一种用于电机伺服系统的离散重复控制方法
【专利摘要】一种用于电机伺服系统的离散重复控制方法，包括：给定环节、周期反馈环节、e/v信号变换模块以及减/加法环。给定环节产生周期对称的参考信号；构造周期反馈环节；依据反正切吸引律,构造e/v信号转换模块，其输出信号用于重复控制器的修正量；继而计算出重复控制器的输出信号作为被控对象的控制信号输入。给出了控制器参数的取值对系统跟踪误差收敛过程的影响。具体的控制器参数整定可依据表征系统收敛性能指标进行，且提供了表征跟踪误差收敛过程的单调减区域、绝对吸引层和稳态误差带边界的计算方法。本发明提供一种具有快速收敛性能、加速干扰抑制和高控制精度的用于电机伺服系统的离散重复控制方法。
【专利说明】
一种用于电机伺服系统的离散重复控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种用于周期参考信号电机伺服系统的离散重复控制方法，也适用于 其它工业场合中的周期运行过程。
【背景技术】
[0002] 重复控制系统具有"记忆"和"学习"特性，以跟踪误差信号修正前一周期的控制输 入，形成当前的控制输入。这种系统能够完全抑制周期性干扰，实现精确控制。重复控制技 术已成功应用于各种高精度伺服电机驱动、硬盘伺服系统、电力电子线路、UPS、电能质量控 制等。
[0003] 目前的重复控制技术多是基于内模原理的频域分析与设计方法。由内模原理知， 将参考信号看作是一个自治系统的输出，并将其模型"嵌入"在稳定的闭环系统中，被控量 的输出能够完全跟踪该参考信号。因此，依据内模原理设计重复控制器，需构造周期为T的 周期参考信号内模
，它可由一个含周期时延(eTTs)的正反馈回路实现。不考虑输入信 号的具体形式，只要给定初始段信号，内模模块就会对输入信号逐周期累加，重复输出与上 周期相同的信号。值得说明的是，采用这种连续内模的重复控制器设计多是在频域内进行。
[0004] 实际控制系统多采用计算机控制技术实现，控制器需以离散时间形式表达。离散 重复控制器设计主要有两种途径:一种是通过离散化连续重复控制器得到；另一种是直接 针对离散时间系统设计离散重复控制器。取采样间隔T s，使得参考信号周期为采样间隔的 整数倍，每个周期中的采样点个数为N，即T = NTS。这样，离散周期信号内模.
内模的计算复杂程度主要取决于采样周期Ts的大小，实现离散周期内模时所需内存量正比 于N。如果1^取得过大，系统控制精度降低;取得过小，内模的阶次将会增加。时滞内模的有 限阶近似、或有限阶内模已引起人们的研究兴趣。例如，拟前馈方法(PFF)以有限阶多项式 建模带限干扰;梳状滤波器也被用作了离散时滞内模。更简单的情形是，针对正弦信号的跟 踪/抑制问题，只构造正弦内模便可达目的。
[0005] 离散重复控制器的常规设计多是在频域内进行的，而时域设计方法直观、简便，易 于直接刻画系统响应的跟踪性能，且可结合现有干扰观测与抑制手段，为电机伺服控制系 统设计提供了新的途径。
【发明内容】
[0006] 本发明提出一种适用于电机伺服系统的离散重复控制方法，为使得闭环系统具有 预先设定的期望误差跟踪性能，提出一种新颖的吸引律一反正切吸引律，并依据此吸引律 构造的理想误差动态方程设计电机伺服重复控制器。在实现对周期干扰成分的完全抑制的 同时，设计的重复控制器使得电机伺服系统实现高精度跟踪。
[0007] 本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：
[0008] -种用于电机伺服系统的离散重复控制方法，被控对象为周期伺服系统，所述离 散重复控制方法包括如下步骤：
[0009] 1)给定周期参考信号Λ，满足
[0010] rk= 土 rk-n (1)
[0011 ]其中，N为参考信号的周期，rk，rk-N分别表不k，k-N时刻的参考信号；
[0012] 2)构造等效扰动
[0013] dk^^\+^k-N (2)
[0014]其中，N为参考信号的周期，dk表不k时刻的等效扰动信号，wk，wk-n分别表不k，k_N时 刻的干扰信号；
[0015] 3)构造离散时间反正切吸引律
[0017]其中，ek = rk-yk表示k时刻跟踪误差，yi^k时刻系统输出；P表征吸引指数，ε表征P =〇时的等速吸引速度，Ρ、ε均为可调参数，δ为反正切函数斜率系数，其取值范围满足ε >〇，
