一种全局稳定的电机位置伺服系统输出反馈控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及电机位置伺服控制系统技术领域，具体设及一种全局稳定的电机位置 伺服系统输出反馈控制方法。
【背景技术】
[0002] 直流电机具有响应快速、调速范围广，易于实现速度平滑调节，调速时的能量损耗 较小W及过载、启动、制动转矩大，易于控制，可靠性高等优点，因而在工农业生产，交通运 输，国防，航空航天，医疗卫生，商务办公设备W及家用电器中应用广泛。随着工业发展的需 求，高精度的运动控制已成为现代直流电机的主要发展方向。然而，由于电机系统中存在着 很多的模型不确定性，尤其是不确定非线性，该些不确定性因素增加了控制系统的设计难 度。
[0003] 为了处理电机系统中的不确定非线性问题，提高电机伺服系统的控制性能，鲁椿 控制作为一种主要处理方法，已被广泛应用于实际工程应用。
[0004] 然而，所有上述方法均基于全状态反馈开展控制器设计，在运动控制中，不仅需要 位置信号，还需要速度和/或加速度信号。但在许多实际系统中，受机械结构、体积、重量及 成本限制，往往仅位置信息可知。此外，即便速度及加速度信号可W获得，也存在严重的测 量噪声，进而恶化全状态反馈控制器可W获得的性能。非线性控制应用中所存在的该些实 际问题，导致了PID控制至今在电机控制领域仍处于主导地位。但是，在现代工业时代的新 需求下，PID越来越难W满足日益追求的高性能控制。因此，迫切需要设计非线性输出反馈 控制策略。
【发明内容】
[0005] 本发明针对电机位置伺服系统中存在的不确定非线性问题，在只有系统位移可知 的前提下，提出一种全局稳定的电机位置伺服系统输出反馈控制方法。
[0006] 为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
[0007] -种全局稳定的电机位置伺服系统的输出反馈控制方法，包括W下步骤：
[000引步骤一、建立电机位置伺服系统模型：
[0009] 机j;二A.,"-卸KO (1)
[0010] 其中y表示角位移，m表示惯性负载，kf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W及未建模动态；
[0011] 将式（1)转换成状态空间形式，如下：
[001引
【主权项】
1. 一种全局稳定的电机位置伺服系统的输出反馈控制方法，其特征在于：该方法包括 以下步骤： 步骤一、建立电机位置伺服系统模型： my = klu~hy-f{yAJ) (1) 其中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； 将式（1)转换成状态空间形式，如下：
其中尤=[)￡1,_\：2『=|^,.1:」/表示位置和速度的状态向量 ； 参数集θ = [ Θ ^ θ 2]T，其中θ 1= kf/m，Θ 2= b/m，d = f/m表示集中干扰； 系统中的参数m，kf，b是未知的，且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1 :参数Θ满足： θ^\-{θ:θι"inMU (3) 其中 Gniin= [Θ lnin，θ2ηι?η]Τ，ΘΜΧ= [θ 1ΜΧ，Θ2μχ]Τ，它们都是已知的，此外 9lniin>〇， θ 2min>〇 ; 假设2:d(X，t)是已知有界的，即 d(x, t) I ^ δ d (4) 其中Sd已知； 让yd表示系统参考轨迹，假设其是二阶可导的，且二阶导有界，即I凡L是已知正 数。； 步骤二、设计基于一致鲁棒精确微分器的全局稳定电机高精度输出反馈控制器，具体 步骤如下： 步骤二（一）、根据公式（2)构建电机的一致鲁棒精确微分器 首先，由系统的已知输出状态X1设计一致鲁棒精确微分器，用于估计系统的未知状态 X2，此微分器不依赖于系统输入和参数估计值，如下设计一致鲁棒精确微分器： Xl=X2-CJl^X,) X2 = -C2ZZ2Cxi ) 其中X1，乂2分别表示输出角位移和角速度，天，毛分别为X1，X 2的估计值，元=天-_ i =1, 2, C1, C2为待调整正参数，MA)和/^(足）分别为：
其中增益1^，132>0,此外
由式（2)和（5)可得估计误差动态如下： X1 = -Cl^el (.V1) + .V2 ,A", = -c2iu2 (.V1) - y (8) 步骤二（二）、设计基于一致鲁棒精确微分器的全局稳定电机高精度输出反馈控制器 定义变量如下： Z2=Zl^klZl=X1-X leq .j (15) X2eq ~ -^ld ~KZ\ 其中Z1= X !-XldU)是输出跟踪误差，Ii1X)是一个反馈增益；由于G(s) = Z1 (s)/z2(s) =Vbk1)是一个稳定的传递函数，当Z2趋于0时，z i必然也趋于0,接下来的控制器设计， 将以使Z2趋于〇为主要目标； 对式（15)微分并把式（2)代入，可得： z. = θ^α-θ,χζ - +d{\\t) (16) 基于估计状态的控制器如下： U = (ua+us)/ Θ ln, Us= usl+us2 Ua = ileq + θ1ηχ2 (17) 其中、=Md + 4 - Μ:，其中k2>0是一个反馈增益； 把式（17)代入式（16)，可得Z2的动态方程： i2 = -Zv2 (..V2 - X2tv) + Usl - (Olii - Oi )u Λ (Ιο) ~^(β2}1 ~ 0) )χ> + 6/(λ% / ) + O2X1 - k\Xy 由假设1可知，存在Us2满足如下条件：
Z2Us2 彡 0 其中σ PO是一个设计参数，在此给出Us2的一个形式： 令g为如下函数 Us2 = ~KlZ2 ^ ~^Z2 (2〇) 其中θ-= θ ，由此设计如下的Us2 ni2=-k^(x2- x2n. )^-g2(x2- X2ni) / (4σ,) (21) 其中ksl为一个非线性增益； 步骤三、调节电机控制律u的参数kp k2, bp b2, C1, (：2使得系统满足控制性能指标。
【专利摘要】本发明提供本发明公开了一种全局稳定的电机位置伺服系统的输出反馈控制方法，属于机电伺服控制领域。本发明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；设计的基于一致鲁棒精确微分器的全局稳定电机系统高精度控制器，通过控制律参数调节能很好估计系统的状态，进而设计系统的输出反馈控制器，能有效解决伺服系统非线性问题，降低了实际应用中系统的要求，避免了速度和/或加速度信号中严重的噪声对系统的污染；保证了电机伺服系统的位置输出能准确地跟踪期望的位置指令；本发明简化了控制器设计，更利于在工程实际中应用。
【IPC分类】H02P7-00
【公开号】CN104836494
【申请号】CN201510261196
【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8月12日
【申请日】2015年5月20日