位置闭环系统最小幅相差跟踪法
【专利摘要】为了提高伺服系统的跟踪精度，本发明提出了一种新型控制方法，即，通过构建一种电流环扰动观测器，实现了对系统非线性扰动的有效抑制；通过位置差分的方法，在无测速元件的基础之上，构建了速度闭环以增加系统的刚度（阻尼），采用位置指令差分的方法实现了一阶前馈，控制系统的相移，通过位置和速度控制器参数调整控制跟踪幅差。在系统指标频宽范围内，可达到跟踪信号幅差绝对值小于1%、相位滞后小于1°的“双一”跟踪指标；低速特性尤其明显，可实现0.00001°、0.025Hz超小信号不失真动态跟踪。本发明的优势具有控制精度高、应用领域广泛、易于工程实践等特点。
【专利说明】位置闭环系统最小幅相差跟踪法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种应用于无测速元件的伺服系统及其最小幅相差跟踪方法，其构建 了速度闭环，增加系统的刚度(阻尼)。
【背景技术】
[0002]近年来，随着我国在航空航天、武器研制等领域取得的卓越成就，以及在其他各个 工业领域的高速发展，高精度伺服系统已经起着举足轻重的作用。“高频响、高精度、超低 速”是研制高精度伺服系统的核心关键要素，其中“高频响”代表了伺服系统跟踪高频信号 的能力；“高精度”反映了系统跟踪指令信号的准确程度；“超低速”，体现了系统的低速平 稳性。
[0003]影响高精度伺服系统性能的因素包括很多非线性因素和不确定性因素，比如机械 摩擦、参数漂移、电磁干扰、轴系间力矩耦合、安装产生的力矩不平衡等。对高精度伺服系统 “两高一低”指标的实现影响较大，因此，提高系统的控制刚度和非线性因素的抑制能力从 而减小这些不利因素对系统带来危害的研究工作是十分有意义的。
[0004]通常伺服系统采取三环结构的PID控制方法，由内到外依次是电流环、速度环和 位置环。电流环的作用是使电枢电流严格跟随电流指令的变化，从而准确控制电机输出力 矩，有效抑制电子噪声、反电动势等干扰的影响。速度环的作用是提高系统的刚度来抑制系 统的非线性因素和外部扰动。位置环的作用是提高系统的控制精度。这种经典的控制方法 不足以达到高精度伺服系统的性能要求，采取复合控制方法已经成为当今控制系统的发展 趋势。
【发明内容】
[0005]本发明人提出了一种先进的最小幅相差跟踪控制方法，进行了相关的实验验证， 证明了该方法对机械摩擦、轴系间力矩耦合、不平衡力矩等非线性因素具有较强的抑制能 力，减小了伺服系统的幅差和相差，提高了伺服系统的跟踪精度。
[0006]本发明涉及一种应用于无测速元件的伺服系统，通过软件方法构建了速度闭环， 增加系统的刚度(阻尼)；采用位置指令差分的方法实现了一阶前馈，控制系统的相移；构建 一种电流环扰动观测器，实现了对系统非线性扰动的有效抑制；调整位置和速度控制器参 数，减小跟踪幅差。在系统指标频宽范围内，可达到跟踪信号幅差绝对值小于1%、相位滞后 小于1°的“双一”跟踪指标；低速特性尤其明显，可实现0.00001°、0.025Hz超小信号不失 真动态跟踪。本发明可以广泛地应用于高精度控制的武器系统、工业及民用系统，对其系统 性能具有明显的提升作用。
[0007]根据本发明的一个方面，提供了一种基于位置闭环系统的最小幅相差跟踪方法， 其特征在于包括:用一个位置环控制器接收一个位置误差，并产生一个速度指令；用一个 位置前馈控制器接收一个位置指令，并产生一个位置前馈输出信号；用一个速度环控制器 接收一个速度偏差信号，并产生一个速度环控制输出信号；用一个电流环扰动观测器接收一个电流环给定信号和一个控制对象的位置输出信号，产生一个干扰补偿信号；用一个第一加法器，用于把所述控制对象的位置输出反馈和所述位置闭环系统所接收到的一个位置指令相减，生成所述位置误差；；用一个第二加法器，用于对所述位置前馈输出信号、所述位置控制器输出与差分运算得到的速度信号相运算，从而得到所述速度偏差；用一个第三加法器，用于把所述速度环输出和扰动观测器产生的所述干扰补偿信号相减，产生电流环给定信号。