[0018] 4)将干扰抑制措施嵌入吸引律(4)，构造如下理想误差动态
[0020] 其中，dk+i为k+Ι时刻等效扰动；
[0021] 5)依据理想误差动态(4)设计重复控制器
[0023] 式中，
[0024] A' (q-1) =81+829^+…= )
[0025] A(q_1) = l+aiq_1+---+anq_n
[0026] B(q_1) =b〇+biq_1+---+bmq m
[0027] 满足伺服对象
[0028] A(q-Oyi^q-dB(q-Ouk+Wk (5-2)
[0029]其中，d表不延迟，Uk和yk分别表不k时刻的输入和输出信号，wk为k时刻的干扰信 号;A(q-〇和B(q-〇为q-1的多项式，q-1是一步延迟算子，η为A(q-〇的阶数，m为B(q-D的阶数； ai,…，an，b〇, · · ·，bm为系统参数且b〇关0，n2m;d为整数，且d> 1;
[0030] 重复控制器(5-1)也可表达成
[0031] uk = ± Uk-N+Vk (5-3)
[0032] 其中，
[0033]
[0034] 将uk作为伺服对象的控制输入信号，可量测获得伺服系统输出信号yk，跟随参考信 号r k变化。
[0035] 进一步，该控制器的可调整参数包括Ρ，ε，δ;参数整定可依据表征收敛过程的指标 进行。
[0036] 再进一步，所述重复控制器的可调整参数包括Ρ，ε，δ，其取值范围满足ε>〇,〇<ρ <1，δ>0
;定义等效扰动界Δ，即|dk| < Δ ;表征系统收敛性能的指标是单调 减区域Δ眶，绝对吸引层Δ ml和稳态误差带Δ SSE，具体定义如下：
[0037] 单调减区域Amdr
[0039] 绝对吸引层Δ ml
[0040] 1? | > ΔΑΑΙ_. 4 | < 1?. |
[0041 ] 稳态误差带Δ sse
[0042] (? I - ^sse |^*+ι I -' ^sse：
[0043] (1)单调减区域Amdr
[0044] ΔMDR=max{ Δmdri，Δmdr〗} (16)
[0045] 式中，Amdri，Amdr2为实数，且满足
[0047] (2)绝对吸引层Δ ml
[0048] Δml=max{ Δmli, Aml2} (18)
[0049] 式中，Aaali，Aaal2为实数，由下式确定，
[0051 ] (3)稳态误差带Δ sse
[0052] Δ SSE的具体取值依据Δ ML来确定，
[0057] c.当 AMlWsse时
[0058] Δ sse = Δ ml (22)
[0059] 其中，δ55Ε为方程
[0061]更进一步，当参考信号满足，该离散重复重复控制器也适用于常值调节问 题，这时的等效扰动为dk=wk-wk-i;其中，rk-i为k_l时刻参考彳目号，wk-i为k_l时刻干扰彳目号；
[0066] 本发明的技术构思是，设计电机伺服系统的离散重复控制器是基于离散时间反正 切吸引律进行的，是一种时域设计方法，它不同于目前普遍采用的频域方法。在设计控制器 时考虑给定参考信号，设计出的控制器更直观、简便，易于刻画系统跟踪性能。控制器的时 域设计也易于结合现有的干扰抑制手段，且所设计的重复控制器能够实现对周期干扰信号 的完全抑制，实现对给定参考?目号的快速尚精度跟踪。
[0067] 本发明效果主要表现在:具有快速收敛性能、加速干扰抑制和高控制精度。
【附图说明】
[0068] 图1是交流永磁同步电机伺服系统方框图。
[0069] 图2是交流永磁同步电机伺服系统原理结构简图。
[0070] 图3是重复控制器结构示意图。
[0071] 图4是基于反正切吸引律的重复控制器方框图。
[0072]图5是在基于反正切吸引律的重复控制器作用下的输出误差数值AmR，Aaal& 厶55￡仿真示意图，其中，卩=0.1，￡ = 5,5 = 1〇，么=〇.1〇
[0073] 图6是在基于反正切吸引律的重复控制器作用下的输出误差数值AmR，Aaal& 厶55￡仿真示意图，其中，卩=0.47，￡=0.3,5 = 10，么=0.1〇
[0074] 图7是在基于反正切吸引律的重复控制器作用下的输出误差数值AmR，Aaal& a sse仿真示意图，其中，Ρ = 0·4，ε = 2，δ = 6，Δ=0·1〇
[0075] 图8是当控制器参数Ρ = 0.5，ε = 5.2Χ10-4，δ = 1.3Χ10-3时，反馈控制器作用下永 磁同步电机控制系统的位置输出信号示意图。
