伺服控制系統機械諧振抑制方法與流程
本發明涉及電機伺服控制技術領域，具體涉及一種伺服控制系統機械諧振抑制方法。
背景技術：
伺服控制系統的機械傳動部分經常使用傳動軸、減速器、聯軸器等傳動裝置連接電機和負載，而實際傳動裝置并不是理想剛體，存在一定的彈性，通常會在系統中引發機械諧振。機械諧振會發出噪聲形成噪聲污染，對機械傳動裝置造成嚴重的損害，影響其使用壽命，還會限制了控制系統的帶寬，甚至會造成閉環控制系統不穩定。
目前常用的機械諧振抑制方法有兩種：陷波器法和加速度反饋法。陷波器對系統參數變化較敏感，且會導致控制性能下降；傳統的PI控制器結合加速度反饋的方法雖然可以有效減小機械諧振的影響，但PI控制器對于外部擾動的魯棒性較差。控制系統一般采用伺服驅動器+位置全閉環控制器架構，但目前市場上常見的伺服驅動器不具有這兩種功能，設計人員需要自行研發或定制伺服驅動器，工程應用比較復雜。因此，研究一種工程應用簡單、且抗擾性強的機械振蕩抑制方法具有重要意義。
技術實現要素：
(一)要解決的技術問題
本發明要解決的技術問題是：如何設計一種抑制伺服控制系統機械諧振的方法，以提高伺服控制系統性能。
(二)技術方案
為了解決上述技術問題，本發明提供了一種伺服控制系統機械諧振抑制方法，該方法在伺服電機三環控制系統中設置執行機構的位置控制器，從而形成四環控制系統，所述位置控制器采用自抗擾控制算法抑制系統的機械諧振。
優選地，所述位置控制器具體采用如下的四階擴展狀態觀測器和擾動補償控制器實現自抗擾控制算法：
所述四階擴展狀態觀測器為：
其中，x4為四階擴展狀態觀測器所觀測的擾動，包括四環控制系統中由電機、傳動機構和執行機構組成的機械傳動系統的對象模型的不確定因子，以及系統外部擾動，b0為擾動補償因子，ωo為四階擴展狀態觀測器帶寬，ωc為位置控制器帶寬，b0、ωo、ωc為位置控制器的參數；x1、x2、x3、x4為四階擴展狀態觀測器的輸出；θL分別為執行機構的位置給定值、反饋值，為四環控制系統中電機的位置給定值；
設線性組合值
則擾動補償控制器的輸出為并作為四環控制系統中電機伺服控制器的電機位置控制器的電機位置給定值；其中b0、ωo、ωc為控制器參數，通過調整這三個參數，來抑制機械諧振。
(三)有益效果
本發明針對伺服控制系統中機械諧振問題設計了一種四環控制結構，在傳統伺服電機三環(位置環、速度環、電流環)控制系統的基礎上，增加了執行機構的位置全閉環控制器，形成四環控制結構，位置全閉環采用自抗擾控制算法，可以有效抑制系統的低頻機械諧振。較現有陷波器法和加速度法反饋法，本發明提出的機械諧振抑制方法不改變伺服驅動器的控制算法，采用目前市場上通用的電機伺服驅動器即可，工程應用實現簡單，且能有效抑制系統低頻機械諧振，提高伺服控制性能。
附圖說明
圖1為本發明實施例采用的四環控制結構框圖；
圖2為采用圖1所述的實施例實現的執行機構位置正弦跟蹤圖；
圖3為采用圖1所述的實施例實現的執行機構正弦跟蹤的電機位置圖。
具體實施方式
為使本發明的目的、內容、和優點更加清楚，下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式作進一步詳細描述。
如圖1所示，伺服控制系統的電機M、傳動機構、執行機構L組成典型雙慣量機械傳動系統。電機M和執行機構L通過傳動機構聯接，傳動機構的剛度為Kg。當傳動機構發生扭轉形變時將產生轉矩Tw，此轉矩對于電機M來說可看作是電機M的負載轉矩，而對于執行機構L來說可看作是驅動轉矩。電機伺服驅動器控制電機M運行，為電機M的轉軸提供電磁轉矩Te。在電機M端，電磁轉矩Te和傳動機構轉矩Tw作用于轉動慣量為Jm的電機轉軸，決定了電機M的轉速ωm和位置θm。在執行機構L端，傳動機構轉矩Tw與負載轉矩TL共同作用于轉動慣量為JL的執行機構L，最終決定了執行機構L的速度ωL和位置θL。有微分方程組如下:
執行機構L位置與電機M位置間的傳遞函數為：
圖1中θL為執行結構位置給定值和反饋值，θm為電機位置給定值和反饋值，ωm為電機速度給定值和反饋值，i*、i為電機電流給定值和反饋值。
由上式可知，系統傳遞函數中有一對極點在復平面的虛軸上，會導致系統諧振，其諧振頻率為若機械結構剛度Kg較弱，則諧振頻率低，當接近于伺服控制系統的工作頻率時，則導致控制性能下降，甚至系統不穩定。理想的電機位置閉環控制系統的傳遞函數θm(s)為一階，則執行機構L的位置開環傳遞函數θL(s)為三階，且含有不確定模型θm(s)及未知轉矩擾動TL，傳統的PID控制算法已不能滿足控制要求。
本發明在電機伺服三環(位置環、速度環、電流環)控制系統的基礎上，增加執行機構L的位置全閉環控制器(即圖1中的執行機構位置控制器)，形成四環控制結構，如圖1所示。電機伺服驅動器工作在位置控制模式下，包括位置環、速度環、電流環三個環路，控制器進行位置全閉環控制，位置全閉環控制器輸出為電機位置給定值作為電機伺服驅動器的輸入。
位置全閉環控制采用自抗擾控制(Active Disturbance Rejection Control，ADRC)算法，該控制算法對于擾動及不確定系統具有良好的控制效果。
本發明的位置全閉環控制采用的ADRC控制算法，由擴展狀態觀測器(Extended State Observer，ESO)、線性組合、擾動補償控制器輸出三部分組成，由于位置開環傳遞函數θL(s)為三階模型，自抗擾控制器則采用四階擴展狀態觀測器進行擾動觀測，如下所示：
擴展狀態觀測器：
線性組合：
擾動補償控制輸出(即為四階擴展狀態觀測器的輸出)：
其中x4為狀態觀測器所觀測的擾動，包括對象模型(是四環控制系統中由電機、傳動機構和執行機構組成的機械傳動系統)不確定因子及系統外部擾動，x1、x2、x3、x4為四階擴展狀態觀測器的輸出；b0為擾動補償因子，ωo為狀態觀測器帶寬，ωc為位置全閉環控制器帶寬；b0、ωo、ωc為位置全閉環控制器參數，通過調整這三個參數，閉環系統就可獲得良好的控制性能，不僅保證系統的穩定性，有效抑制機械諧振，消除機械間隙對控制系統造成的不良影響，達到較好控制效果。
該伺服控制系統在實際工程應用中比較簡單，設計人員購買目前市場上常用的電機伺服驅動器即可，不需要研發或定制伺服專用驅動器，只需按照本發明設計位置全閉環控制器及調整參數。
針對某一轉臺伺服控制系統，采用本發明提出的機械諧振抑制方法進行Matlab仿真驗證。該轉臺系統的機械諧振頻率為10Hz，傳動機構的減速比為10，執行機構位置給定為幅值π頻率0.5Hz的正弦波Matlab仿真結果如圖2和圖3所示。，由圖3可知，機械諧振導致電機位置不是一個正弦波，雖然如此，但使用本發明進行機械諧振抑制后，而由圖2可知執行機構的位置跟蹤效果較好。因此，由該Matlab仿真結果可知，本發明提出的方法能夠有效得抑制機械諧振。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變形，這些改進和變形也應視為本發明的保護范圍。
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