[0008]根据本发明的另一个方面，提供了一种位置闭环系统，其特征在于包括:一个位置环控制器，用于接收一个位置误差，并产生一个速度指令；一个位置前馈控制器，用于接收一个位置指令，并产生一个位置前馈输出信号；一个速度环控制器，用于接收一个速度偏差信号，并产生一个速度环控制输出信号；一个电流环扰动观测器，用于接收一个电流环给定信号和一个控制对象的位置输出信号，产生一个干扰补偿信号；一个第一加法器，用于把所述控制对象的位置输出反馈和所述位置闭环系统所接收到的一个位置指令相减，生成所述位置误差；一个第二加法器，用于对所述位置前馈输出信号、所述位置控制器输出与差分运算得到的速度信号相运算，从而得到所述速度偏差；一个第三加法器，用于把所述速度环输出和扰动观测器产生的所述干扰补偿信号相减，产生电流环给定信号。
[0009]根据本发明的一个进一步的方面，上述位置前馈控制器进一步包括:一个微分器，用于微分位置指令，产生一个速度信号；一个比例控制器，用于速度信号的调节，产生一个位置前馈输出信号。
[0010]根据本发明的一个进一步的方面，上述扰动观测器进一步包括:一个电流闭环系统名义模型逆的运算器，用于接收所述位置输出，并产生一个运算器输出信号；一个加法器，用于电流环给定信号与电流环闭环系统名义模型逆的运算器输出信号相减，产生加法器输出信号；一个低通滤波器，用于接收加法器输出信号，产生干扰补偿信号；
[0011]根据本发明的一个进一步的方面，上述带有电流反馈的伺服执行装置进一步包括:一个带有电流闭环的伺服执行装置，用于接收一个电流环给定信号，产生功率输出；一个位置测量装置，用于测量所述位置闭环系统的伺服对象的位置，并生成一个控制对象位置输出。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1是根据本发明的一个实施例的位置闭环系统控制原理图；
[0013]图2是本发明的位置前馈控制器的原理图；
[0014]图3是本发明的扰动观测器的结构图；
[0015]图4是扰动观测器基本原理图；
[0016]图5是本发明所设计的扰动观测器原理图；
[0017]图6是电流环名义模型幅频特性；
[0018]图7至图10是根据本发明的一个实施例的应用扫频测试效果图；
[0019]图11是是根据本发明的一个实施例的超低速信号跟踪图。
【具体实施方式】
[0020]根据本发明的一个实施例的伺服系统控制结构如图1所示。该伺服系统包括位置闭环、速度闭环、电流闭环、位置前馈控制器和扰动观测器。现分别介绍系统的几个模块:
[0021](I)位置环控制器
[0022]图1中，位置环控制器的输入为位置误差信号，其输出为速度指令。多种类型的控制器可以作为位置环控制器，例如PID控制器(比例、积分、微分控制器)和PD控制器(比例、微分控制器)。在根据本发明的一个具体实施例中，位置环控制器选用ro控制器；该控制器可以由计算机软件实现。
[0023](2 )位置前馈控制器
[0024]图1中，位置前馈控制器的输入为位置指令，其输出为位置前馈输出信号。采用位置前馈通过开环控制特性来加快伺服系统的速度响应，并且当加大位置前馈增益时，可以减少位置环对位置误差的累积，加快位置误差的补偿速度。
[0025]图2所示为根据本发明的一个实施例的位置前馈控制器模块的结构，其包括一个微分器和一个比例控制器。
[0026](3)速度环控制器
[0027]图1中，速度环控制器的输入为一个速度偏差信号，该速度偏差信号是由位置环控制器产生的速度指令、位置前馈控制器产生的位置前馈输出信号和控制对象的位置输出经差分运算得到的速度反馈信号，该速度环控制器的输出为一个速度环输出信号。其中速度反馈信号是在无测速元件的条件下，利用算法对位置输出信号差分，再根据电压和速度的映射关系调整得到。在根据本发明的一个实施例中，选用PI控制器作为该速度环控制器。该速度环控制器由计算机软件实现。
[0028](4)扰动观测器
[0029]图1中，扰动观测器的输入为电流环给定信号和控制对象的位置输出信号，其输出为一个干扰补偿信号。其作用是及时观测出干扰量，并及时进行补偿，以提高系统对非线性因素的补偿能力。图3所示为根据本发明的一个实施例的该扰动观测器模块的结构，其包括一个电流环闭环系统名义模型逆的运算器和一个低通滤波器。