[0076] 图9是当控制器参数Ρ = 0.5，ε = 5.2Χ10-4，δ = 1.3Χ10-3时，反馈控制器作用下永 磁同步电机控制系统的等效扰动信号示意图。
[0077] 图10是当控制器参数0 = 〇.5，￡ = 5.2\1〇'3 = 1.3\1〇，寸，反馈控制器作用下 永磁同步电机控制系统的位置误差信号示意图。
[0078] 图11是当控制器参数0 = 〇.4，￡ = 7.8\1〇-4,5 = 1.56\1〇-3时，反馈控制器作用下 永磁同步电机控制系统的位置输出信号示意图。
[0079] 图12是当控制器参数P = 0.4，ε = 7.8 X 10_4, δ = 1.56 X 10_3时，反馈控制器作用下 永磁同步电机控制系统的等效扰动信号示意图。
[0080] 图13是当控制器参数Ρ = 0.4，ε = 7.8 X 10_4, δ = 1.56 X 10_3时，反馈控制器作用下 永磁同步电机控制系统的位置误差信号示意图。
[0081 ] 图14是当控制器参数Ρ = 0· 6，ε = 6· 5 X 10_4, δ = 1 · 56 X 10_3时，反馈控制器作用下 永磁同步电机控制系统的位置输出信号示意图。
[0082] 图15是当控制器参数Ρ = 0.6，ε = 6.5 X 10_4, δ = 1.56 X 10_3时，反馈控制器作用下 永磁同步电机控制系统的等效扰动信号示意图。
[0083] 图16是当控制器参数Ρ = 0.6，ε = 6.5 X 10-4, δ = 1.56 X 10-3时，反馈控制器作用下 永磁同步电机控制系统的位置误差信号示意图。
[0084] 图17是当控制器参数Ρ = 0.3，ε = 6.5Χ10_4，δ = 1.0Χ1 0-3时，反馈控制器作用下 永磁同步电机控制系统的位置输出信号示意图。
[0085] 图18是当控制器参数Ρ = 0.3，ε = 6.5Χ10_4，δ = 1.0Χ1 0-3时，反馈控制器作用下 永磁同步电机控制系统的等效扰动信号示意图。
[0086] 图19是当控制器参数Ρ = 0.3，ε = 6.5Χ10_4，δ = 1.0Χ1 0-3时，反馈控制器作用下 永磁同步电机控制系统的位置误差信号示意图。
[0087] 图20是当控制器参数Ρ = 0.35，ε =6.5 X 10-4，δ = 1.65 X 10-3时，反馈控制器作用 下永磁同步电机控制系统的位置输出信号示意图。
[0088] 图21是当控制器参数Ρ = 0.35，ε = 6.5 X 10-4，δ = 1.65 X 10-3时，反馈控制器作用 下永磁同步电机控制系统的等效扰动信号示意图。
[0089] 图22是当控制器参数Ρ = 0 · 35，ε =6 · 5 X 10-4，δ = 1 · 65 X 10-3时，反馈控制器作用 下永磁同步电机控制系统的位置误差信号示意图。
[0090] 图23是当控制器参数0 = 〇.5，￡ = 5.2\1〇_4,6 = 1.3\1〇_3时，重复控制器作用下 永磁同步电机控制系统的位置输出信号示意图。
[0091] 图24是当控制器参数0 = 〇.5彳=5.2\1〇'3 = 1.3\1〇，寸，重复控制器作用下 永磁同步电机控制系统的等效扰动信号示意图。
[0092] 图25是当控制器参数0 = 〇.5，￡ = 5.2\1〇-4,6 = 1.3\1〇-3时，重复控制器作用下 永磁同步电机控制系统的位置误差信号示意图。
[0093] 图26是当控制器参数Ρ = 0.4, ε = 7.8X10-4，δ = 1.56X10-3时，重复控制器作用下 永磁同步电机控制系统的位置输出信号示意图。
[0094] 图27是当控制器参数Ρ = 0.4, ε = 7.8X10-4，δ = 1.56X10-3时，重复控制器作用下 永磁同步电机控制系统的等效扰动信号示意图。
[0095] 图28是当控制器参数Ρ = 0.4, ε = 7.8X10-4，δ = 1.56X10-3时，重复控制器作用下 永磁同步电机控制系统的位置误差信号示意图。
[0096] 图29是当控制器参数Ρ = 0.6，ε = 6.5Χ10-4，δ = 1.56Χ10-3时，重复控制器作用下 永磁同步电机控制系统的位置输出信号示意图。
[0097] 图30是当控制器参数Ρ = 0.6，ε = 6.5Χ10-4，δ = 1.56Χ10-3时，重复控制器作用下 永磁同步电机控制系统的等效扰动信号的示意图。
