一種電機位置伺服系統的輸出反饋控制方法
【專利摘要】本發明公開了一種電機位置伺服系統的輸出反饋控制方法，包括以下步驟：建立電機位置伺服系統的數學模型；設計擴張狀態觀測器，對數學模型中系統的狀態和干擾進行觀測；設計二階低通濾波器以建立電機位置伺服系統的誤差系統，并根據該誤差系統設計輸出反饋控制器；運用李雅普諾夫穩定性理論對電機位置伺服系統進行穩定性證明，并運用Barbalat引理得到系統的全局漸近穩定的結果。本發明針對外干擾等不確定性通過擴張狀態觀測器進行估計并在控制器設計中進行補償，提高了實際電機位置伺服系統對外干擾的魯棒性；極大地改善了由高增益反饋所引起的高頻動態和測量噪聲等問題，從而提高了系統的跟蹤性能，更利于在實際工程中的應用。
【專利說明】一種電機位置伺服系統的輸出反饋控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及機電伺服控制【技術領域】，特別是一種電機位置伺服系統的輸出反饋控 制方法。
【背景技術】
[0002] 電機伺服系統具有響應快、維護方便、傳動效率高以及能源獲取方便等突出優點， 廣泛應用于各個重要領域，如機器人、機床、電動汽車等。隨著現代控制工程領域的快速發 展，對電機伺服系統跟蹤性能的要求也越來越高，但是如何設計控制器來保證電機伺服系 統的高性能仍舊是一個難題。這是由于電機伺服系統是一個典型的非線性系統，在設計控 制器的過程中會面臨許多建模不確定性（如未建模干擾、非線性摩擦等），這些因素可能會 使以系統名義模型設計的控制器不穩定或者降階。
[0003] 針對電機伺服系統的的非線性控制，已經取得了許多成果。如反饋線性化控制方 法可以保證系統的高性能，但是其前提是所建立的數學模型非常準確，所有非線性動態都 是已知的；為了解決建模不確定性的問題，自適應魯棒控制方法被提出，該控制方法在存在 建模不確定性的情況下可以使電機伺服系統的跟蹤誤差獲得一致最終有界的結果，如要獲 得高跟蹤性能則必須通過提高反饋增益以減小跟蹤誤差；同樣，積分魯棒控制方法（RISE) 也可以有效地解決建模不確定性的問題，而且可以獲得連續的控制輸入和漸近跟蹤的性 能。但是該控制方法的反饋增益的取值跟建模不確定性的大小密切相關，一旦建模不確定 性很大，將會獲得高增益反饋控制器，這在工程實際中是不允許的；滑模控制方法也可以在 建模不確定性存在的情況下使電機伺服系統獲得漸近跟蹤的性能，但是該方法所設計的不 連續的控制器容易引起滑模面的顫振問題，從而惡化系統的跟蹤性能。總結來說，現有的電 機伺服系統控制方法的不足之處主要有以下幾點：
[0004] -、忽略系統建模不確定性。電機伺服系統的建模不確定性包括非線性摩擦和未 建模干擾等。摩擦是電機伺服系統阻尼的主要來源之一，摩擦的存在引起的粘滑運動、極限 環振蕩等不利因素對系統的性能有重要的影響。另外，實際的電機伺服系統都會受到外負 載的干擾，若不加以考慮，會惡化系統跟蹤性能；
[0005] 二、高增益反饋。目前許多控制方法存在高增益反饋的問題，通過提高反饋增益來 減小跟蹤誤差。然而由高增益反饋引起的高頻動態以及測量噪聲的問題將會影響系統跟蹤 性能；
[0006] 三、現有電機伺服系統控制方法多為全狀態反饋控制。全狀態反饋控制需要獲取 電機伺服系統的位置及速度信號，然而在工程實際中，為節省成本或由于體積、質量、結構 受限無法安裝速度傳感器，更重要的是速度信號的測量產生的測量噪聲會對電機伺服系統 性能產生不容忽視的影響。
【發明內容】
[0007] 本發明的目的在于提供一種反饋增益小、跟蹤性能高的電機位置伺服系統的輸出 反饋控制方法，且能夠克服速度測量噪聲對系統性能的影響。
[0008] 實現本發明目的的技術解決方案為：一種電機位置伺服系統的輸出反饋控制方 法，包括以下步驟：
[0009] 步驟1，建立電機位置伺服系統的數學模型；
[0010] 步驟2,設計擴張狀態觀測器，對步驟1數學模型中系統的狀態和干擾進行觀測；
[0011] 步驟3,設計二階低通濾波器以建立電機位置伺服系統的誤差系統，并根據該誤差 系統設計輸出反饋控制器；
[0012] 步驟4,運用李雅普諾夫穩定性理論對電機位置伺服系統進行穩定性證明，并運用 Barbalat引理得到系統的全局漸近穩定的結果。
