專利名稱：位置伺服系統(tǒng)與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于伺服系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制方法，用于伺服系統(tǒng)的高精度控制。

背景技術(shù)：
伺服系統(tǒng)是復(fù)雜的機(jī)電控制系統(tǒng)，其本質(zhì)可以視為一個(gè)由電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的的位置閉環(huán)控制系統(tǒng)，其在國(guó)民生產(chǎn)和國(guó)防建設(shè)中起著重要的作用。由于其在各領(lǐng)域中占有十分重要的地位，所以對(duì)其性能的要求也不斷提高，尤其在國(guó)防軍事和航空航天等尖端領(lǐng)域。從當(dāng)前國(guó)內(nèi)外伺服系統(tǒng)總的發(fā)展趨勢(shì)可以看出，“高頻響、超低速、高精度”是其主要發(fā)展方向。其中，“高頻響”是反映伺服系統(tǒng)跟蹤高頻信號(hào)的能力，即在位置指令信號(hào)不斷變化時(shí)系統(tǒng)的跟蹤能力?！俺退佟?，是反映系統(tǒng)的低速平穩(wěn)性，影響低速特性的主要因素是機(jī)械摩擦，必須采用一定的控制方法對(duì)摩擦進(jìn)行補(bǔ)償?！案呔取笔侵赶到y(tǒng)跟蹤指令信號(hào)的準(zhǔn)確程度。
存在于伺服系統(tǒng)中的機(jī)械摩擦、電路參數(shù)的飄移、軸系間的力矩耦合、環(huán)境干擾、以及軸系間的不垂直度或不交度而引起的系統(tǒng)負(fù)載力矩的不平衡、機(jī)械裝置剛度不足而引起的機(jī)械變形、負(fù)載的波動(dòng)以及電機(jī)本身的齒槽效應(yīng)等許多非線性的、不確定性等因素，給伺服系統(tǒng)的控制造成了很多困難，對(duì)系統(tǒng)的精度影響很大。因此，消除這些干擾源引起的擾動(dòng)并克服各種非線性因素對(duì)系統(tǒng)帶來(lái)的影響是實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)高精度控制的關(guān)鍵。
經(jīng)典的伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般采用傳統(tǒng)的“三環(huán)”結(jié)構(gòu)的PID控制方法(參見(jiàn)圖3)，由內(nèi)到外是電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)。電流環(huán)和速度環(huán)的作用是提高系統(tǒng)的剛度來(lái)抑制系統(tǒng)的非線性及外部擾動(dòng)，控制系統(tǒng)的精度由位置環(huán)來(lái)保證。但這種傳統(tǒng)控制方法的適應(yīng)性差，在系統(tǒng)受擾的情況下控制精度低，不適合高精度控制的場(chǎng)合。而本發(fā)明能夠很好的抑制系統(tǒng)的參數(shù)攝動(dòng)、摩擦干擾和負(fù)載變化帶來(lái)的擾動(dòng)；在對(duì)象的非線性和不確定性較強(qiáng)的情況下也可以正常運(yùn)行，極大的提高了伺服系統(tǒng)的控制精度。


發(fā)明內(nèi)容
為了提高伺服系統(tǒng)的控制精度，特別是提高伺服系統(tǒng)在存在非線性和不確定性以及系統(tǒng)的參數(shù)攝動(dòng)、摩擦干擾和負(fù)載變化等干擾情況下的控制精度，提出一種應(yīng)用于伺服系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制方法。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了對(duì)伺服系統(tǒng)的非線性補(bǔ)償和干擾抑制，提高了伺服系統(tǒng)的跟蹤精度。本發(fā)明是在傳統(tǒng)的控制方法的基礎(chǔ)上加入了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制的方法，極大的提高了系統(tǒng)的魯棒性，使系統(tǒng)對(duì)各種干擾都能夠進(jìn)行快速有效的抑制，達(dá)到極高的控制精度。并且基于Lyapunov穩(wěn)定性理論的自適應(yīng)控制算法確保了該方法的穩(wěn)定性。另外，在速度環(huán)精確參考模型的基礎(chǔ)上，位置環(huán)控制器的設(shè)計(jì)也變得非常的簡(jiǎn)單，使整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作變得相當(dāng)方便，易于在工程實(shí)際中實(shí)施。