一种电机位置伺服系统的高精度控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电机位置伺服控制系统技术领域，具体而言涉及一种电机位置伺服系 统的高精度控制方法。
【背景技术】
[0002] 因为在工业中的广泛应用，电机驱动的运动系统的高性能控制已经引起了包括工 程师和科学家在内的广泛关注。然而，为伺服系统设计高性能的控制器并不容易，由于工作 状况变动、外部干扰以及建模误差的缘故，实际工业过程的精确模型很难得到，而系统的各 种故障也将导致模型的不确定性，也就是说模型的不确定性在控制系统中广泛存在，因此 设计人员很可能会遇到很多的模型不确定性，特别是非结构不确定性等未建模的非线性。 这些不确定性因素可能会严重恶化能够取得的控制性能，从而导致低控制精度，极限环震 荡，甚至不稳定性。对于已知的非线性，可以通过反馈线性化技术处理。但是，无论动态非 线性识别的如何准确的数学模型，都不可能得到实际非线性系统的整个非线性行为，进而 进行完美的补偿。始终存在着不能够用明确的函数来模拟的未建模非线性。
[0003] 传统控制方式难以满足不确定非线性的跟踪精度要求，因此需要研宄简单实用且 满足系统性能需求的控制方法。近年来，各种先进控制策略应用于电机伺服系统，如滑模变 结构控制、鲁棒自适应控制、自适应鲁棒等。但上述控制策略控制器设计均比较复杂，不易 于工程实现
[0004] 针对电机伺服中不确定非线性的特点，建立了系统的模型，并在此基础上分别设 计了电机位置伺服系统有限时间干扰观测器及rise积分鲁棒控制律，估计系统未建模干 扰并在控制输入中予以补偿。
【发明内容】
[0005] 本发明为解决电机位置伺服系统中不确定非线性问题，进而提出一种电机位置伺 服系统的高精度控制方法。
[0006] 本发明的上述目的通过独立权利要求的技术特征实现，从属权利要求以另选或有 利的方式发展独立权利要求的技术特征。
[0007] 为达成上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
[0008] -种电机位置伺服系统的高精度控制方法，包括以下步骤：
[0009] 步骤1、建立电机位置伺服系统模型；
[0010] 步骤2、设计基于有限时间干扰估计的电机高精度控制器；以及
[0011] 步骤3、调节基于一种有限时间干扰估计的电机高精度的控制律的参数使得系统 满足控制性能指标。
[0012] 在进一步的实施例中，本发明的前述实施例中提出的电机位置伺服系统的高精度 控制方法，针对电机伺服中不确定非线性的特点，建立了系统的模型，并在此基础上分别设 计了电机位置伺服系统有限时间干扰观测器及rise积分鲁棒控制律，估计系统未建模干 扰并在控制输入中予以补偿。
[0013] 有以上本发明的实施方案可知，本发明的电机位置伺服系统的高精度控制方法， 其有益效果在于：
[0014] 1、针对电机位置伺服系统的特点，建立了电机位置伺服系统模型，并设计基于有 限时间干扰估计的电机高精度控制器，对系统未建模干扰进行估计并实时补偿，通过控制 律参数调节能很好估计系统的总扰动，能有效解决电机伺服系统不确定非线性问题，积分 鲁棒想保证了系统总体的稳定性；
[0015] 2、在上述干扰条件下系统控制精度满足性能指标；
[0016] 3、本发明简化了控制器设计，仿真结果表明了其有效性。
[0017] 应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这 样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保 护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。
[0018] 结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实 施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面 的描述中显见，或通过根据本发明教导的【具体实施方式】的实践中得知。
【附图说明】
[0019] 附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组 成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。 现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
[0020] 图1是典型的电机执行装置示意图。
[0021] 图2是本发明公开的电机位置伺服系统的高精度控制方法的控制策略图。
[0022] 图3是本发明公开的期望跟踪指令的示意图。
[0023] 图4是干扰作用下控制器输入电压u曲线，控制器输入电压满足-10V?+10V的 输入范围，符合实际应用，此外还可以看出系统所加干扰时大干扰。
[0024] 图5是干扰估计和干扰估计误差曲线。
[0025] 图6是跟踪误差曲线。
【具体实施方式】
[0026] 为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