[0013] 本發明與現有技術相比，其顯著優點是：（1)選用電機位置伺服系統作為研究對 象，考慮了電機位置伺服系統的非線性摩擦特性及外干擾等建模不確定性，針對非線性摩 擦進行了連續光滑的摩擦補償，改善了電機位置伺服系統的低速伺服性能；（2)針對未建 模干擾等不確定性通過擴張狀態觀測器進行估計并在控制器設計中進行補償，提高了實際 電機位置伺服系統對外干擾的魯棒性；（3)本發明所設計的控制器中盡管含有不連續項， 但是通過對絕大部分的干擾進行補償，反饋增益可以取得很小，極大地改善了由高增益反 饋所引起的高頻動態和測量噪聲等問題，提高了系統的跟蹤性能；(4)采用基于擴張狀態 觀測器的輸出反饋控制方法，只需要獲取電機位置伺服系統的位置信號即可進行伺服控 制，克服了速度測量噪聲對系統性能的影響，更利于在工程實際中的應用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014] 圖1是本發明電機位置伺服系統的原理圖。
[0015] 圖2是電動執行機構歸一化靜態摩擦實驗數據及連續化摩擦模型，其中（a)是總 摩擦辨識數據與擬合曲線；(b)是（a)中零速附近的放大圖；(c)是利用光滑函數辨識獲得 的Stribeck效應。
[0016] 圖3是考慮輸入時滯的電機位置伺服系統非線性控制原理示意及流程圖。
[0017] 圖4是電機位置伺服系統期望跟蹤的位置指令。
[0018] 圖5是本發明所設計的輸出反饋控制器（0FRC)和傳統PID控制器作用下系統的 跟蹤誤差隨時間變化的曲線。
[0019] 圖6是電機位置伺服系統的控制輸入隨時間變化的曲線。
[0020] 圖7是對系統干擾的估計隨時間變化的曲線。
【具體實施方式】
[0021] 下面結合附圖及具體實施例對本發明作進一步詳細說明。
[0022] 結合圖1?2本發明電機位置伺服系統的輸出反饋控制方法，包括以下步驟：
[0023] 步驟1，建立電機位置伺服系統的數學模型；
[0024] 在以往的基于模型的電機伺服系統高性能控制策略設計中，大都采用二階運動學 模型或含一階電氣動態的三階模型開展控制器設計。二階模型通常認為系統控制輸入U與 電機輸出力呈線性比例關系。三階模型通常在二階模型的基礎上考慮原始電氣動態過程， 開展先進控制器設計。然而，基于三階模型開展控制器設計需要自行開發電氣驅動電路以 能夠對電氣動態過程施加控制，這往往不符合工業應用情況。由于絕大多數工業應用場合 都是通過采購成熟的電機及驅動器搭建電機伺服系統，而成熟的商業驅動器都至少固化有 電流環控制器，以克服電氣動態過程對控制性能的影響。因此，將由商業電機+商業驅動器 組成的電機伺服系統建模為三階模型是不恰當的。而二階模型則認為驅動器內固化的電流 環控制器動態過程足夠快，使得電機的電氣動態不顯現于實際用戶，用戶只需建立系統的 運動學方程即可，無需考慮電機與驅動器內部的工作機制。
[0025] (1. 1)根據牛頓第二定律，電機位置伺服系統（如圖1所示）的運動方程為：
【權利要求】
1. 一種電機位置伺服系統的輸出反饋控制方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟1，建立電機位置伺服系統的數學模型； 步驟2,設計擴張狀態觀測器，對步驟1數學模型中系統的狀態和干擾進行觀測； 步驟3,設計二階低通濾波器以建立電機位置伺服系統的誤差系統，并根據該誤差系統 設計輸出反饋控制器； 步驟4,運用李雅普諾夫穩定性理論對電機位置伺服系統進行穩定性證明，并運用 Barbalat引理得到系統的全局漸近穩定的結果。
2. 根據權利要求1所述的電機位置伺服系統的輸出反饋控制方法，其特征在于，步驟1 所述建立電機位置伺服系統的數學模型，具體如下： (1. 1)根據牛頓第二定律，電機位置伺服系統的運動方程為：
運用李雅普諾夫穩定性理論進行穩定性證明，并運用Barbalat引理得到系統的全局 漸近穩定的結果，因此調節增益1^，1^2以及觀測器的頻寬ω(ι使系統的跟蹤誤差在時間趨于 無窮的條件下趨于零。
【文檔編號】H02P23/14GK104065322SQ201410266227
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年6月13日 優先權日:2014年6月13日
【發明者】鄧文翔, 姚建勇, 馬大為, 樂貴高, 朱忠領, 胡健, 任杰, 楊貴超, 董振樂, 徐張寶 申請人:南京理工大學