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種位置伺服系統(tǒng)，包括一個(gè)位置環(huán)控制器，用于接收一個(gè)位置誤差，并產(chǎn)生一個(gè)速度指令；一個(gè)自適應(yīng)控制器，用于接收所述速度指令、一個(gè)模型誤差和一個(gè)伺服對(duì)象速度信號(hào)，并產(chǎn)生一個(gè)自適應(yīng)控制器輸出；一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，用于接收所述伺服對(duì)象速度信號(hào)、一個(gè)控制信號(hào)和所述模型誤差，并輸出一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器輸出；一個(gè)參考模型，用于接收所述速度指令并產(chǎn)生一個(gè)參考模型輸出；一個(gè)第一加法器，用于把所述自適應(yīng)控制器輸出和所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的輸出相加，從而產(chǎn)生所述控制信號(hào)；一個(gè)伺服執(zhí)行裝置，用于在所述控制信號(hào)的控制下，進(jìn)行伺服操作；一個(gè)速度檢測(cè)裝置，用于測(cè)量所述位置伺服系統(tǒng)的伺服對(duì)象的速度，從而生成所述伺服對(duì)象速度信號(hào)；一個(gè)位置測(cè)量裝置，用于測(cè)量所述位置伺服系統(tǒng)的伺服對(duì)象的位置，并生成一個(gè)控制對(duì)象位置輸出；一個(gè)第二加法器，用于把所述所述伺服對(duì)象速度與所述參考模型輸出相減，從而生成所述模型誤差；一個(gè)第三加法器，用于把所述控制對(duì)象位置輸出和所述位置伺服系統(tǒng)所接收到的一個(gè)位置指令相減，從而生成所述位置誤差。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)進(jìn)一步的方面，上述自適應(yīng)控制器進(jìn)一步包括一個(gè)第一乘法器，用于接收所述速度指令和所述模型誤差信號(hào)，并將二者相乘；一個(gè)第一積分-放大裝置，用于把第一乘法器的輸出積分并乘以一個(gè)第一學(xué)習(xí)速率的負(fù)值，從而生成一個(gè)第一自適應(yīng)參數(shù)；一個(gè)第三乘法器，用于把所述第一自適應(yīng)參數(shù)與所述速度指令相乘；一個(gè)第二乘法器，用于接收所述伺服對(duì)象速度和所述模型誤差信號(hào)，并將二者相乘；一個(gè)第二積分-放大器，用于把第二乘法器的輸出積分并乘以一個(gè)第二學(xué)習(xí)速率，從而生成一個(gè)第二自適應(yīng)參數(shù)；一個(gè)第四乘法器，用于把所述的第二自適應(yīng)參數(shù)與所述伺服對(duì)象速度相乘；一個(gè)加法器，用于接收所述的第三和第四乘法器的輸出，并把兩者相減，作為所述自適應(yīng)控制器輸出。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)進(jìn)一步的方面，上述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器進(jìn)一步包括歸一化部分，用于對(duì)所述控制信號(hào)和所述伺服對(duì)象速度的當(dāng)前采樣時(shí)刻的值和前一采樣時(shí)刻的值進(jìn)行歸一化，得到相應(yīng)的歸一化結(jié)果；加權(quán)求和部分，用于將各所述歸一化結(jié)果乘以對(duì)應(yīng)的權(quán)值并求和，從而得到加權(quán)求和結(jié)果；輸出部分，用于將所述求和結(jié)果通過(guò)輸出函數(shù)進(jìn)行處理，而獲得并輸出所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器輸出，其中，所述權(quán)值的更新算法為其中xi為該權(quán)值的對(duì)應(yīng)輸入，γ2為一個(gè)預(yù)設(shè)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)速率。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了用于一種位置伺服系統(tǒng)的一種自適應(yīng)控制器，所述位置伺服系統(tǒng)包括一個(gè)位置環(huán)控制器，用于接收一個(gè)位置誤差，并產(chǎn)生一個(gè)速度指令；所述自適應(yīng)控制器，用于接收所述速度指令、一個(gè)模型誤差和一個(gè)伺服對(duì)象速度信號(hào)，并產(chǎn)生一個(gè)自適應(yīng)控制器輸出；一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，用于接收所述伺服對(duì)象速度信號(hào)、一個(gè)控制信號(hào)和所述模型誤差，并輸出一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器輸出；一個(gè)參考模型，用于接收所述速度指令并產(chǎn)生一個(