[0098] 图31是当控制器参数Ρ = 0.6，ε = 6.5Χ10-4，δ = 1.56Χ10-3时，重复控制器作用下 永磁同步电机控制系统的位置误差信号示意图。
[0099] 图32是当控制器参数0 = 〇.3，￡ = 6.5\1〇_4,6 = 1.〇\1〇1寸，重复控制器作用下 永磁同步电机控制系统的位置输出信号示意图。
[0100] 图33是当控制器参数0 = 〇.3，￡ = 6.5\1〇_4,6 = 1.〇\1〇_3时，重复控制器作用下 永磁同步电机控制系统的等效扰动信号示意图。
[0101] 图34是当控制器参数0 = 〇.3，￡ = 6.5\1〇'5 = 1.〇\1〇，寸，重复控制器作用下 永磁同步电机控制系统的位置误差信号示意图。
[0102] 图35是当控制器参数Ρ = 0.35, ε =6.5X10-4, δ = 1.65X10-3时，重复控制器作用 下永磁同步电机控制系统的位置输出信号示意图。
[0103] 图36是当控制器参数Ρ = 0.35, ε =6.5X10-4, δ = 1.65X10-3时，重复控制器作用 下永磁同步电机控制系统的等效扰动信号示意图。
[0104] 图37是当控制器参数Ρ = 0· 35, ε =6.5X10-4，δ = 1.65X10-3时，重复控制器作用 下永磁同步电机控制系统的位置误差信号示意图。
【具体实施方式】
[0105] 结合附图对本发明【具体实施方式】作进一步描述。
[0106] 参照图1-图4,一种用于电机伺服系统的离散重复控制方法，其中，图1是电机伺服 系统方框图；图2是交流永磁同步电机伺服系统原理结构简图；图3是重复控制器结构示意 图；图4是基于反正切吸引律的重复控制器方框图。
[0107] 下述为基于反正切吸引律的重复控制器的实施步骤：
[0108] 第一步.给定参考信号
[0109] rk= 土 rk-ν (1)
[0110] 其中，N为参考信号的周期，也即为单位周期采样点数;rk，rk-N分别表示k，k_N时刻 的参考信号。
[0111] 第二步.构造等效扰动为
[0112] dk=wk+wk_w (2)
[0113] 其中，Wk为理想误差动态中的干扰信号，Wk-N为系统在前一周期的第k时刻的干扰 信号，dk为等效扰动。
[0114] 第三步.电机伺服对象的二阶差分方程模型
[0115] yk+i+aiyk+a2yk-i = biUk+b2Uk-i+wk+ι (3)
[011 ?]其中，y k表不伺服系统k时刻的输出位置信号，Uk为k时刻的输入控制信号，wk为伺 服系统k时刻的干扰信号(满足匹配条件），&1，&2，131，13 2为伺服系统模型参数，其取值通过参 数估计获得。
[0117]第四步.构造离散时间反正切吸引律
[0119]其中，Ρ、ε为可调整参数，δ为反正切函数斜率系统，其取值范围满足ε>〇,〇<ρ<
[0120]第五步.将干扰抑制措施嵌入吸引律(4)，构造出理想误差动态方程
[0122] 其中，dk+Ak+l时刻的等效扰动。
[0123] 第六步.基于理想误差动态方程(5)的重复控制器
[0135] 式中，Vk表不输入信号化的修正量。
[0136] 当 dk=Wk+Wk-n 时
[0140]式中，Vk表不输入信号化的修正量。
[0141 ]对于上述重复控制器设计，做以下说明：
[0142] 1)反正切吸引律中引入dk+1反映了对于给定周期模式的扰动信号的抑制措施。
[0143] 2)(10)(12)式中，ek，yk, yk-i，yk-i-N均可通过测量得到，Uk-i，Uk-i-N，为控制信号的存 储值，可从内存中读取。
[0144] 3)当参考信号满足^二巧^，该离散重复控制器也适用于常值调节问题，这时的等 效扰动为dk=Wk-Wk-i;其中，rk-i为k_l时刻参考彳目号，Wk-i为k_l时刻干扰彳目号；
[0149] 4)上述重复控制器针对二阶系统（1)给出，按照相同的方法同样可给出更高阶系 统的设计结果。
[0150] 第七步.根据系统跟踪误差的单调减区域AMDR，绝对吸引层Aaal以及稳态误差带 ASSE对控制器参数进行整定，以达到最佳的控制效果。其中控制器参数主要包括:反正切参 数I可调整参数P，ε和等效扰动界A。
[0151] 依据上述AMDR、及ASSE的定义，确定的各边界取值如下：
