一種電機位置伺服系統的抗幹擾控制方法
2023-05-16 10:07:36
一種電機位置伺服系統的抗幹擾控制方法
【專利摘要】本發明提供一種電機位置伺服系統的抗幹擾控制方法，針對電機位置伺服系統的特點，建立了電機位置伺服系統模型，並據此設計的基於有限時間幹擾估計的魯棒控制器，對系統未建模幹擾進行估計並實時補償，通過控制律參數調節能很好估計系統的總擾動，能有效解決電機伺服系統不確定非線性問題，在上述幹擾條件下系統控制精度滿足性能指標；本發明所提出的電機位置伺服系統的抗幹擾控制方法，簡化了控制器設計。
【專利說明】一種電機位置伺服系統的抗幹擾控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及電機位置伺服【技術領域】，具體而言涉及一種電機位置伺服系統的抗幹 擾控制方法。
【背景技術】
[0002] 直流電機具有響應快速、較大的起動轉矩、從零轉速至額定轉速具備可提供額定 轉矩的性能等優點，因而在工業中廣泛應用。隨著工業發展的需求，高精度的運動控制已成 為現代直流電機的主要發展方向。在電機伺服系統中，由於工作狀況變動、外部幹擾以及建 模誤差的緣故，在設計控制器時，會遇到很多的模型不確定性，尤其是不確定非線性，它會 嚴重惡化能夠取得的控制性能，從而導致低控制精度，極限環震蕩，甚至系統的不穩定。對 於已知的非線性，可以通過反饋線性化技術處理。但是實際工業過程的精確模型很難得到， 非線性更是未知的，因而設計高性能控制器時異常困難。
[0003] 傳統控制方式難以滿足不確定非線性的跟蹤精度要求，因此需要研究簡單實用且 滿足系統性能需求的控制方法。近年來，各種先進控制策略應用於電機伺服系統，如滑模變 結構控制、魯棒自適應控制、自適應魯棒等。但上述控制策略控制器設計均比較複雜，不易 於工程實現。
【發明內容】
[0004] 本發明為解決電機位置伺服系統中不確定非線性問題，進而提出一種電機位置伺 服系統的抗幹擾控制方法。
[0005] 本發明的上述目的通過獨立權利要求的技術特徵實現，從屬權利要求以另選或有 利的方式發展獨立權利要求的技術特徵。
[0006] 為達成上述目的，本發明所採用的技術方案如下：
[0007] -種電機位置伺服系統的抗幹擾控制方法，其實現包括以下步驟：
[0008] 步驟1、建立電機位置伺服系統模型；
[0009] 步驟2、根據前述建立的模型設計基於有限時間幹擾估計的電機魯棒控制器； [0010] 步驟3、通過調節基於有限時間幹擾估計的魯棒控制器中的參數使得系統滿足控 制性能指標。
[0011] 進一步的實施例中，前述步驟1的實現包括：
[0012] 將電機慣性負載的動力學模型方程表示為：
【權利要求】
1. 一種電機位置伺服系統的抗幹擾控制方法，其特徵在於，該方法的實現包括以下步 驟： 步驟1、建立電機位置伺服系統模型； 步驟2、根據前述建立的模型設計基於有限時間幹擾估計的電機魯棒控制器； 步驟3、通過調節基於有限時間幹擾估計的魯棒控制器中的參數使得系統滿足控制性 能指標。
2. 根據權利要求1所述的電機位置伺服系統的抗幹擾控制方法，其特徵在於，前述步 驟1的實現包括： 將電機慣性負載的動力學模型方程表示為： my - kfu - by - f (y, y, t) (I) 式中，y表示角位移，m表示慣性負載，kf表示扭矩常數，u是系統控制輸入，b代表粘性 摩擦係數，f代表其他未建模幹擾，包括比如非線性摩擦，外部幹擾以及未建模動態； 將（1)式改寫成狀態空間形式，如下：