gè)參考模型輸出；一個(gè)第一加法器，用于把所述自適應(yīng)控制器輸出和所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的輸出相加，從而產(chǎn)生所述控制信號(hào)；一個(gè)伺服執(zhí)行裝置，用于在所述控制信號(hào)的控制下，進(jìn)行伺服操作；一個(gè)速度檢測(cè)裝置，用于測(cè)量所述位置伺服系統(tǒng)的伺服對(duì)象的速度，從而生成所述伺服對(duì)象速度信號(hào)；一個(gè)位置測(cè)量裝置，用于測(cè)量所述位置伺服系統(tǒng)的伺服對(duì)象的位置，并生成一個(gè)控制對(duì)象位置輸出；一個(gè)第二加法器，用于把所述所述伺服對(duì)象速度與所述參考模型輸出相減，從而生成所述模型誤差；一個(gè)第三加法器，用于把所述控制對(duì)象位置輸出和所述位置伺服系統(tǒng)所接收到的一個(gè)位置指令相減，從而生成所述位置誤差，其特征在于所述自適應(yīng)控制器進(jìn)一步包括一個(gè)第一乘法器，用于接收所述速度指令和所述模型誤差信號(hào)，并將二者相乘；一個(gè)第一積分-放大裝置，用于把第一乘法器的輸出積分并乘以一個(gè)第一學(xué)習(xí)速率的負(fù)值，從而生成一個(gè)第一自適應(yīng)參數(shù)；一個(gè)第三乘法器，用于把所述第一自適應(yīng)參數(shù)與所述速度指令相乘；一個(gè)第二乘法器，用于接收所述伺服對(duì)象速度和所述模型誤差信號(hào)，并將二者相乘；一個(gè)第二積分-放大器，用于把第二乘法器的輸出積分并乘以一個(gè)第二學(xué)習(xí)速率，從而生成一個(gè)第二自適應(yīng)參數(shù)；一個(gè)第四乘法器，用于把所述的第二自適應(yīng)參數(shù)與所述伺服對(duì)象速度相乘；一個(gè)加法器，用于接收所述的第三和第四乘法器的輸出，并把兩者相減，作為所述自適應(yīng)控制器輸出。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種位置伺服方法，包括用一個(gè)位置環(huán)控制器接收一個(gè)位置誤差并產(chǎn)生一個(gè)速度指令；用一個(gè)自適應(yīng)控制器接收所述速度指令、一個(gè)模型誤差和一個(gè)伺服對(duì)象速度信號(hào)，并產(chǎn)生一個(gè)自適應(yīng)控制器輸出；用一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，用于接收所述伺服對(duì)象速度信號(hào)、一個(gè)控制信號(hào)和所述模型誤差，并輸出一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器輸出；用一個(gè)參考模型接收所述速度指令并產(chǎn)生一個(gè)參考模型輸出；用一個(gè)第一加法器，把所述自適應(yīng)控制器輸出和所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的輸出相加，從而產(chǎn)生所述控制信號(hào)；借助一個(gè)伺服執(zhí)行裝置，在所述控制信號(hào)的控制下，進(jìn)行伺服操作；借助一個(gè)速度檢測(cè)裝置，測(cè)量所述位置伺服系統(tǒng)的伺服對(duì)象的速度，從而生成所述伺服對(duì)象速度信號(hào)；借助一個(gè)位置測(cè)量裝置，測(cè)量所述位置伺服系統(tǒng)的伺服對(duì)象的位置，并生成一個(gè)控制對(duì)象位置輸出；在一個(gè)第二加法器，把所述所述伺服對(duì)象速度與所述參考模型輸出相減，從而生成所述模型誤差；在一個(gè)第三加法器，把所述控制對(duì)象位置輸出和所述位置伺服系統(tǒng)所接收到的一個(gè)位置指令相減，從而生成所述位置誤差。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)進(jìn)一步的方面，上述用所述自適應(yīng)控制器產(chǎn)生一個(gè)自適應(yīng)控制器輸出的所述步驟進(jìn)一步包括在一個(gè)第一乘法器，把所述速度指令和所述模型誤差信號(hào)相乘；在一個(gè)第一積分-放大裝置，把第一乘法器的輸出積分并乘以一個(gè)第一學(xué)習(xí)速率的負(fù)值，從而生成一個(gè)第一自適應(yīng)參數(shù)；在一個(gè)第三乘法器，把所述第一自適應(yīng)參數(shù)與所述速度指令相乘；在一個(gè)第二乘法器，把所述伺服對(duì)象速度和所述模型誤差信號(hào)相乘；在一個(gè)第二積分-放大器，把第二乘法器的輸出積分并乘以一個(gè)第二學(xué)習(xí)速率，從而生成一個(gè)第二自適應(yīng)參數(shù)；在一個(gè)第四乘法器，把所述的第二自適應(yīng)參數(shù)與所述伺服對(duì)象速度相乘；在一個(gè)加法器，把所述的第三和第四乘法器的輸出相減，并將相減的結(jié)果作為所述自適應(yīng)控制器輸出。