[0030]( 5 )被控对象模块
[0031]整个控制系统的控制对象通常为电机以及用于驱动该电机的功率放大器装置，同时包含有通过某种形式构成的电流环。
[0032]扰动观测器设计理论依据
[0033]扰动观测器的基本思想是将外部力矩干扰及模型参数变化造成的实际对象与名义模型输出的差异统统等效为干扰并补偿，即观测出等效干扰，在控制中引入等量的补偿，实现对干扰有效抑制。其基本思想如图4所示:
[0034]图中的Gp(S)为对象的传递函数，d为等效干扰d力观测干扰，u为控制输入，ε为控制输入与观测干扰的差值，可求出等效干扰的估计值为:
[0035]
【权利要求】
1.一种位置闭环系统，其特征在于包括: 一个位置环控制器，用于接收一个位置误差，并产生一个速度指令； 一个位置前馈控制器，用于接收一个位置指令，并产生一个位置前馈输出信号； 一个速度环控制器，用于接收一个速度偏差信号，并产生一个速度环控制输出信号； 一个电流环扰动观测器，用于接收一个电流环给定信号和一个控制对象的位置输出信号，通过算法产生一个干扰补偿信号； 一个第一加法器，用于把所述控制对象的位置输出反馈和所述位置闭环系统所接收到的位置指令相减，生成所述位置误差； 一个第二加法器，用于对所述位置前馈输出信号、所述位置控制器输出与差分运算得到的速度信号相运算，从而得到所述速度偏差； 一个第三加法器，用于把所述速度环输出和扰动观测器产生的所述干扰补偿信号相减，产生电流环给定信号。
2.根据权利要求1所述的位置闭环系统，其特征在于位置前馈控制器进一步包括: 一个微分器，用于位置指令微分，产生一个速度信号； 一个比例控制器，用于速度信号的调节，产生一个位置前馈输出信号。
3.根据权利要求1所述的位置闭环系统，其特征在于扰动观测器进一步包括: 一个电流闭环系统名义模型逆的运算器，用于接收所述位置输出，并产生一个运算器输出信号； 一个第四加法器，用于电流环给定信号与电流环闭环系统名义模型逆的运算器输出信号相减，产生第四加法器输出信号。 一个低通滤波器，用于接收第四加法器输出信号，产生干扰补偿信号。
4.根据权利要求1所述的位置闭环系统，其特征在于进一步包括所述控制对象，且所述控制对象包括: 一个带有电流闭环的伺服执行装置，用于接收一个电流环给定信号，产生功率输出。
5.基于位置闭环系统的最小幅相差跟踪方法，其特征在于包括: 一个位置环控制器，用于接收一个位置误差，并产生一个速度指令； 一个位置前馈控制器，用于接收一个位置指令，并产生一个位置前馈输出信号； 一个速度环控制器，用于接收一个速度偏差信号，并产生一个速度环控制输出信号； 一个电流环扰动观测器，用于接收一个电流环给定信号和一个控制对象的位置输出信号，通过算法产生一个干扰补偿信号； 一个第一加法器，用于把所述控制对象的位置输出反馈和所述位置闭环系统所接收到的位置指令相减，生成所述位置误差； 一个第二加法器，用于对所述位置前馈输出信号、所述位置控制器输出与差分运算得到的速度信号相运算，从而得到所述速度偏差； 一个第三加法器，用于把所述速度环输出和扰动观测器产生的所述干扰补偿信号相减，产生电流环给定信号。
6.根据权利要求5的方法，其特征在于进一步包括: 一个微分器，用于位置指令微分，产生一个速度信号； 一个比例控制器，用于速度信号的调节，产生一个位置前馈输出信号。
7.根据权利要求5的方法，其特征在于进一步包括:一个电流闭环系统名义模型逆的运算器，用于接收所述位置输出，并产生一个运算器输出信号；一个第四加法器，用于电流环给定信号与电流环闭环系统名义模型逆的运算器输出信号相减，产生第四加法器输出信号。一个低通滤波器，用于接收第四加法器输出信号，产生干扰补偿信号。
8.根据权利要求5的方法，其特征在于进一步包括:一个带有电流闭环的伺服执行装置，用于接收一个电流给定信号，产生功率输出。
【文档编号】G05D3/12GK103529858SQ201310474048
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年10月11日 优先权日:2013年10月11日
【发明者】扈宏杰, 张超 申请人:北京航空航天大学