一種含磁滯補償?shù)碾姍C伺服系統(tǒng)預設(shè)性能跟蹤控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種控制方法，特別是一種含磁滯補償?shù)碾姍C伺服系統(tǒng)預設(shè)性能跟蹤 控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 電機伺服系統(tǒng)具有響應速度快、加速性能好、維護方便及能源獲取方便等突出優(yōu) 點，在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應用，如轉(zhuǎn)臺、工業(yè)機械手、電動汽車等。隨著相關(guān)領(lǐng)域的蓬勃 發(fā)展，工程設(shè)計的性能指標也越來越苛刻，對于電機伺服系統(tǒng)新型控制器的需求開始變得 迫切。然而電機伺服系統(tǒng)中廣泛存在諸多模型不確定性，包括參數(shù)不確定性（如負載力、隨 溫度及磨損變化的摩擦特性參數(shù)等）和不確定非線性（如非線性摩擦、非線性磁滯等），這 些都給工程設(shè)計人員帶來很大的困難，從而制約著相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。
[0003] 針對電機伺服系統(tǒng)以上諸多復雜問題，相關(guān)學者開展了大量的研究工作，也推進 著電機伺服控制技術(shù)的向前發(fā)展。自適應控制對于系統(tǒng)模型中的可參數(shù)化部分，可以有效 的估計并實現(xiàn)一定的模型補償，然而對于不可參數(shù)化部分，自適應控制無能為力，并且對于 存在較強外干擾的場合，自適應控制常常面臨發(fā)散的危險，這一定程度上限制了其在高精 度跟蹤控制場合的適用性；滑膜控制方法簡單，且對于存在有界干擾的系統(tǒng)可以實現(xiàn)漸進 的跟蹤控制，然而滑膜控制器中不連續(xù)符號函數(shù)所帶來的顫振現(xiàn)象，易導致系統(tǒng)控制性能 的衰減，且滑模控制常常以高增益反饋為代價，極易激發(fā)系統(tǒng)的高頻未建模動態(tài)，造成系統(tǒng) 失穩(wěn)，現(xiàn)有的改善滑膜抖動措施的控制方法較少且復雜；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制針對不確定非線性， 可以實現(xiàn)較好的參數(shù)化估計，并且通過回歸器的合適選取，估計誤差可任意小，然而神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)的計算量較大，與電機伺服系統(tǒng)的高響應速度特性存在沖突，導致其在實際工程的應用 出現(xiàn)瓶頸。
[0004] 對實際中時常面臨的預設(shè)性能要求，現(xiàn)有的控制方法卻較少提交。所謂預設(shè)性能 需求是指，伺服系統(tǒng)的跟蹤性能不僅需要滿足一定的穩(wěn)態(tài)指標，而且跟蹤誤差的收斂速度、 超調(diào)量等重要指標，也存在預先設(shè)定的界限。此外，伺服電機中普遍存在磁滯非線性現(xiàn)象， 雖然其對系統(tǒng)穩(wěn)定性不構(gòu)成嚴重威脅，但是卻極易導致系統(tǒng)在低頻段的相位滯后，影響控 制器的最終性能。
[0005] 總的來說，現(xiàn)有電機伺服系統(tǒng)控制技術(shù)的不足之處主要有以下幾點：（1)對于系 統(tǒng)的預設(shè)性能關(guān)注較少。當工程實際中對于系統(tǒng)存在預設(shè)性能需求時，如何在控制器設(shè)計 中融合進這些預設(shè)需求，現(xiàn)有的控制方法中也很少提及，這在一定程度上限制了現(xiàn)有控制 方法的適用性，此外系統(tǒng)運行初始時刻執(zhí)行器所表現(xiàn)出來的瞬態(tài)特性，對系統(tǒng)的后續(xù)運行 穩(wěn)定性影響很大，現(xiàn)有的電機伺服系統(tǒng)控制設(shè)計中大多只關(guān)注穩(wěn)態(tài)性能，即穩(wěn)態(tài)跟蹤精度 和穩(wěn)定性，這顯然使得控制的設(shè)計不夠充分；（2)未考慮磁滯非線性。磁滯非線性作為電機 的固有特性，在控制器設(shè)計中如果不加以考慮，卻極易導致系統(tǒng)在低頻段的相位滯后，影響 控制器的最佳性能；（3)高增益反饋。這在傳統(tǒng)滑膜控制器設(shè)計中較為明顯，以不確定項的 最大上界作為負反饋來減小跟蹤誤差，在存在設(shè)計保守性的同時，容易激發(fā)系統(tǒng)高頻未建 模動態(tài)，造成系統(tǒng)失穩(wěn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種充分考慮預設(shè)性能需求、系統(tǒng)磁 滯非線性和存在高增益反饋的含磁滯補償?shù)碾姍C伺服系統(tǒng)預設(shè)性能跟蹤控制方法。