圖1是本發(fā)明的自適應(yīng)控制器的詳細(xì)結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的位置伺服系統(tǒng)的示意圖； 圖3是傳統(tǒng)的“三環(huán)”結(jié)構(gòu)的經(jīng)典伺服系統(tǒng)的示意圖； 圖4是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的位置伺服系統(tǒng)的示意圖； 圖5是圖4所示的實(shí)施例的系統(tǒng)框圖； 圖6用于說(shuō)明圖2、4、5中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)； 圖7和8用于比較本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例的效果對(duì)比。

具體實(shí)施例方式 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的伺服系統(tǒng)控制器的理論結(jié)構(gòu)如圖4所示。系統(tǒng)由位置閉環(huán)和位置閉環(huán)內(nèi)部的模型參考自適應(yīng)控制結(jié)構(gòu)組成，圖5是系統(tǒng)框圖。圖4、圖5中編號(hào)部分是對(duì)應(yīng)的?，F(xiàn)分別介紹組成系統(tǒng)的幾個(gè)模塊 1)位置環(huán)控制器 圖4、圖5中編號(hào)1的模塊為位置環(huán)控制器。位置環(huán)控制器的輸入為位置指令和位置輸出的差值，其輸出為速度環(huán)指令。多種類型的控制器可以作為位置環(huán)控制器在此處使用，例如PID控制器(比例、積分、微分控制器)和P控制器(比例控制器)，但不僅限于這兩種控制器。在本方案中推薦選用簡(jiǎn)單的P控制器，其輸入輸出關(guān)系可以寫為r＝Kp(θd-θ)，Kp為人為選定的常數(shù)。該控制器可以由計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)，也可以用硬件電路實(shí)現(xiàn)。
2)被控對(duì)象模塊 圖4、圖5中編號(hào)為2的模塊為系統(tǒng)的被控對(duì)象，即整個(gè)控制系統(tǒng)的控制對(duì)象。伺服系統(tǒng)的被控對(duì)象通常為電機(jī)，以及用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率放大器裝置，同時(shí)還可以包含有通過(guò)某種形式構(gòu)成的電流環(huán)。圖4中所示為該模塊的一種可能的結(jié)構(gòu)，但不僅限于這種結(jié)構(gòu)。該模塊輸入為控制器輸出u，輸出為電機(jī)轉(zhuǎn)速ω。其輸入輸出關(guān)系可由下列微分方程描述 其中J、B表示電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和粘性摩擦系數(shù)。Td表示等效干擾轉(zhuǎn)矩，例如摩擦力矩、由于機(jī)械形變?cè)诙鴤鲃?dòng)軸上產(chǎn)生的彈性力矩等。ia，ua，La分別表示電樞電流，電樞電壓和電樞電感。K表示力矩系數(shù)。Km為功率放大裝置的放大系數(shù)。
3)輸出模塊 圖4、圖5中編號(hào)為3的模塊為系統(tǒng)的輸出模塊，這是一個(gè)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。其作用為將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為其他種類的運(yùn)動(dòng)形式，實(shí)現(xiàn)伺服運(yùn)動(dòng)。通常情況下，這個(gè)模塊的輸入為被控對(duì)象模塊的輸出，輸出為伺服運(yùn)動(dòng)的線位移或角位移。
4)參考模型模塊 圖4、圖5中編號(hào)為4的部分是系統(tǒng)的參考模型模塊，可以通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)，也可以利用硬件電路實(shí)現(xiàn)。該模塊的輸入為位置環(huán)控制器的輸出，其輸出為參考模型輸出。這個(gè)模塊的輸入輸出關(guān)系為這個(gè)關(guān)系是按照理想的直流電機(jī)模型擬定的。其目的在于提供一個(gè)參考的對(duì)象給控制器，自適應(yīng)控制器和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器將以此為標(biāo)準(zhǔn)，有目的的調(diào)整系統(tǒng)，使速度輸出信號(hào)與參考模型輸出一致。式中ωm是參考模型的輸出。am和bm是模型參數(shù)，可以利用常用的系統(tǒng)辨識(shí)的方法測(cè)得。本發(fā)明的特點(diǎn)在于不需要被控對(duì)象的精確模型，常用的簡(jiǎn)單的辨識(shí)方法測(cè)得的對(duì)象模型就可以在系統(tǒng)中使用，這是本方法與其他模型參考方法的重要區(qū)別。