[0152] (1)单调减区域（Amdr)
[0153] ΔMDR=max{ Δmdri，Δmdr〗} (16)
[0154] 式中，Δ MDRI，Δ MDR2为实数，且满足
[0156] (2)绝对吸引层（Δ ML)
[0157] Δml=max{ Δmli, Aml2} (18)
[0158] 式中，AML1，AML2为实数，可由下式确定，
[0170] 依据式（16)-(22)计算出各边界取值，以确定闭环系统的跟踪性能。依据相应方程 组，不难确定AMD[^PA aal的取值应为相应方程组的最大正实根。确定Aaal取值后，再依据 Δ ML确定 Δ SSE。
[0171] 实施例：该实施例以永磁同步电机伺服系统在固定区间上执行重复跟踪任务为 例，其位置参考信号具有周期对称特性，该伺服电机采用三环控制，其中电流环与速度环控 制器由ELMO驱动器提供;位置环控制器由DSP开发板TMS320F2812提供。
[0172] 设计位置环控制器，需建立除位置环以外的伺服对象的数学模型，包括电流环、速 度环、功率驱动器、交流永磁同步伺服电机本体以及检测装置(见图2)。通过参数估计获得 伺服对象的数学模型为
[0173] yk+i-l. 5001yk+0.4989yk-i = 2.87856uk-〇.4113uk-i+wk+i (23)
[0174] 其中，yk，uk分别为位置伺服系统的位置输出与速度给定信号（控制输入），wk为干 扰信号。
[0175] 由于本实施例以正弦信号作为系统的参考信号，重复控制器可采取式（10)给出的 控制器形式，其具体表达式可写成
[0177]该实施例中将通过数值仿真和实验结果说明本发明给出重复控制器的有效性。
[0178] 数值仿真：给定位置参考信号为rk = 20sin(2k3ifTs)，单位rad，频率f = 0.25Hz，采 样周期Ts = 0.01s，采用的周期数N = 400。仿真时，选取的扰动量w(k)由周期性干扰和非周 期性干扰两部分构成，具体形式为
[0179] w(k) =2sin(2k3TfTs)+0.05sgn(sin(2k3r/150)) (25)
[0180] 在重复控制器(24)的作用下，选取不同的控制器参数Ρ，ε，δ，伺服系统的三个边界 层也各不相同。为了说明本发明专利关于单调减区域A _、绝对吸引层Am和稳态误差带 Δ SSE的理论正确性，图5-7给出Δ眶，Δ AAL和Δ SSE的具体取值。
[0181 ] 1)当控制器参数ρ = 0· 1，ε = 5，δ = 10时(参见图5)
[0182] Δ MDR=max{ Δ mdri，Δ 眶2丨，且满足（16)，得 Δ 眶=〇 · 2391;
[0183] AML=max{ AML1, Aml2}，且满足（18)，得 Aaal = 〇.2391;
[0184]
，.即0 · 1 < Δ aal<5时，Δ sse= Δ aal，可得 Δ sse = 0.2391〇
[0185] 2)当控制器参数ρ = 0·47, ε=〇·3，δ = 1〇时(参见图6)
[0186] aMdr= Δ 撒=Δ sse = 0.2045;
[0187] 3)当控制器参数ρ = 0.4, ε = 2，δ = 6时(参见图7)
[0188] amdr = 〇.2578; Aml= Asse = 〇.1634;
[0189] 仿真结果见图5-7。在给定系统模型、参考信号和干扰信号的情况下，上述数值结 果验证了本专利给出的重复控制器作用下系统跟踪误差的单调减区域Amdr、绝对吸引层 Δ ML和稳态误差带Δ SSE。
[0190] 具体实验:实验所用永磁同步电机控制系统的方框图见图1所示。通过设置不同控 制器参数，验证基于反正切吸引律的离散重复控制的跟踪性能。给定位置信号为一正弦信 号 rk = Asin(2JifTsk)rad。其中，
，频率 f = 0 · 25Hz，采样周期为 Ts = 0.005s，周 期N = 800。采用反馈控制器和重复控制器进行旋转电机位置跟踪控制，实验结果分别如图 8-22与图23-37所示。
[0191] 1.永磁同步电机反馈控制实验结果
[0192] 由于本实施例以正弦信号作为位置参考信号，反馈控制器可采取式（14)的控制器 形式，其具体表达式可写成
