一种考虑输入时滞的电机位置伺服系统的控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种考虑输入时滞的电机位置伺服系统的控制方法，属于机电伺服控制领域。该方法步骤如下：建立考虑输入时滞的电机位置伺服系统数学模型；设计扩张状态观测器，对数学模型中系统的状态和干扰进行观测；设计非线性输出反馈鲁棒控制器，对输入时滞进行补偿；运用李雅普诺夫稳定性理论对考虑输入时滞的电机位置伺服系统进行稳定分析，证明系统获得半全局的一致有界稳定。本发明采用基于扩张状态观测器的输出反馈控制方法，针对外干扰等非线性通过扩张状态观测器进行估计并在控制器设计中进行补偿，提高了实际电机位置伺服系统对外干扰的鲁棒性，克服了速度测量噪声对系统性能的影响，更利于在实际工程中的应用。
【专利说明】一种考虑输入时滞的电机位置伺服系统的控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于机电伺服控制【技术领域】，特别是一种考虑输入时滞的电机位置伺服系 统的控制方法。
【背景技术】
[0002] 电机伺服系统具有响应快、维护方便、传动效率高以及能源获取方便等突出优点， 广泛应用于各个重要领域，如机器人、机床、航空航天等。系统的性能和稳定与控制器的设 计密切相关。电机伺服系统存在外干扰等不能精确建模的不确定性非线性可能会使以系统 名义模型设计的控制器不稳定或者降阶。而且随着现代控制工程领域的快速发展，对控制 系统的性能要求也越来越高。在工程实际应用中，工程师们往往要求所建立的模型尽可能 接近实际系统，基于这样的模型设计出来的控制器才能使系统获得最佳的性能。对于一个 实际控制系统而言，由于测量元件、测量过程、控制元件或执行元件造成的影响必然会产生 一定的时滞，因此时滞几乎存在于所有的控制系统中。为了获得很好的性能，在设计控制器 时考虑实际系统中的时滞是十分必要的。但是时滞的存在和系统的外干扰等不确定性非线 性通常相互作用共同决定电机伺服系统的稳定性，这给控制器设计带来了非常大的困难。
[0003] 目前对于电机伺服系统的控制，基于经典三环控制的方法仍是工业及国防领域的 主要方法，其以线性控制理论为基础，由内向外逐层设计电流环（力矩环），速度环及位置 环，各环的控制策略大都采用PID校正及其变型。但是随着工业及国防领域技术水平的不 断进步，传统基于线性理论的三环控制方法已逐渐不能满足系统的高性能需求，成为限制 电机伺服系统发展的瓶颈因素之一。为了提高电机伺服系统的性能，许多先进的非线性控 制方法相继被提出，如自适应反馈线性化控制、自适应鲁棒控制、自适应积分鲁棒控制、滑 模控制等。但是这些控制方法都没有考虑电机伺服系统中的时滞问题，因此，探索新的控制 策略来保证时滞电机伺服系统的高性能显得尤为重要。
[0004] 电机伺服系统的时滞主要是伺服驱动器的电流环时滞。从后文实验获得的电机伺 服系统电流环频域响应数据可以看出当电机位置控制需要具备快速响应能力时，电流环的 频域响应近似为时滞环节，因此电流环的时滞在电机伺服系统数学模型中体现为控制输入 的时滞。输入时滞对于电机伺服系统性能，尤其是快速响应能力有着重要的影响，因此在电 机伺服系统控制器设计中考虑输入时滞可以使系统的伺服性能得到很大的提升。