5)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器模塊 圖4、圖5中編號(hào)為5的部分是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器模塊，其具體結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖6，在系統(tǒng)中用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)，也可以用硬件電路實(shí)現(xiàn)。該模塊的輸入為控制信號(hào)u，速度輸出ω和模型誤差eω，輸出為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器輸出un。
如圖6所示，在本發(fā)明的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器中，首先對(duì)u，ω的當(dāng)前采樣時(shí)刻的值(uk，ωk)和前一采樣時(shí)刻的值(uk-1，ωk-1)進(jìn)行歸一化，得到

歸一化方法可以使用常用的各種歸一化方法，這里推薦使用的歸一化方法是用某輸入的當(dāng)前值除以該輸入歷史峰值的絕對(duì)值。例如，其中 umax＝max{u1，u2，…，uk}。然后將歸一化后的各輸入乘以對(duì)應(yīng)的權(quán)值并求和，為得到

后再通過(guò)輸出函數(shù)輸出，這里推薦的輸出函數(shù)為其他類型的輸出函數(shù)也是可以使用。f(S)是該模塊的最終輸出值。其中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值w1，w2，w3，w4的更新算法為 其中γ2為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)速率，這個(gè)數(shù)值可以根據(jù)系統(tǒng)的不同做人為的調(diào)整。
以上描述的只是多種適合于本發(fā)明的幾種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的一種，常用的小腦模型人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，徑向基函數(shù)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等幾種網(wǎng)絡(luò)也可以用做本發(fā)明中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
6)自適應(yīng)控制器模塊 圖4、圖5中編號(hào)為6的部分為自適應(yīng)控制器模塊，可以由計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)也可用硬件實(shí)現(xiàn)。該模塊的輸入為速度指令r，速度輸出ω和模型誤差eω，輸出為自適應(yīng)控制器輸出u1。為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定，根據(jù)理論推導(dǎo)(詳見(jiàn)下文)，本模塊的輸入輸出之間有如下關(guān)系其中，γ11和γ12為人為選取的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)速率。
圖2顯示了本發(fā)明的另一種實(shí)施方式。與圖4和5所示的實(shí)施方式相比，圖2所示的實(shí)施方式?jīng)]有閉合的電流環(huán)(即沒(méi)有“電流反饋”部分)，而且圖2中顯示了速度檢測(cè)裝置208和位置檢測(cè)裝置209。圖2與圖4中相對(duì)應(yīng)的部分均相同，因而不再對(duì)它們做重復(fù)說(shuō)明。
圖1顯示了圖2、4、5中的自適應(yīng)控制器的結(jié)構(gòu)。如圖1所示，該自適應(yīng)控制器進(jìn)一步包括第一乘法器101，用于接收所述速度指令r和模型誤差信號(hào)eω，并將二者相乘；第一積分-放大裝置102，用于把第一乘法器的輸出積分并乘以一個(gè)第一學(xué)習(xí)速率γ11的負(fù)值，從而生成一個(gè)第一自適應(yīng)參數(shù)θ1；第三乘法器103，用于把第一自適應(yīng)參數(shù)θ1與速度指令r相乘；第二乘法器104，用于接收伺服對(duì)象速度ω和模型誤差信號(hào)eω，并將二者相乘；第二積分-放大器105，用于把第二乘法器的輸出積分并乘以一個(gè)第二學(xué)習(xí)速率γ12，從而生成一個(gè)第二自適應(yīng)參數(shù)θ2；第四乘法器106，用于把第二自適應(yīng)參數(shù)θ2與伺服對(duì)象速度ω相乘；加法器107，用于接收第三和第四乘法器的輸出，并把兩者相減，作為自適應(yīng)控制器輸出。