[0195]采用伺服电机反馈控制，如式(26)所示，位置实际输出、等效扰动以及跟踪误差曲 线如图8-10所示。实验中得到等效扰动的界值为Δ =〇.00185。由此可知，单调减区域AMDR = 0.0046、绝对吸引层Aml = 0.0029、稳态误差带Asse = 〇.0029。系统跟踪误差在一个采样 周期(Ts = 5ms)之后收敛进入|ek| < 2.9X10-3rad的邻域内，但少数点位于1.2X10-3rad< ek | < 2.9 X 10-3rad范围内。由图10可见，系统跟踪误差稳态值(40s之后)均分布在土 Δ SSE之 间，计算得到其误差平均值为1.825 X 10_4rad，均方根误差为1.1612 X 10_4rad。
[0196] Β·控制器参数取为 Ρ = 0·4，ε=7·8Χ10-4，δ = 1·56Χ10-3。
[0197] 采用伺服电机反馈控制，如式(26)所示，位置实际输出、等效扰动以及跟踪误差曲 线如图11-13所示。实验中得到等效扰动的界值为Δ=〇.00165。由此可知，单调减区域A MDR = 0.0037、绝对吸引层Aml = 0.0028、稳态误差带Asse = 〇.0028。系统跟踪误差在一个采样 周期(Ts = 5ms)之后收敛进入| ek | < 2.8 X 10_3rad的邻域内，但少数点位于1.25 X 10_3racK ek | < 2.8 X 10-3rad范围内。由图13可见，系统跟踪误差稳态值(40s之后）均分布在土 Δ SSE 之间，计算得到其误差平均值为1.6593 X 10-4rad，均方根误差为1.0467 X 10-4rad。
[0198] C·控制器参数取为P = 0 · 6，ε =6 · 5 X 10-4，δ = 1 · 56 X 10-3。
[0199] 采用伺服电机反馈控制，如式(26)所示，位置实际输出、等效扰动以及跟踪误差曲 线如图14-16所示。实验中得到等效扰动的界值为Δ=〇.00175。由此可知，单调减区域A MDR = 0.0057、绝对吸引层Aml = 0.0025、稳态误差带Asse = 〇.0025。系统跟踪误差在一个采样 周期(Ts = 5ms)之后收敛进入| ek | < 2.5 X 10_3rad的邻域内，但少数点位于1.25 X 10_3racK ek | < 2.5 X 10-3rad范围内。由图16可见，系统跟踪误差稳态值(40s之后）均分布在土 Δ SSE 之间，计算得到其误差平均值为1.9401 X 10-4rad，均方根误差为1.2075 X 10-4rad。
[0200] D ·控制器参数取为Ρ = 0 · 3，ε=6·5Χ10-4，δ = 1·〇Χ 10-3。
[0201] 采用伺服电机反馈控制，如式(26)所示，位置实际输出、等效扰动以及跟踪误差曲 线如图17-19所示。实验中得到等效扰动的界值为Δ=〇.00127。由此可知，单调减区域A MDR = 0.0026、绝对吸引层Aml = 0.0026、稳态误差带Asse = 〇.0026。系统跟踪误差在一个采样 周期(Ts = 5ms)之后收敛进入|ek| < 2.6X10-3rad的邻域内，但少数点位于1.2X10-3rad< ek | < 2.6 X 10-3rad范围内。由图19可见，系统跟踪误差稳态值(40s之后)均分布在土 Δ SSE之 间，计算得到其误差平均值为1.9406 X 10_4rad，均方根误差为1.1958 X 10_4rad。
[0202] E·控制器参数取为P = 0 · 35，ε =6 · 5 X 10-4，δ = 1 · 65 X 10-3。
[0203] 采用伺服电机反馈控制，如式(26)所示，位置实际输出、等效扰动以及跟踪误差曲 线如图20-22所示。实验中得到等效扰动的界值为Δ=〇.00135。由此可知，单调减区域A MDR = 0.0027、绝对吸引层Aml = 0.0027、稳态误差带Asse = 〇.0027。系统跟踪误差在一个采样 周期(Ts = 5ms)之后收敛进入| ek | < 2.7 X 10_3rad的邻域内，但少数点位于1.2 X 10_3racK ek | < 2.7 X 10-3rad范围内。由图22可见，系统跟踪误差稳态值(40s之后)均分布在土 Δ SSE之 间，计算得到其误差平均值为1.946 X 10_4rad，均方根误差为1.2111 X 10_4rad。
[0204] 2.永磁同步电机重复控制实验结果