其中，[XpX2] X = [X1, x2]T表示位置和速度的狀態向量；參數集0 = [Q丨，Q 2]T，其中Q丨=kf/m，0 2 = b/m，九丫，〇=/(7,如)/--表示集中幹擾； 由於系統參數m，kf，b未知，系統參數是不確定的，系統的不確定非線性d(x，t)不能明 確建模，且系統的未建模動態和幹擾總是有界的，因而，以下假設總是成立的： 假設1 :參數9滿足： 叫（3) 其中 0 Hlin = [ U 2niin]T，0 MX = [ 9 lniax，9 2mx]t，它們都是已知的，此外 9 lniin>〇， 9 2min〉〇 ; 假設2 :d(x，t)是有界的且一階可微的，即 I d(x，t) I 彡 5 d (4) 其中，Sd已知。
3. 根據權利要求2所述的電機位置伺服系統的抗幹擾控制方法，其特徵在於，前述步 驟2設計基於有限時間幹擾估計的電機魯棒控制器，其具體實現包括： 步驟2-1、根據公式（2)構建電機的有限時間幹擾觀測器 首先，系統模型（2)寫成如下形式：
其中，D(x, t) = ( 0「0 ln)u_( 0 2_ 0 2n)x2_d(x, t)是一個廣義幹擾，代表名義系統的偏 差，0^和02n分別是^和02的名義值； 由 D1U, t) = ( 0 廠 0 ln)u-( 0 2- 0 2n)x2-d(x, t)和前述假設 2 可知 D1U, t)也是有界一 階可微的，即
其中，9111=91^!￡_9111111，^) = [1<，-'^2]; 由（5)式設計一個D1(Xj)的有限時間幹擾觀測器，如下： e〇 =V^duU-O2tlX1, et =V1 = D1, =v7 = V0 =-入 〇 I e0-x212/3sgn (e0_x2) +e! (7) V1 =-入！ I e^Vo 11/2sgn (e0-v0) +e2v2 =-入 Pgn(G2-V1) 存在一個時間時間常數T1，當時間t大於時間常數T1時，A = 〇 ,其中A =A - A ;且 總是能選擇足夠大的設計參數來保證任意小的時間段T1 ; 定義一個飽和函數：
步驟2-2、設計基於有限時間幹擾估計的電機魯棒控制器如下： 定義變量如下： Z2 - Z1+ Ar1Z1 = X2- X2eq (Iq) A X2eq =Kd ~KZl 其中，Z1 = X1-XldU)是輸出跟蹤誤差，kpo是一個反饋增益，由於G(s) = Z1(S)A2(S) =Vbk1)是一個穩定的傳遞函數，當Z2趨於0時，Z1必然也趨於0 ; 對式（10)微分並把式（5)代入，可得： Z2 =OhtU-O2i X1-X2iy+ D(XJ) (11) 基於幹擾估計為，融合FTDO的魯棒控制器如下： u = (ua+us) / 9 lnus = usl+us2 = i', + - /3丨 （12) a Zeq Zn Z I usi = _k2z2 把式（12)代入式（11)，可得z2的動態方程： r^, jTit^ ~ (13) us2滿足如下條件： z2 -/)，!<〇-, ( 14a) Z2Us2 ^ O (14b) 其中〇 PO是一個設計參數，在此給出滿足式（14a)和式（14b)的us2的一個形式： 令g為如下函數 於 WIIKM (15) 其中IMIIH11+?是A的上界； 由此設計如下的Us2 : I^2 = -Ii^z2 = -Sf2Z2 /(4(7,) C 16 ' 其中ksl為一個非線性增益。
4.根據權利要求3所述的電機位置伺服系統的抗幹擾控制方法，其特徵在於，在所述 步驟3中，通過調節基於有限時間幹擾估計的魯棒控制器中u的參數ki，k2, Aci, A1，入2， 〇 i，使得系統滿足控制性能指標，即誤差在預定的範圍內。
【文檔編號】G05B19/402GK104360635SQ201410562985
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年10月21日 優先權日:2014年10月21日
【發明者】姚建勇, 徐張寶, 楊貴超, 鄧文翔, 董振樂 申請人:南京理工大學