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制器設(shè)計(jì)的理論依據(jù) 控制系統(tǒng)除了精度要求之外，另外一個(gè)很重要的要求是系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求。要實(shí)現(xiàn)一個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)控制，就必須保證系統(tǒng)的穩(wěn)定。反之，一個(gè)不穩(wěn)定的系統(tǒng)在實(shí)際生產(chǎn)中可能發(fā)生的失控情況將是不可接受的。實(shí)際生產(chǎn)中一旦發(fā)生系統(tǒng)失控，通常會(huì)造成財(cái)產(chǎn)損失，有時(shí)甚至是人員傷亡。因而，系統(tǒng)穩(wěn)定性的分析或證明是一個(gè)完善的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的不可缺的組成部分。
本發(fā)明有著堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和嚴(yán)格的穩(wěn)定性證明，這可以確保本發(fā)明能夠很好很安全的應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。以下是本發(fā)明的理論依據(jù) 伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性可以由以下方程描述 θ＝∫ωdt (3) 其中J、B表示電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和粘性摩擦系數(shù)。ω表示電機(jī)的角速。Td表示等效干擾轉(zhuǎn)矩，例如摩擦力矩、由于機(jī)械形變?cè)诙鴤鲃?dòng)軸上產(chǎn)生的彈性力矩等。ia，ua，La分別表示電樞電流，電樞電壓和電樞電感。K表示力矩系數(shù)。θ是電機(jī)轉(zhuǎn)角的角位置。由于電樞電感很小，即La≈0，在實(shí)際中通常將其忽略。從等式(1)到(3)可以得到以下動(dòng)態(tài)方程， 令 那么等式(1)可以重新寫成 進(jìn)一步，令 可以得到 根據(jù)上式可以選擇速度環(huán)參考模型如下 其中，am，bm是根據(jù)最小二乘算法測(cè)得的電機(jī)模型估計(jì)參數(shù)。
定義模型誤差eω＝ω-ωm. 定義控制器結(jié)構(gòu)如下， u＝u1+un(9) 其中u1＝θ1r-θ2ω為自適應(yīng)控制器的輸出，un是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的輸出。
定義，un＝WTX，un*＝W*TX，W是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值向量，X是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，un*是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化輸出，W*是優(yōu)化權(quán)值向量。那么根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的逼近定理有max|un*-udr|＜ε，其中ε是一個(gè)給定的任意小的正常數(shù)，定義 那么模型誤差對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)為， 從上式可以得到，當(dāng)a+bθ2-am，bθ1-bm，

bun**-udr為零時(shí)，模型誤差eω按指數(shù)收斂到零 定義Lyapunov函數(shù)如下， 當(dāng)趨近于零時(shí)，V趨近于零。V對(duì)時(shí)間t的導(dǎo)數(shù)為 從等式(2)和(3)，可以得到 根據(jù)Lyapunov穩(wěn)定性理論，當(dāng)



bun*-udr為零時(shí)，有系統(tǒng)可以保證穩(wěn)定。
因此可以選取MRAC更新算法，如下 選取神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器權(quán)值更新算法， 其中，γ11，γ12，γ2是人工選定的學(xué)習(xí)速率，將(5)，(6)帶入(4)有， 當(dāng)時(shí)，保證了速度環(huán)的穩(wěn)定性。
由以上分析推導(dǎo)，速度環(huán)的實(shí)際動(dòng)態(tài)特性將跟蹤參考模型的動(dòng)態(tài)特性。位置環(huán)控制器可以按照速度環(huán)參考模型來(lái)設(shè)計(jì)。這樣，很容易保證整個(gè)位置閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
