一種含磁滯補償的電機伺服系統預設性能跟蹤控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種控制方法，特別是一種含磁滯補償的電機伺服系統預設性能跟蹤 控制方法。
【背景技術】
[0002] 電機伺服系統具有響應速度快、加速性能好、維護方便及能源獲取方便等突出優 點，在工業領域得到了廣泛的應用，如轉臺、工業機械手、電動汽車等。隨著相關領域的蓬勃 發展，工程設計的性能指標也越來越苛刻，對于電機伺服系統新型控制器的需求開始變得 迫切。然而電機伺服系統中廣泛存在諸多模型不確定性，包括參數不確定性（如負載力、隨 溫度及磨損變化的摩擦特性參數等）和不確定非線性（如非線性摩擦、非線性磁滯等），這 些都給工程設計人員帶來很大的困難，從而制約著相關領域的發展。
[0003] 針對電機伺服系統以上諸多復雜問題，相關學者開展了大量的研究工作，也推進 著電機伺服控制技術的向前發展。自適應控制對于系統模型中的可參數化部分，可以有效 的估計并實現一定的模型補償，然而對于不可參數化部分，自適應控制無能為力，并且對于 存在較強外干擾的場合，自適應控制常常面臨發散的危險，這一定程度上限制了其在高精 度跟蹤控制場合的適用性；滑膜控制方法簡單，且對于存在有界干擾的系統可以實現漸進 的跟蹤控制，然而滑膜控制器中不連續符號函數所帶來的顫振現象，易導致系統控制性能 的衰減，且滑模控制常常以高增益反饋為代價，極易激發系統的高頻未建模動態，造成系統 失穩，現有的改善滑膜抖動措施的控制方法較少且復雜；神經網絡控制針對不確定非線性， 可以實現較好的參數化估計，并且通過回歸器的合適選取，估計誤差可任意小，然而神經網 絡的計算量較大，與電機伺服系統的高響應速度特性存在沖突，導致其在實際工程的應用 出現瓶頸。
[0004] 對實際中時常面臨的預設性能要求，現有的控制方法卻較少提交。所謂預設性能 需求是指，伺服系統的跟蹤性能不僅需要滿足一定的穩態指標，而且跟蹤誤差的收斂速度、 超調量等重要指標，也存在預先設定的界限。此外，伺服電機中普遍存在磁滯非線性現象， 雖然其對系統穩定性不構成嚴重威脅，但是卻極易導致系統在低頻段的相位滯后，影響控 制器的最終性能。
[0005] 總的來說，現有電機伺服系統控制技術的不足之處主要有以下幾點：（1)對于系 統的預設性能關注較少。當工程實際中對于系統存在預設性能需求時，如何在控制器設計 中融合進這些預設需求，現有的控制方法中也很少提及，這在一定程度上限制了現有控制 方法的適用性，此外系統運行初始時刻執行器所表現出來的瞬態特性，對系統的后續運行 穩定性影響很大，現有的電機伺服系統控制設計中大多只關注穩態性能，即穩態跟蹤精度 和穩定性，這顯然使得控制的設計不夠充分；（2)未考慮磁滯非線性。磁滯非線性作為電機 的固有特性，在控制器設計中如果不加以考慮，卻極易導致系統在低頻段的相位滯后，影響 控制器的最佳性能；（3)高增益反饋。這在傳統滑膜控制器設計中較為明顯，以不確定項的 最大上界作為負反饋來減小跟蹤誤差，在存在設計保守性的同時，容易激發系統高頻未建 模動態，造成系統失穩。
【發明內容】
[0006] 為了克服現有技術存在的問題，本發明提供一種充分考慮預設性能需求、系統磁 滯非線性和存在高增益反饋的含磁滯補償的電機伺服系統預設性能跟蹤控制方法。
[0007] -種含磁滯補償的電機伺服系統預設性能跟蹤控制方法，包括以下步驟：
