一種電機位置伺服系統的高精度控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及電機位置伺服控制系統技術領域，具體而言涉及一種電機位置伺服系 統的高精度控制方法。
【背景技術】
[0002] 因為在工業中的廣泛應用，電機驅動的運動系統的高性能控制已經引起了包括工 程師和科學家在內的廣泛關注。然而，為伺服系統設計高性能的控制器并不容易，由于工作 狀況變動、外部干擾以及建模誤差的緣故，實際工業過程的精確模型很難得到，而系統的各 種故障也將導致模型的不確定性，也就是說模型的不確定性在控制系統中廣泛存在，因此 設計人員很可能會遇到很多的模型不確定性，特別是非結構不確定性等未建模的非線性。 這些不確定性因素可能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，甚至不穩定性。對于已知的非線性，可以通過反饋線性化技術處理。但是，無論動態非 線性識別的如何準確的數學模型，都不可能得到實際非線性系統的整個非線性行為，進而 進行完美的補償。始終存在著不能夠用明確的函數來模擬的未建模非線性。
[0003] 傳統控制方式難以滿足不確定非線性的跟蹤精度要求，因此需要研宄簡單實用且 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于電機伺服系統，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復雜，不易 于工程實現
[0004] 針對電機伺服中不確定非線性的特點，建立了系統的模型，并在此基礎上分別設 計了電機位置伺服系統有限時間干擾觀測器及rise積分魯棒控制律，估計系統未建模干 擾并在控制輸入中予以補償。
【發明內容】
[0005] 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 服系統的高精度控制方法。
[0006] 本發明的上述目的通過獨立權利要求的技術特征實現，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征。
[0007] 為達成上述目的，本發明所采用的技術方案如下：
[0008] -種電機位置伺服系統的高精度控制方法，包括以下步驟：
[0009] 步驟1、建立電機位置伺服系統模型；
[0010] 步驟2、設計基于有限時間干擾估計的電機高精度控制器；以及
[0011] 步驟3、調節基于一種有限時間干擾估計的電機高精度的控制律的參數使得系統 滿足控制性能指標。
[0012] 在進一步的實施例中，本發明的前述實施例中提出的電機位置伺服系統的高精度 控制方法，針對電機伺服中不確定非線性的特點，建立了系統的模型，并在此基礎上分別設 計了電機位置伺服系統有限時間干擾觀測器及rise積分魯棒控制律，估計系統未建模干 擾并在控制輸入中予以補償。
[0013] 有以上本發明的實施方案可知，本發明的電機位置伺服系統的高精度控制方法， 其有益效果在于：
[0014] 1、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，并設計基于有 限時間干擾估計的電機高精度控制器，對系統未建模干擾進行估計并實時補償，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，積分 魯棒想保證了系統總體的穩定性；
[0015] 2、在上述干擾條件下系統控制精度滿足性能指標；
[0016] 3、本發明簡化了控制器設計，仿真結果表明了其有效性。
[0017] 應當理解，前述構思以及在下面更加詳細地描述的額外構思的所有組合只要在這 樣的構思不相互矛盾的情況下都可以被視為本公開的發明主題的一部分。另外，所要求保 護的主題的所有組合都被視為本公開的發明主題的一部分。
[0018] 結合附圖從下面的描述中可以更加全面地理解本發明教導的前述和其他方面、實 施例和特征。本發明的其他附加方面例如示例性實施方式的特征和/或有益效果將在下面 的描述中顯見，或通過根據本發明教導的【具體實施方式】的實踐中得知。
【附圖說明】
[0019] 附圖不意在按比例繪制。在附圖中，在各個圖中示出的每個相同或近似相同的組 成部分可以用相同的標號表示。為了清晰起見，在每個圖中，并非每個組成部分均被標記。 現在，將通過例子并參考附圖來描述本發明的各個方面的實施例，其中：
[0020] 圖1是典型的電機執行裝置示意圖。
[0021] 圖2是本發明公開的電機位置伺服系統的高精度控制方法的控制策略圖。
[0022] 圖3是本發明公開的期望跟蹤指令的示意圖。
[0023] 圖4是干擾作用下控制器輸入電壓u曲線，控制器輸入電壓滿足-10V?+10V的 輸入范圍，符合實際應用，此外還可以看出系統所加干擾時大干擾。
[0024] 圖5是干擾估計和干擾估計誤差曲線。
[0025] 圖6是跟蹤誤差曲線。
【具體實施方式】
[0026] 為了更了解本發明的技術內容，特舉具體實施例并配合所附圖式說明如下。
[0027] 在本公開中參照附圖來描述本發明的各方面，附圖中示出了許多說明的實施例。 本公開的實施例不必定意在包括本發明的所有方面。應當理解，上面介紹的多種構思和 實施例，以及下面更加詳細地描述的那些構思和實施方式可以以很多方式中任意一種來實 施，這是應為本發明所公開的構思和實施例并不限于任何實施方式。另外，本發明公開的一 些方面可以單獨使用，或者與本發明公開的其他方面的任何適當組合來使用。