[0005] 针对考虑输入时滞的电机伺服系统的控制问题，许多控制方法被提出。在考虑输 入时滞的线性系统控制中，运用Artstein模型降阶、有限频谱分配和连续极点配置等技 术，或者是将考虑输入时滞的系统模型用双曲偏微分方程代替来设计所谓的预测控制器达 到控制目的，但是上述方法的前提是忽略所有非线性动态；在考虑输入时滞的非线性系统 控制中，基于Smith预测器的全局线性化控制方法以及在此方法的基础上做出的改进提供 了一些可行的方案，但是，所处理的非线性模型要求完全已知或者非线性动态均可以被线 性参数化，而实际系统往往存在不能精确建模的不确定性非线性，将会造成控制的误差。因 此上述控制方法的前提假设并不适用于电机伺服系统。总结来说，现有电机伺服系统的控 制技术的不足之处主要有以下几点：
[0006] -、忽略电机伺服系统的输入时滞。目前对于电机伺服系统控制的研究，主要将电 气动态（电流环频域响应）近似为比例环节。然而实际上，当电机伺服控制需要具备快速 响应能力时，电气动态更接近为时滞环节，因此忽略电机伺服系统的输入时滞会影响系统 的高性能尤其是快速响应的性能；
[0007] 二、目前电机伺服系统的控制多为全状态反馈控制。全状态反馈控制需要获取电 机伺服系统的位置及速度信号，然而在工程实际中，速度信号的测量产生的测量噪声会对 电机伺服系统性能产生不容忽视的影响；
[0008] 三、忽略非线性摩擦及外干扰等非线性。摩擦是电机伺服系统阻尼的主要来源之 一，摩擦的存在引起的粘滑运动、极限环振荡等不利因素对系统的性能有重要的影响。特别 是在速度过零阶段摩擦现象最丰富，对电机伺服系统性能影响明显。对于高精度的电机伺 服系统来说，低速伺服性能是其核心指标之一，因此摩擦建模与补偿是非常必要的。另外， 实际的电机伺服系统都会受到外负载的干扰，若不考虑将会恶化系统跟踪性能。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的在于提供一种精度高、性能好的考虑输入时滞的电机位置伺服系统 的控制方法，在控制器设计中对外干扰等非线性进行补偿，从而提高实际电机位置伺服系 统对外干扰的鲁棒性。
[0010] 实现本发明目的的技术解决方案为：一种考虑输入时滞的电机位置伺服系统的控 制方法，步骤如下：
[0011] 步骤1，建立考虑输入时滞的电机位置伺服系统数学模型；
[0012] 步骤2,设计扩张状态观测器，对步骤1数学模型中系统的状态和干扰进行观测；
[0013] 步骤3,设计非线性输出反馈鲁棒控制器，对输入时滞进行补偿；
[0014] 步骤4,运用李雅普诺夫稳定性理论对考虑输入时滞的电机位置伺服系统进行稳 定分析，证明系统获得半全局的一致有界稳定。
[0015] 本发明与现有技术相比，其显著优点在于：（1)设计的输出反馈鲁棒控制器对输 入时滞进行了针对性的补偿，提高了电机位置伺服系统的快速响应性能；（2)采用基于扩 张状态观测器的输出反馈控制方法，只需要获取电机位置伺服系统的位置信号即可进行伺 服控制，克服了速度测量噪声对系统性能的影响，更利于在工程实际中的应用；（3)针对非 线性摩擦进行了连续光滑的摩擦补偿，改善了电机位置伺服系统的伺服性能，同时获得的 控制输入也是光滑的，因此更利于控制器的实际执行；(4)针对外干扰等非线性通过扩张 状态观测器进行估计并在控制器设计中进行补偿，提高了实际电机位置伺服系统对外干扰 的鲁棒性。
【专利附图】
【附图说明】
[0016] 图1是本发明电机位置伺服系统原理图。
[0017] 图2是直流电机直驱系统电流环频域响应曲线。
[0018] 图3是电动执行机构归一化静态摩擦实验数据及连续化摩擦模型，其中（a)是总 摩擦辨识数据与拟合曲线；(b)是（a)中零速附近的放大图；(c)是利用光滑函数辨识获得 的Stribeck效应。
[0019] 图4是考虑输入时滞的电机位置伺服系统非线性控制原理示意及流程图。