本發(fā)明利用自適應(yīng)算法可以在線、實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)參數(shù)的特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)參數(shù)數(shù)值的改變達(dá)到對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定控制的目的。同時(shí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法具有較快的收斂速度、能夠逼近復(fù)雜的非線性函數(shù)和自學(xué)習(xí)能力等特點(diǎn)，分布并行處理，非線性映射，魯棒容錯(cuò)和泛化能力強(qiáng)等特性，使得它在學(xué)習(xí)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了對(duì)伺服系統(tǒng)的噪聲抑制作用及非線性補(bǔ)償。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于 采用自適應(yīng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的控制方法，有效地克服了非線性誤差對(duì)伺服系統(tǒng)控制精度的影響。
本發(fā)明采用自適應(yīng)算法，可在線調(diào)節(jié)參數(shù)控制系統(tǒng)，具有操作簡(jiǎn)單，成本低廉的特點(diǎn)。
本發(fā)明對(duì)伺服系統(tǒng)的控制不需要建立在對(duì)象精確建模的基礎(chǔ)上，節(jié)省了建模的費(fèi)用。
本發(fā)明說(shuō)明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。
實(shí)施實(shí)例 本實(shí)施例中各模塊中的參數(shù)分別為am＝150，bm＝1000，γ11＝5，γ12＝5，γ2＝1，Kp＝1。位置指令θd為幅值為0.5°，頻率為3Hz的正弦信號(hào)。
圖7、圖8給出了采用本發(fā)明前后在位置誤差的實(shí)驗(yàn)曲線圖。
圖7為未采用本發(fā)明的位置跟蹤誤差曲線，橫坐標(biāo)為時(shí)間t(單位s)，縱坐標(biāo)為位置誤差eθ(單位度)。
圖8為采用本發(fā)明的位置跟蹤誤差曲線，橫坐標(biāo)為時(shí)間t(單位s)，縱坐標(biāo)為位置誤差eθ(單位度)。
通過(guò)對(duì)比圖7、圖8可以看出，采用本發(fā)明后系統(tǒng)的位置誤差小于未采用本發(fā)明時(shí)系統(tǒng)位置誤差的一半。本發(fā)明在抑制噪聲干擾、非線性方面也有著很好的效果， 從圖7、圖8可以看出，伺服系統(tǒng)受到的摩擦等擾動(dòng)以及上文提及的其他非線性，不確定性因素都可以被本發(fā)明有效的抑制，從而得到很高的控制精度。
權(quán)利要求
1、一種位置伺服系統(tǒng)，包括
一個(gè)位置環(huán)控制器(1，201)，用于接收一個(gè)位置誤差，并產(chǎn)生一個(gè)速度指令(r)；
一個(gè)自適應(yīng)控制器(6，202)，用于接收所述速度指令(r)、一個(gè)模型誤差(eω)和一個(gè)伺服對(duì)象速度信號(hào)(ω)，并產(chǎn)生一個(gè)自適應(yīng)控制器輸出；
一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器(5，203)，用于接收所述伺服對(duì)象速度信號(hào)(ω)、一個(gè)控制信號(hào)(u)和所述模型誤差(eω)，并輸出一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器輸出(un)；
一個(gè)參考模型(4，204)，用于接收所述速度指令(r)并產(chǎn)生一個(gè)參考模型輸出(ωm)；
一個(gè)第一加法器(205)，用于把所述自適應(yīng)控制器輸出和所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的輸出相加，從而產(chǎn)生所述控制信號(hào)(u)；
一個(gè)伺服執(zhí)行裝置(207)，用于在所述控制信號(hào)(u)的控制下，進(jìn)行伺服操作；
一個(gè)速度檢測(cè)裝置(208)，用于測(cè)量所述位置伺服系統(tǒng)的伺服對(duì)象的速度，從而生成所述伺服對(duì)象速度信號(hào)(ω)；
一個(gè)位置測(cè)量裝置(209)，用于測(cè)量所述位置伺服系統(tǒng)的伺服對(duì)象的位置，并生成一個(gè)控制對(duì)象位置輸出；
一個(gè)第二加法器(210)，用于把所述伺服對(duì)象速度(ω)與所述參考模型輸出(ωm)相減，從而生成所述模型誤差(eω)；