[0007] -種含磁滯補償?shù)碾姍C伺服系統(tǒng)預設(shè)性能跟蹤控制方法，包括以下步驟：
[0008] 步驟1，建立含磁滯的電機伺服系統(tǒng)模型，具體方法為：
[0009] 步驟1. 1，建立電機伺服系統(tǒng)的動力學方程
【主權(quán)項】
1. 一種含磁滯補償?shù)碾姍C伺服系統(tǒng)預設(shè)性能跟蹤控制方法，其特征在于，包括以下步 驟： 步驟1，建立含磁滯的電機伺服系統(tǒng)模型； 步驟2,設(shè)計含磁滯補償?shù)念A設(shè)性能跟蹤控制方法； 步驟3,設(shè)計系統(tǒng)參數(shù)，滿足系統(tǒng)跟蹤誤差最小。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的含磁滯補償?shù)碾姍C伺服系統(tǒng)預設(shè)性能跟蹤控制方法，其特征 在于，步驟1中系統(tǒng)模型建立方法為： 步驟1. 1，建立電機伺服系統(tǒng)的動力學方程
公式（3)中m為慣性負載，h為電壓力矩常數(shù)，cU為未建模干擾項，y，j和夕分別為系 統(tǒng)位置、速度和加速度信號，為摩擦項，u為有效控制輸入； 公式（4)中c為磁滯特性參數(shù)，v(t)為t時刻控制器的輸出控制量，d(v)為由非線性 磁滯產(chǎn)生的有界干擾； 公式（5)中1'1，1'2，1'3為表征摩擦特性的權(quán)重因子， 81，82,83為不同摩擦部分的形狀因 子； 步驟1. 2,定義狀態(tài)變量
|則動力學方程轉(zhuǎn)化為：
公式（6)中 9 !=cki/m, 9 2 =r/m, 9 3=r2/m, 9 4=r3/m,A= (!〇)+(!" (x2)= tanh(SiX2)_tanh(s2x2)，f2 (x2) =tanh(s3x2) 〇
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的含磁滯補償?shù)碾姍C伺服系統(tǒng)預設(shè)性能跟蹤控制方法，其特征 在于，步驟2的具體過程如下： 步驟2.1，定義預設(shè)性能函數(shù)
公式（10)跟蹤誤差e=Xl-xld，xld為系統(tǒng)跟蹤的位置指令，其需滿足以下性能指標
公式（7)中j和孑為正的可設(shè)計參數(shù)，P(t)為正的遞增光滑函數(shù)， 對公式（10)求反函數(shù)可得
步驟2.2,定義輔助誤差量，則由公式（6)和公式（11)得
步驟2. 3,對公式（14)作如下改進：
? 步驟2. 4,設(shè)計控制律，確定實際控制器輸入V，控制律為：
公式（16)中\(zhòng)表示模型補償控制器，vs表示魯棒控制器，vsl為線性魯棒反饋項，vs2為 非線性魯棒反饋項：
表示系統(tǒng)各未知參數(shù)估計值，g表示參數(shù)自適應律， r表示自適應回歸參數(shù)矩陣，
表示基于指令的參數(shù)回歸 器，匕為正的反饋增益，e為可設(shè)計參數(shù)； 步驟2. 5,定義李亞普諾夫函數(shù)如下：
步驟2. 6,定義矩陣A
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的含磁滯補償?shù)碾姍C伺服系統(tǒng)預設(shè)性能跟蹤控制方法，其特征 在于，系統(tǒng)參數(shù)包括ki，k2,e，立，孑，其設(shè)計要求滿足矩陣A為正定矩陣，且跟蹤誤差e最 小。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種含磁滯補償?shù)碾姍C伺服系統(tǒng)預設(shè)性能跟蹤控制方法，包括以下步驟：步驟1，建立含磁滯的電機伺服系統(tǒng)模型；步驟2，設(shè)計含磁滯補償?shù)念A設(shè)性能跟蹤控制方法；步驟3，設(shè)計系統(tǒng)參數(shù)，滿足系統(tǒng)跟蹤誤差最小。本發(fā)明選用電機伺服系統(tǒng)作為研究對象，同時考慮了系統(tǒng)參數(shù)不確定性、非線性摩擦特性、未建模外干擾以及磁滯非線性，設(shè)計了優(yōu)良的跟蹤控制器，建立了包含線性項和有界干擾項的磁滯模型，便于進行控制器設(shè)計；且針對系統(tǒng)參數(shù)不確定性和未建模干擾項，采用自適應魯棒控制方法，實現(xiàn)了較好的參數(shù)估計和魯棒有界穩(wěn)定。
【IPC分類】G05B13-04
【公開號】CN104570733
【申請?zhí)枴緾N201410778146
【發(fā)明人】董振樂, 姚建勇, 馬大為, 胡健
【申請人】南京理工大學
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2014年12月15日