[0020] 图5是电机位置伺服系统期望跟踪的位置指令。
[0021] 图6是本发明所设计的输出反馈鲁棒控制器（0FRC)和传统PID控制器作用下系 统的跟踪误差随时间变化的曲线。
[0022] 图7是电机位置伺服系统的控制输入随时间变化的曲线。
【具体实施方式】
[0023] 下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0024] 结合图1?4,本发明考虑输入时滞的电机位置伺服系统的控制方法，步骤如下：
[0025] 步骤1，建立考虑输入时滞的电机位置伺服系统（如图1所示）数学模型；
[0026] 由图2所示的某直流电机直驱系统电流环频域响应曲线可以看出，其幅频特性在 很大的频率范围内是等幅的且幅值近似为零，而相频特性却发生了明显的滞后，这种频域 特性恰好可以用典型的时滞环节来近似。
[0027] (1. 1)根据牛顿第二定律，考虑输入时滞的电机位置伺服系统的运动方程为：
[0028]
【权利要求】
1. 一种考虑输入时滞的电机位置伺服系统的控制方法，其特征在于，步骤如下： 步骤1，建立考虑输入时滞的电机位置伺服系统数学模型； 步骤2,设计扩张状态观测器，对步骤1数学模型中系统的状态和干扰进行观测； 步骤3,设计非线性输出反馈鲁棒控制器，对输入时滞进行补偿； 步骤4,运用李雅普诺夫稳定性理论对考虑输入时滞的电机位置伺服系统进行稳定分 析，证明系统获得半全局的一致有界稳定。
2. 根据权利要求1所述的考虑输入时滞的电机位置伺服系统的控制方法，其特征在 于，步骤1所述建立考虑输入时滞的电机位置伺服系统数学模型，具体如下： (1. 1)根据牛顿第二定律，考虑输入时滞的电机位置伺服系统的运动方程为： my = -τ)-By- 1't (>〇 -/(/, v,U ) 公式（1)中m为惯性负载参数，&为力矩放大系数，B为粘性摩擦系数，Ff是非线性 摩擦模型，/(i，K j)是摩擦建模误差及外干扰的不确定性项，y为惯性负载的位移；u(t- τ ) 为系统的时滞控制输入，t为时间变量，τ为已知的电流环时滞常数，任意时刻的u(t)和 u (t- Θ )，We [0, 能够通过测量得到； 选取式（2)所示的连续摩擦模型作为非线性摩擦模型： 1·', (y) = ο, tanh(c; j) + a.ftanhft·-, i!) - tanhic-j'')] (' 2) 公式⑵中a2、q、c2、c3均为由实验辨识获得的已知常数； (1. 2)定义状态变量J = ,x2f =[兄jf，则式⑴运动方程转化为状态方程：
Xj = x2 (3) y = χι 公式（3)中
Sf (χ2) = tanhi^xj，Pf (χ2)= tanh (c2x2)-tanh (c3x2)
为系统总的干扰，f(t，Xp x2)即为上述 ~ ，Xi表示惯性负载的位移，x2表示惯性负载的速度。
3. 根据权利要求2所述的考虑输入时滞的电机位置伺服系统的控制方法，其特征在 于，步骤2所述设计扩张状态观测器，对步骤1数学模型中系统的状态和干扰进行观测，具 体如下： (2. 1)首先将系统状态方程中的干扰项扩张为冗余状态x3，即x3 = d(x，t)，并定义 冲)=i3，则扩张后的状态方程为：
x3 = h(t)根据公式（4)中状态方程设计的扩张状态观测器为： χχ = χ2 + 3ω0 (χ] - ) 乂1 =尤2 (4)
(5) x3 公式（5)中足、.?2、毛分别是状态^、&及冗余状态x3的估计值，ω。是观测器频宽； (2. 2)令? Λ为估计的误差，定义6=-^? = 1，2,3)，ε = [ ε ^ ε 2, ε 3]τ，得到估 χ 二 χ-Λ： ω0 计误差的动态：