[0205] A.控制器参数取为 Ρ = 0·5，ε = 5·2Χ10-4，δ = 1·3Χ10-3。
[0206] 采用伺服电机在重复控制器，如式(24)作用下，系统实际位置输出信号、等效扰动 以及跟踪误差如图23-25所示。实验中得到等效扰动的界值为Δ =〇.〇〇〇75。由此可知，单调 减区域Δ MDR = 〇 · 0022、绝对吸引层Δ aal = 0 · 001、稳态误差带Δ SSE = 〇 · 〇〇 1。系统跟踪误差在 一个参考信号周期(T = 4s)之后收敛进入|ek| <1.0Xl(T3rad的邻域内，但少数点位于7Χ 10_4racK |ek| < 1.0Xl(T3rad范围内。由图25可见，系统跟踪误差稳态值(40s之后）均分布 在土 Δ SSE之间，计算得到其误差平均值为1.0363 X 10-4rad，均方根误差为6.418 X 10-5rad。
[0207] B·控制器参数取为P = 0 · 4，ε =7 · 8 X 10-4，δ = 1 · 56 X 10-3。
[0208] 采用伺服电机在重复控制器，如式(24)作用下，系统实际位置输出信号、等效扰动 以及跟踪误差如图26-28所示。实验中得到等效扰动的界值为△ =0.0006。由此可知，单调 减区域Δ_ = 〇.0017、绝对吸引层AML = 0.00087、稳态误差带ASSE = 〇.00092。系统跟踪误 差在一个参考信号周期(T = 4s)之后收敛进入| ek | < 9.2 X l(T4rad的邻域内，但少数点位于 6 X 10_4racK | ek | < 9.2 X 10_4rad范围内。由图28可见，系统跟踪误差稳态值(40s之后)均分 布在土 ASSE之间，计算得到其误差平均值为9.3988X 10-5rad，均方根误差为5.8519X10 一 5rad〇
[0209] C·控制器参数取为P = 0 · 6，ε =6 · 5 X 10-4，δ = 1 · 56 X 10-3。
[0210]采用伺服电机在重复控制器，如式(24)作用下，系统实际位置输出信号、等效扰动 以及跟踪误差如图29-31所示。实验中得到等效扰动的界值为△ =0.0006。由此可知，单调 减区域Δ MDR = 〇. 0026、绝对吸引层Δ ML = 0.00071、稳态误差带Δ SSE = 〇. 00083。系统跟踪误 差在一个参考信号周期(T = 4s)之后收敛进入| ek | < 8.3 X l(T4rad的邻域内，但少数点位于 6 X 10_4racK | ek | < 8.3 X 10_4rad范围内。由图31可见，系统跟踪误差稳态值(40s之后)均分 布在土 Δ SSE之间，计算得到其误差平均值为1.1281 X 10-4rad，均方根误差为6.9878 X 10一 5rad〇
[0211] D ·控制器参数取为Ρ = 0 · 3，ε=6·5Χ10-4，δ = 1·〇Χ 10-3。
[0212]采用伺服电机在重复控制器，如式(24)作用下，系统实际位置输出信号、等效扰动 以及跟踪误差如图32-34所示。实验中得到等效扰动的界值为△ =0.0007。由此可知，单调 减区域AMDR = 〇. 0016、绝对吸引层Aml = 0· 0012、稳态误差带ASSE = 〇. 0012。系统跟踪误差 在一个参考信号周期(T = 4s)之后收敛进入| ek | < 1.2 X l(T3rad的邻域内，但少数点位于6 X10-4racK |ek| <1.2X10-3rad范围内。由图34可见，系统跟踪误差稳态值(40s之后）均分 布在土 Δ SSE之间，计算得到其误差平均值为1.1197 X 10-4rad，均方根误差为6.941 X 10一 5rad〇
[0213] E·控制器参数取为P = 0 · 35，ε =6 · 5 X 10-4，δ = 1 · 65 X 10-3。
[0214]采用伺服电机在重复控制器，如式(24)作用下，系统实际位置输出信号、等效扰动 以及跟踪误差如图35-37所示。实验中得到等效扰动的界值为Δ =〇.〇〇〇75。由此可知，单调 减区域Δ MDR = 〇 · 〇〇 17、绝对吸引层Δ aal = 0 · 0013、稳态误差带Δ SSE = 〇 · 〇〇 13。系统跟踪误差 在一个参考信号周期(T = 4s)之后收敛进入| ek | < 1.3 X l(T3rad的邻域内，但少数点位于7 X10-4racK |ek| < 1.3X10-3rad范围内。由图37可见，系统跟踪误差稳态值(40s之后）均分 布在土 Δ SSE之间，计算得到其误差平均值为1.0934 X 10-4rad，均方根误差为6.7891 X 10一 5rad〇