[0008] 步驟1，建立含磁滯的電機伺服系統模型，具體方法為：
[0009] 步驟1. 1，建立電機伺服系統的動力學方程
【主權項】
1. 一種含磁滯補償的電機伺服系統預設性能跟蹤控制方法，其特征在于，包括以下步 驟： 步驟1，建立含磁滯的電機伺服系統模型； 步驟2,設計含磁滯補償的預設性能跟蹤控制方法； 步驟3,設計系統參數，滿足系統跟蹤誤差最小。
2. 根據權利要求1所述的含磁滯補償的電機伺服系統預設性能跟蹤控制方法，其特征 在于，步驟1中系統模型建立方法為： 步驟1. 1，建立電機伺服系統的動力學方程
公式（3)中m為慣性負載，h為電壓力矩常數，cU為未建模干擾項，y，j和夕分別為系 統位置、速度和加速度信號，為摩擦項，u為有效控制輸入； 公式（4)中c為磁滯特性參數，v(t)為t時刻控制器的輸出控制量，d(v)為由非線性 磁滯產生的有界干擾； 公式（5)中1'1，1'2，1'3為表征摩擦特性的權重因子， 81，82,83為不同摩擦部分的形狀因 子； 步驟1. 2,定義狀態變量
|則動力學方程轉化為：
公式（6)中 9 !=cki/m, 9 2 =r/m, 9 3=r2/m, 9 4=r3/m,A= (!〇)+(!" (x2)= tanh(SiX2)_tanh(s2x2)，f2 (x2) =tanh(s3x2) 〇
3. 根據權利要求1所述的含磁滯補償的電機伺服系統預設性能跟蹤控制方法，其特征 在于，步驟2的具體過程如下： 步驟2.1，定義預設性能函數
公式（10)跟蹤誤差e=Xl-xld，xld為系統跟蹤的位置指令，其需滿足以下性能指標
公式（7)中j和孑為正的可設計參數，P(t)為正的遞增光滑函數， 對公式（10)求反函數可得
步驟2.2,定義輔助誤差量，則由公式（6)和公式（11)得
步驟2. 3,對公式（14)作如下改進：
? 步驟2. 4,設計控制律，確定實際控制器輸入V，控制律為：
公式（16)中\表示模型補償控制器，vs表示魯棒控制器，vsl為線性魯棒反饋項，vs2為 非線性魯棒反饋項：
表示系統各未知參數估計值，g表示參數自適應律， r表示自適應回歸參數矩陣，
表示基于指令的參數回歸 器，匕為正的反饋增益，e為可設計參數； 步驟2. 5,定義李亞普諾夫函數如下：
步驟2. 6,定義矩陣A
4.根據權利要求3所述的含磁滯補償的電機伺服系統預設性能跟蹤控制方法，其特征 在于，系統參數包括ki，k2,e，立，孑，其設計要求滿足矩陣A為正定矩陣，且跟蹤誤差e最 小。
【專利摘要】本發明提供一種含磁滯補償的電機伺服系統預設性能跟蹤控制方法，包括以下步驟：步驟1，建立含磁滯的電機伺服系統模型；步驟2，設計含磁滯補償的預設性能跟蹤控制方法；步驟3，設計系統參數，滿足系統跟蹤誤差最小。本發明選用電機伺服系統作為研究對象，同時考慮了系統參數不確定性、非線性摩擦特性、未建模外干擾以及磁滯非線性，設計了優良的跟蹤控制器，建立了包含線性項和有界干擾項的磁滯模型，便于進行控制器設計；且針對系統參數不確定性和未建模干擾項，采用自適應魯棒控制方法，實現了較好的參數估計和魯棒有界穩定。
【IPC分類】G05B13-04
【公開號】CN104570733
【申請號】CN201410778146
【發明人】董振樂, 姚建勇, 馬大為, 胡健
【申請人】南京理工大學
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2014年12月15日