[0028] 結合圖1、圖2所示，根據本發明的叫價實施方式，一種電機位置伺服系統的高精 度控制方法，其實現包括以下步驟：
[0029] 步驟1、建立電機位置伺服系統模型；
[0030] 步驟2、設計基于有限時間干擾估計的電機高精度控制器；以及
[0031] 步驟3、調節基于一種有限時間干擾估計的電機高精度的控制律的參數使得系統 滿足控制性能指標。
[0032] 應當理解，結合圖2所示，該實施例提出的電機位置伺服系統的高精度控制方法， 針對電機伺服中不確定非線性的特點，建立了系統的模型，并在此基礎上分別設計了電機 位置伺服系統有限時間干擾觀測器及rise積分魯棒控制律，估計系統未建模干擾并在控 制輸入中予以補償。
[0033] 下面結合附圖所示，對前述各步驟的具體實現做示例性的說明。
[0034] 步驟1、建立電機位置伺服系統模型
[0035] 圖1所示為典型的電機執行裝置示意，根據牛頓第二定律，電機慣性負載的動力 學模型方程可表示為：
【主權項】
1. 一種電機位置伺服系統的高精度控制方法，其特征在于，該高精度控制方法的實現 包括以下步驟： 步驟1、建立電機位置伺服系統模型； 步驟2、設計基于有限時間干擾估計的電機高精度控制器；以及 步驟3、調節基于有限時間干擾估計的電機高精度的控制律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高精度控制方法，其特征在于，前述步 驟1的實現包括： 根據牛頓第二定律，將電機慣性負載的動力學模型方程表示為：
(1) 式中y表示角位移，m表示慣性負載，1^表示扭矩常數，u是系統控制輸入，b代表粘性 摩擦系數，f代表其他未建模干擾，包括非線性摩擦，外部干擾以及未建模動態； 將前述（1)式轉換成狀態空間形式，如下：
(2) 其中-[_y，j]，x= [Xi，X2]t表不位置和速度的狀態向星；j(以 示集中干擾； 由于系統的未建模動態和干擾總是有界的，因而，以下假設總是成立的： 假設l:d(x，t)是足夠光滑的，SP
(3) 其中8"S2,S3已知。
3. 根據權利要求2所述的電機位置伺服系統的高精度控制方法，其特征在于，前述步 驟2設計基于有限時間干擾估計的電機高精度控制器的實現，其包括以下步驟： 步驟2-1、根據公式（2)構建電機的有限時間干擾觀測器 由（2)式設計一個d(x，t)的有限時間的干擾觀測器，如下：
e{ = v, =d, =vs =d v〇 =-人 〇Ie0_x212/3sgn(e0-x2)+ei(4) Vi = - ^11 e^Vo 11/2sgn (e〇-v〇) +e2 v2= - A 2sgn(e2-v1) 存在一個時間，當時間t大于時間常數時，j= 〇，j= 〇，j= 〇其中J=j- 入。，A^A2為設計參數； 然后，定義一組飽和函數：
由式（5)和前述時間可得：
步驟2-2、設計基于有限時間干擾估計的電機高精度控制器 首先定義一組函數如下：
其中Zi=xi-xjt)是輸出跟蹤誤差，k^X)和k2>0是反饋增益； 由于G(s)izJsVzJs) =l/G+ki)是一個穩定的傳遞函數，讓zl很小或趨近于零 就是讓z2很小或趨近于零； 因此，控制器設計轉變成讓22盡可能小或趨近于零； 由式⑵可得： r=x2-x2l,q+k 2z2(8) 把式（2)代入可得：
(9) 基于干擾估計J，融合FTDO的魯棒控制器如下：
(10) usl=_krz2 其中k，0是一個反饋增益； 把式（10)代入式（9)，可得Y的動態方程： y = -krz2+us2+d (11) 為了消除干擾估計誤差的影響，設計基于rise的積分魯棒項，如下： 其中0>〇為設計增益； 由式（11)和式（12)可得： (12) Y=~krzz +iis2 +d =-krz2 + d- krk2z2 - fisigniz-,) (13) 然后，定義一個輔助函數L(t):
(14) 如果增益0滿足如下條件：
(15) 則如下定義的函數P(t)總是為正：
(16)
4.根據權利要求3所述的電機位置伺服系統的高精度控制方法，其特征在于，前述步 驟3中，通過調節基于有限時間干擾估計的電機高精度的控制律u的參數bkh，X。，入p 入2, 0使得系統滿足控制性能指標。
【專利摘要】本發明提供一種電機位置伺服系統的高精度控制方法，其實現包括以下步驟：步驟1、建立電機位置伺服系統模型；步驟2、設計基于有限時間干擾估計的電機高精度控制器；以及步驟3、調節基于有限時間干擾估計的電機高精度的控制律的參數使得系統滿足控制性能指標。本發明提出的電機位置伺服系統的高精度控制方法，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，并設計基于有限時間干擾估計的電機高精度控制器，對系統未建模干擾進行估計并實時補償，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，積分魯棒項保證了系統總體的穩定性。
【IPC分類】G05B13-04
【公開號】CN104614984
【申請號】CN201410670450
【發明人】徐張寶, 姚建勇, 楊貴超
【申請人】南京理工大學
【公開日】2015年5月13日
【申請日】2014年11月20日