[0215]上述实验结果表明，本发明提出的重复控制器能够快速、有效地抑制系统在执行 伺服跟踪任务时出现的周期干扰信号。同时，实验验证了本专利系统跟踪误差的单调减区 域A眶、绝对吸引层Δ AAL及稳态误差带Δ SSE的正确性。
【主权项】
1. 一种用于电机伺服系统的离散重复控制方法，被控对象为周期伺服系统，其特征在 于:所述离散重复控制方法包括如下步骤： 1) 给定周期参考信号rk，满足 rk= 土rk-n (1) 其中，N为参考信号的周期，rk，rk-N分别表不k，k-N时刻的参考信号； 2) 构造等效扰动 dk^wk+wk-N (2) 其中，N为参考信号的周期，dk表不k时刻的等效扰动信号，wk，wk-n分别表不k，k-N时刻的 干扰信号； 3) 构造离散时间反正切吸引律(4) 其中，ek = rk_yk表示k时刻跟踪误差，yk为k时刻系统输出;P表征吸引指数，ε表征p = 〇时 的等速吸引速度，Ρ、ε均为可调参数，δ为反正切函数斜率系数，其取值范围满足ε>〇,〇<ρ <?,δ>〇,〇<^<1-ρ; d 4) 将干扰抑制措施嵌入吸引律(4)，构造如下理想误差动态(5) 其中，dk+1Sk+i时刻等效扰动； 5) 依据理想误差动态(4)设计重复控制器式中， A7 (q_1) = ai+a2q-1+· · -+anq_n+1 = q (A (q_1) -1) A (q-1) = 1 +aiq-4 ··· +anq-n B(q-丄）= b〇+biq-i+.H+bmq-m 满足伺服对象 A (q_1) yk = q_dB (q_1) Uk+Wk (5-2) 其中，d表不延迟，Uk和yk分别表不k时刻的输入和输出信号，Wk为k时刻的干扰信号;A(q -0和WcT1)为cT1的多项式，cT1是一步延迟算子，η为Α^ 1)的阶数，m为WcT1)的阶数； ai,…，an，b〇, · · ·，bm为系统参数且b〇关0，n2m;d为整数，且d> 1; 重复控制器(5-1)也可表达成 Uk= 土 Uk-N+vk (5-3) 其中，将uk作为伺服对象的控制输入信号，可量测获得伺服系统输出信号yk，跟随参考信号rk 变化。2. 如权利要求1所述的用于电机伺服系统的重复控制方法，其特征在于:该控制器的可 调整参数包括P，ε，δ ;参数整定可依据表征收敛过程的指标进行。3. 如权利要求2所述的用于电机伺服系统的离散重复控制器，其特征在于:所述重复控 制器的可调整参数包括Ρ，ε，δ，其取值范围满足ε >〇，〇<ρ< 1，δ>〇，〇 < y < I - ρ ;定义等效 扰动界A，即|dk| < Δ ;表征系统收敛性能的指标是单调减区域Δ_，绝对吸引层&撒和稳 态误差带Δ SSE，具体定义如下： 单调减区域Amdr绝对吸引层A ml稳态误差带A SSE(1) 单调减区域Amdr Δ MDR=max{ Δ mdri，Δ mdr〗} (16) 式中，Δ MDRl，Δ MDR2为实数，且满足(17) (2) 绝对吸引层Aaal AML=max{ Amli，A aal2} (18) 式中，Aaali，Aaal2为实数，由下式确定，(19) (3) 稳态误差带Δ sse A SSE的具体取值依据Δ ML来确定， a. 当Δ sse= Δ ml (20) b. 兰V I- c ·当 Δ ml > 3sse时 Δ sse = Δ ml (22) 其中，3Sse为方程的正实根。4.如权利要求1~3之一所述的用于电机伺服系统的离散重复控制方法，其特征在于： 当参考信号满足，该离散重复重复控制器也适用于常值调节问题，这时的等效扰动 为dk=Wk_Wk-i;其中，:Tk-i为k~l时刻参考彳目号，Wk-i为k~l时刻干扰彳目号；) 式(5-4)也可表示成 Uk = Uk-i+vk (5-5)
【文档编号】G05B11/14GK105867110SQ201610228593
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月13日
【发明人】孙明轩, 胡轶, 邬玲伟, 李彦威
【申请人】浙江工业大学