(6)
d(p(xn) 对x2满足Lipschitz条件，则I彡，c为已知正数，取值为^的最大值; 公式（6)中 ? 矩阵A满足赫尔维茨准则，存在对称正定矩阵P使得ATP+PA = -21成立，I为单位矩阵； (2.3)由扩张状态观测器理论：假设h(t)有界，则状态及干扰的估计误差有界且存在 常数σ i > 〇以及有限时间?\ > 0使得：
(7) 其中k为正整数。
4.根据权利要求3所述的考虑输入时滞的电机位置伺服系统的控制方法，其特征在 于，步骤3所述设计非线性输出反馈鲁棒控制器，对输入时滞进行补偿，具体如下： (3. 1)根据公式（3)所建立的数学模型，进行参数再定义后改为如下形式： X, = .τ2 (8) /9,λ% = /./(/ - r)-(χ%)-Θ,Ρ, ) -θΑχ, + θ,χ. 公式⑶中
均为已知参数，且已知的θ i、θ 2、θ 3、θ 4与 系统对应真值之间的偏差归到系统干扰χ3中； (3. 2)定义Zl = Xl-xld为系统的跟踪误差，xld是期望跟踪的位置指令且该指令三阶连 续可微，根据公式（8)中的第一个方程為=x2，选取x2为虚拟控制，使方程先=?趋于稳定 状态；令为虚拟控制的期望值，Xkq与真值的误差为Z2 = Χ；ΓΧ2?1，对Z1求导可得： ?ι =^2-? =^2+?-iw (9) 设计虚拟控制律： (10) 公式（10)中ki > 0为可调增益，则 zl=z2- kxzx (11 ) (3. 3)确定实际控制器输入u，使得虚拟控制的期望值与真实状态值之间的误差z2趋 于零或有界，引入一个时滞补偿冗余误差信号r : (12)
公式（12)中心>4为可调增益，在公式（12)两边同乘以Θ i，运用公式⑶得到开环 误差系统： θλν = u{1)-^xld -02Sf (x2)-03Pf(x2)-θ4χ 2 + θνχ3 + {kx + k2)θλζ? -^2θχζλ (13) 运用期望补偿技术实现输出反馈控制，根据公式（10)、（11)将公式（13)改写成： Θ,γ = u(i) - (9,.^ , - e2S, {xUi) -ej\(xUi) - 04xirl + Θ,χ, (14) + [(^J +k2)Oy ~θ4 ]z2 +^(θ4 - )Z1 - iVj - Λ 2 公式（14)中M ，#2 ，由于 tanh 函数具有性
，经证明： ^+^^^1 + ^1 + ^1 + ^1 (15) 其中ζ2、ζ3、ζ4均为已知正数，Za如下式所示：
(16) 根据公式（14)设计非线性输出反馈鲁棒控制器为： u = ua+us
Us = Usl+us2 (17)
公式（17)中\为基于模型的补偿项，usl为线性鲁棒反馈项，us2为非线性鲁棒项，匕是 正的增益常数且
5.根据权利要求4所述的考虑输入时滞的电机位置伺服系统的控制方法，其特征在 于，步骤4所述运用李雅普诺夫稳定性理论对考虑输入时滞的电机位置伺服系统进行稳定 分析，证明系统获得半全局的一致有界稳定，具体为：
(19) (20) (21) 运用李雅普诺夫稳定性理论进行稳定性证明，得到系统的半全局一致有界稳定的结 果。
【文档编号】G05B13/04GK104111607SQ201410265608
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年6月13日 优先权日:2014年6月13日
【发明者】邓文翔, 姚建勇, 马大为, 乐贵高, 朱忠领, 胡健, 任杰, 杨贵超, 董振乐, 徐张宝 申请人:南京理工大学