偿控制器作用下使控制系统获得与期望轨迹相吻合的输出轨迹；
[0007]步骤3、为反演得到系统前馈补偿所需的逆模型；
[0008]步骤4、将驱动系统逆模型重新表述为高斯前馈补偿；
[0009]步骤5、构建稀疏伪输入高斯过程前馈控制架构；
[0010]步骤6、将步骤4高斯过程算法引入到系统逆模型辨识中，并结合步骤5对高斯前馈控制进行优化，再将优化后逆模型加载到前馈控制架构中，完成基于伪输入高斯过程的3D打印机前馈驱动控制。
[0011]本专利技术的特征还在于，
[0012]步骤1中，将3D打印机驱动系统P表示为离散形式的因果系统式与非因果系统式，具体如下：
[0013]y
t
‑
＝f
t
‑
{u(t),u(t
‑
1),
…
,u(t
‑
n
d
)}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0014]y
t+
＝f
t+
{u(t+n
f
),u(t+n
f
‑
1),
…
,u(t)}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0015]其中，t为时间，u(
·
)为控制输入信号，n
d
和n
f
分别为延迟样本数和预览样本数，
f
t
‑
{
·
}为延迟样本作为输入信号与3D打印机物理系统P的映射函数，f
t+
{
·
}为预览样本作为输入信号与3D打印机物理系统P的映射函数，y
t
‑
和y
t+
分别为延迟样本和预览样本输入系统后获得的输出轨迹。
[0016]步骤2具体按照以下步骤实施：
[0017]将采样轨迹输入R＝{q1,
…
,q
n
}设计为参考轨迹不同比例或者不同频率的集合，其中第i次采样的轨迹为q
i
＝[q(0)，
…
，q(n
‑
1)]，i∈[1，
…
，n]，n为采样轨迹q(
·
)的样本个数；然后，将R输入到打印机驱动系统，依据开环系统最小二乘法正向识别过程，获得打印机上位置传感器输出值y
i
＝[y(0)，
…
，y(n
‑
1)]T
及控制输入信号u
i
＝[u(0)，
…
，u(n
‑
1)]T
，进而将n次采样轨迹产生的数据叠加为数据集(3)和(4)：
[0018]Y＝[y1，y2，
…
，y
n
]T
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0019]U＝[u1，u2，
…
，u
n
]T
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)。
[0020]步骤3具体按照以下步骤实施：
[0021]依据开环系统最小二乘法反向识别方法来获取3D打印逆模型；此时，上式(2)中的输入u(
·
)将作为反向识别输出，而原来的输出y将作为反向识别输入，则驱动系统逆模型表示为式(5)：
[0022]u
i
＝f
P
(x
i
)+ε
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0023]式(5)中，ε为弱刚度带传动驱动中存在的振动及非线性摩擦力扰动噪声；逆模型的反向识别输入为x
i
＝[y(t+n
f
)，y(t+n
f
‑
1)，
…
，y(t)]；
[0024]然后，通过式(6)来格式化式(3)，得到逆模型训练数据集S＝{U，X}，X为训练矩阵，U为训练目标；其中，训练矩阵X具体表达式如下：
[0025][0026]步骤4具体按照以下步骤实施：
[0027]将驱动系统逆模型(5)重新表述为高斯前馈补偿，如式(7)所示：
[0028]U＝{f
P
(x1)，f
P
(x2)，
…
，f
P
(x
n
)}
T
+ε
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0029]其中，f
P
(
·
)为训练矩阵X＝{x1,x2,
…
,x
n
}
T
与训练目标U之间的映射关系，ε为输出信号所受到外界系统白噪声信号所受到外界系统白噪声为输入数据x
i
相邻区域的局部方差；定义逆模型的高斯先验为式(8)：
[0030]p(U|X，θ)＝N(M，K)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0031]其中，p(U|X，θ)为关于输入X的输出U概率目标函数，N(<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于伪输入高斯过程的3D打印机前馈驱动控制方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤1、将3D打印机驱动系统P表示为离散形式的因果系统式与非因果系统式：步骤2、在前馈补偿控制器作用下使控制系统获得与期望轨迹相吻合的输出轨迹；步骤3、为反演得到系统前馈补偿所需的逆模型；步骤4、将驱动系统逆模型重新表述为高斯前馈补偿；步骤5、构建稀疏伪输入高斯过程前馈控制架构；步骤6、将步骤4高斯过程算法引入到系统逆模型辨识中，并结合步骤5对高斯前馈控制进行优化，再将优化后逆模型加载到前馈控制架构中，完成基于伪输入高斯过程的3D打印机前馈驱动控制。2.根据权利要求1所述的基于伪输入高斯过程的3D打印机前馈驱动控制方法，其特征在于，步骤1中，将3D打印机驱动系统P表示为离散形式的因果系统式与非因果系统式，具体如下：y
t
‑
＝f
t
‑
{u(t),u(t
‑
1),
…
,u(t
‑
n
d
)}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)y
t+
＝f
t+
{u(t+n
f
),u(t+n
f
‑
1),
…
,u(t)}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)其中，t为时间，u(
·
)为控制输入信号，n
d
和n
f
分别为延迟样本数和预览样本数，f
t
‑
{
·
}为延迟样本作为输入信号与3D打印机物理系统P的映射函数，f
t+
{
·
}为预览样本作为输入信号与3D打印机物理系统P的映射函数，y
t
‑
和y
t+
分别为延迟样本和预览样本输入系统后获得的输出轨迹。3.根据权利要求1所述的基于伪输入高斯过程的3D打印机前馈驱动控制方法，其特征在于，步骤2具体按照以下步骤实施：将采样轨迹输入R＝{q1，
…
，q
n
}设计为参考轨迹不同比例或者不同频率的集合，其中第i次采样的轨迹为q
i
＝[q(0)，...，q(n
‑
1)]，i∈[1，...，n]，n为采样轨迹q(
·
)的样本个数；然后，将R输入到打印机驱动系统，依据开环系统最小二乘法正向识别过程，获得打印机上位置传感器输出值y
i
＝[y(0)，...，y(n
‑
1)]
T
及控制输入信号u
i
＝[u(0)，...，u(n
‑
1)]
T
，进而将n次采样轨迹产生的数据叠加为数据集(3)和(4)：Y＝[y1，y2，...，y
n
]
T

【专利技术属性】
技术研发人员：孔令飞，张朝辉，李鹏飞，张勇，
申请(专利权)人：陕西精奥明测控科技有限公司，
类型：发明
国别省市：