一种伺服电机的基于k-观测器的滑模预测控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种伺服电机的控制方法，它是一种伺服电机的基于K-观测器的滑 模预测控制方法，用于控制伺服电机转角、角速度W及角加速度，属于自动控制技术领域。
【背景技术】
[0002] 伺服电机是一种控制电机，它可W把输入的电压信号变换为电机轴上的角速度和 角位移。伺服电机又分为直流和交流两大类；直流伺服电机通常用于大功率控制系统，交流 伺服电机用脉宽调制（PwM)信号来控制，通常用于小功率系统。伺服系统的传感器有许多 种，在现代数字式伺服系统中，最常用的是轴角编码器，又称码盘。在伺服系统中，系统的设 定值与从传感器反馈回来的测量信号相减，形成误差信号；控制器根据该个误差信号，W- 定的算法产生出控制电机的信号。传统的PID控制方法需要伺服电机系统的精确数学模型 和状态值。
[0003] 在实际工程中，一些系统的状态或是无法直接测量得到，或是无法精确测量。例 如，就速度信号而言，它在测量中容易受到噪声污染，并且出于节省成本、减轻系统质量等 原因通常不被采用。因此，可W利用观测器重构系统未知状态，准确估计未知参数，在此基 础上，实现对系统的控制。
[0004] 在该种技术背景下，本发明针对伺服电机系统，给出了一种基于低增益K-观测器 的滑模预测控制方法，用于控制伺服电机转角。采用该种控制不仅保证了闭环系统的稳定 性，而且可W仅利用角度信号准确估计出角速度W及角加速度信息，更方便在工程实践中 应用。
【发明内容】
[0005] 1、发明目的
[000引本发明的目的是提供一种伺服电机的基于K-观测器的滑模预测控制方法，它克 服了现有控制技术的不足，给出一种基于K-观测器的滑模预测控制方法，在仅有角度信号 的条件下，准确估计出角速度W及角加速度信号，实现对伺服电机系统转角、角速度W及角 加速度的快速精确控制。
[0007] 2、技术方案
[0008] 本发明的设计思想是：针对伺服电机系统，首先设计K-观测器，利用伺服电机的 角度信号，估计出伺服电机系统的角速度和角加速度信号，然后设计滑模预测控制器，最后 使用观测得到的信号作为滑模预测控制器的输入信号，实现对伺服电机系统的转角控制。
[0009] 见图2,本发明一种伺服电机的基于K-观测器的滑模预测控制方法，其方法步骤 如下：
[0010] 步骤一：伺服电机系统模型分析及建模：
[0011] 伺服电机系统采用负反馈的控制结构，输出量为伺服电机系统转角。
[0012] 伺服电机系统传递函数描述如下：
[0013]
【主权项】
1. 一种伺服电机的基于K-观测器的滑模预测控制方法，其特征在于：该方法步骤如 下： 步骤一：伺服电机系统模型分析及建模 伺服电机系统采用负反馈的控制结构，输出量为伺服电机系统转角； 伺服电机系统传递函数描述如下：
其中：K111表示伺服电机的力矩系数； J表示汽轮发电机功角初值； Ld表示伺服电机系统电枢绕组的电感； Rd表示伺服电机系统电枢绕组的电阻； &表示阻尼系数； Ke表示伺服电机系统反电势系数； 为了便于设计，分别定义三个状态变量Xl、x2、X3如下： X1= Θ X2= ω X3 二 ? 这时式（1)就写成
伺服电机输出表示为：y(t) = cTx，其中c = [I O 0]τ; 如此处理的目的是将伺服电机系统化为状态方程的表达形式，便于下一步设计； 步骤二：伺服电机系统K-观测器设计 DK-观测器设计与分析 选取一个向量k=IX k2 k3]T使得Atl=A-IiC1^ Hurwitz的，采用如下形式的一类 K-观测器
步骤三：伺服电机的滑模预测控制设计 采用输出量即角度信号的单位负反馈控制结构，利用Matlab环境下的.m语言编程实 现伺服电机转角滑模预测控制器的结构和功能；即控制器的输入信号是参考信号和步骤二 中K-观测器的输出值； 1)设定预定指令xld，与K-观测器的状态冬，毛，毛.相减得到 爸二名-Xld，? = - ild，g = ，取滑模函数?^η?+?^? + ?·，为设计方便取中间变量 2) 预测经过时间T的滑模面斤(/ I 7')表示为：+ = ^⑴ΓΜ(〇;
3) 设计滑模预测控制的目标函数为 要实现最优控制需满足
h由此可得基于K-观测器的滑模预测控制器为
这里通过李雅普诺夫方法简要证明基于K-观测器的滑模预测控制的稳定性；取
泛李雅普诺夫函数
，由于观测器是指数收 敛，证明Pso，从而证明基于K-观测器的滑模预测控制的稳定性，且伺服电机转角、角速 度以及角加速度指数收敛； 步骤四：跟踪性能检验与参数调节 这一步将检验系统性能是否满足设计要求，并且适当调节控制参数；借助于常用的数 值计算和控制系统仿真工具Matlab进行； 参数Cl、c2、匕、k2、k3为调节参数，若跟踪误差过大，不满足设计要求，则调节以上参数 使控制算法满足要求； 步骤五：设计结束 整个设计过程重点考虑了三个方面的控制需求，分别为设计的简便性，闭环系统的稳 定性，跟踪的快速精确性；围绕这三个方面，首先在上述第一步中确定了闭环控制系统的具 体构成；第二步中重点给出了伺服电机系统K-观测器设计方法；第三步给出了滑模预测控 制方法；第四步中主要介绍了用以提高跟踪性能的参数调节方法；经上述各步骤后，设计 结束。
【专利摘要】一种伺服电机的基于K-观测器的滑模预测控制方法，该方法有五大步骤：步骤一：伺服电机系统模型分析及建模；步骤二：伺服电机系统K-观测器设计；步骤三：伺服电机的滑模预测控制设计；步骤四：跟踪性能检验与参数调节；步骤五：设计结束。本发明克服了现有控制技术的不足，给出一种基于K-观测器的滑模预测控制方法，在仅有角度信号的条件下，准确估计出角速度以及角加速度信号，实现对伺服电机系统转角、角速度以及角加速度的快速精确控制。
【IPC分类】H02P29-00
【公开号】CN104753441
【申请号】CN201510192637
【发明人】陈彦桥, 韩璞, 姜婷婷, 刘金琨, 王东风, 王德华
【申请人】国电科学技术研究院, 华北电力大学（保定）
【公开日】2015年7月1日
【申请日】2015年4月21日