[0027] 在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。 本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和 实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实 施，这是应为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一 些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
[0028] 结合图1、图2所示，根据本发明的叫价实施方式，一种电机位置伺服系统的高精 度控制方法，其实现包括以下步骤：
[0029] 步骤1、建立电机位置伺服系统模型；
[0030] 步骤2、设计基于有限时间干扰估计的电机高精度控制器；以及
[0031] 步骤3、调节基于一种有限时间干扰估计的电机高精度的控制律的参数使得系统 满足控制性能指标。
[0032] 应当理解，结合图2所示，该实施例提出的电机位置伺服系统的高精度控制方法， 针对电机伺服中不确定非线性的特点，建立了系统的模型，并在此基础上分别设计了电机 位置伺服系统有限时间干扰观测器及rise积分鲁棒控制律，估计系统未建模干扰并在控 制输入中予以补偿。
[0033] 下面结合附图所示，对前述各步骤的具体实现做示例性的说明。
[0034] 步骤1、建立电机位置伺服系统模型
[0035] 图1所示为典型的电机执行装置示意，根据牛顿第二定律，电机惯性负载的动力 学模型方程可表示为：
【主权项】
1. 一种电机位置伺服系统的高精度控制方法，其特征在于，该高精度控制方法的实现 包括以下步骤： 步骤1、建立电机位置伺服系统模型； 步骤2、设计基于有限时间干扰估计的电机高精度控制器；以及 步骤3、调节基于有限时间干扰估计的电机高精度的控制律的参数使得系统满足控制 性能指标。
2. 根据权利要求1所述的电机位置伺服系统的高精度控制方法，其特征在于，前述步 骤1的实现包括： 根据牛顿第二定律，将电机惯性负载的动力学模型方程表示为：
(1) 式中y表示角位移，m表示惯性负载，1^表示扭矩常数，u是系统控制输入，b代表粘性 摩擦系数，f代表其他未建模干扰，包括非线性摩擦，外部干扰以及未建模动态； 将前述（1)式转换成状态空间形式，如下：
(2) 其中-[_y，j]，x= [Xi，X2]t表不位置和速度的状态向星；j(以 示集中干扰； 由于系统的未建模动态和干扰总是有界的，因而，以下假设总是成立的： 假设l:d(x，t)是足够光滑的，SP
(3) 其中8"S2,S3已知。
3. 根据权利要求2所述的电机位置伺服系统的高精度控制方法，其特征在于，前述步 骤2设计基于有限时间干扰估计的电机高精度控制器的实现，其包括以下步骤： 步骤2-1、根据公式（2)构建电机的有限时间干扰观测器 由（2)式设计一个d(x，t)的有限时间的干扰观测器，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) 存在一个时间，当时间t大于时间常数时，j= 〇，j= 〇，j= 〇其中J=j- 入。，A^A2为设计参数； 然后，定义一组饱和函数：
由式（5)和前述时间可得：
步骤2-2、设计基于有限时间干扰估计的电机高精度控制器 首先定义一组函数如下：
其中Zi=xi-xjt)是输出跟踪误差，k^X)和k2>0是反馈增益； 由于G(s)izJsVzJs) =l/G+ki)是一个稳定的传递函数，让zl很小或趋近于零 就是让z2很小或趋近于零； 因此，控制器设计转变成让22尽可能小或趋近于零； 由式⑵可得： r=x2-x2l,q+k 2z2(8) 把式（2)代入可得：
(9) 基于干扰估计J，融合FTDO的鲁棒控制器如下：
(10) usl=_krz2 其中k，0是一个反馈增益； 把式（10)代入式（9)，可得Y的动态方程： y = -krz2+us2+d (11) 为了消除干扰估计误差的影响，设计基于rise的积分鲁棒项，如下： 其中0>〇为设计增益； 由式（11)和式（12)可得： (12) Y=~krzz +iis2 +d =-krz2 + d- krk2z2 - fisigniz-,) (13) 然后，定义一个辅助函数L(t):
(14) 如果增益0满足如下条件：
(15) 则如下定义的函数P(t)总是为正：
(16)
4.根据权利要求3所述的电机位置伺服系统的高精度控制方法，其特征在于，前述步 骤3中，通过调节基于有限时间干扰估计的电机高精度的控制律u的参数bkh，X。，入p 入2, 0使得系统满足控制性能指标。
【专利摘要】本发明提供一种电机位置伺服系统的高精度控制方法，其实现包括以下步骤：步骤1、建立电机位置伺服系统模型；步骤2、设计基于有限时间干扰估计的电机高精度控制器；以及步骤3、调节基于有限时间干扰估计的电机高精度的控制律的参数使得系统满足控制性能指标。本发明提出的电机位置伺服系统的高精度控制方法，针对电机位置伺服系统的特点，建立了电机位置伺服系统模型，并设计基于有限时间干扰估计的电机高精度控制器，对系统未建模干扰进行估计并实时补偿，通过控制律参数调节能很好估计系统的总扰动，能有效解决电机伺服系统不确定非线性问题，积分鲁棒项保证了系统总体的稳定性。
【IPC分类】G05B13-04
【公开号】CN104614984
【申请号】CN201410670450
【发明人】徐张宝, 姚建勇, 杨贵超
【申请人】南京理工大学
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2014年11月20日