一個(gè)第三加法器(211)，用于把所述控制對(duì)象位置輸出和所述位置伺服系統(tǒng)所接收到的一個(gè)位置指令相減，從而生成所述位置誤差。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的位置伺服系統(tǒng)，其特征在于所述自適應(yīng)控制器進(jìn)一步包括
一個(gè)第一乘法器(101)，用于接收所述速度指令(r)和所述模型誤差信號(hào)(eω)，并將二者相乘；
一個(gè)第一積分-放大裝置(102)，用于把第一乘法器的輸出積分并乘以一個(gè)第一學(xué)習(xí)速率(γ11)的負(fù)值，從而生成一個(gè)第一自適應(yīng)參數(shù)(θ1)；
一個(gè)第三乘法器(103)，用于把所述第一自適應(yīng)參數(shù)(θ1)與所述速度指令(r)相乘；
一個(gè)第二乘法器(104)，用于接收所述伺服對(duì)象速度(ω)和所述模型誤差信號(hào)(eω)，并將二者相乘；
一個(gè)第二積分-放大器(105)，用于把第二乘法器的輸出積分并乘以一個(gè)第二學(xué)習(xí)速率(γ12)，從而生成一個(gè)第二自適應(yīng)參數(shù)(θ2)；
一個(gè)第四乘法器(106)，用于把所述的第二自適應(yīng)參數(shù)(θ2)與所述伺服對(duì)象速度(ω)相乘；
一個(gè)加法器(107)，用于接收所述的第三和第四乘法器的輸出，并把兩者相減，作為所述自適應(yīng)控制器輸出。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的位置伺服系統(tǒng)，其特征在于所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器進(jìn)一步包括
歸一化部分，用于對(duì)所述控制信號(hào)(u)和所述伺服對(duì)象速度(ω)的當(dāng)前采樣時(shí)刻的值(uk，ωk)和前一采樣時(shí)刻的值(uk-1，ωk-1)進(jìn)行歸一化，得到相應(yīng)的歸一化結(jié)果
加權(quán)求和部分，用于將各所述歸一化結(jié)果乘以對(duì)應(yīng)的權(quán)值(w1，w2，w3，w4)并求和，從而得到加權(quán)求和結(jié)果
輸出部分，用于將所述求和結(jié)果(S)通過(guò)輸出函數(shù)進(jìn)行處理，而獲得并輸出所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器輸出(f(S))，
其中，所述權(quán)值(w1，w2，w3，w4)的更新算法為其中
xi為該權(quán)值的對(duì)應(yīng)輸入，
γ2為一個(gè)預(yù)設(shè)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)速率。
4、用于一種位置伺服系統(tǒng)的一種自適應(yīng)控制器(6，202)，所述位置伺服系統(tǒng)包括
一個(gè)位置環(huán)控制器(1，201)，用于接收一個(gè)位置誤差，并產(chǎn)生一個(gè)速度指令(r)；
所述自適應(yīng)控制器(6，202)，用于接收所述速度指令(r)、一個(gè)模型誤差(eω)和一個(gè)伺服對(duì)象速度信號(hào)(ω)，并產(chǎn)生一個(gè)自適應(yīng)控制器輸出；
一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器(5，203)，用于接收所述伺服對(duì)象速度信號(hào)(ω)、一個(gè)控制信號(hào)(u)和所述模型誤差(eω)，并輸出一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器輸出；
一個(gè)參考模型(4，204)，用于接收所述速度指令(r)并產(chǎn)生一個(gè)參考模型輸出(ωm)；
一個(gè)第一加法器(205)，用于把所述自適應(yīng)控制器輸出和所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的輸出相加，從而產(chǎn)生所述控制信號(hào)(u)；
一個(gè)伺服執(zhí)行裝置(207)，用于在所述控制信號(hào)(u)的控制下，進(jìn)行伺服操作；
一個(gè)速度檢測(cè)裝置，用于測(cè)量所述位置伺服系統(tǒng)的伺服對(duì)象的速度，從而生成所述伺服對(duì)象速度信號(hào)(ω)；
一個(gè)位置測(cè)量裝置，用于測(cè)量所述位置伺服系統(tǒng)的伺服對(duì)象的位置，并生成一個(gè)控制對(duì)象位置輸出；
一個(gè)第二加法器(210)，用于把所述所述伺服對(duì)象速度(ω)與所述參考模型輸出(ωm)相減，從而生成所述模型誤差(eω)；
一個(gè)第三加法器(211)，用于把所述控制對(duì)象位置輸出和所述位置伺服系統(tǒng)所接收到的一個(gè)位置指令相減，從而生成所述位置誤差，
其特征在于所述自適應(yīng)控制器進(jìn)一步包括
一個(gè)第一乘法器(101)，用于接收所述速度指令(r)和所述模型誤差信號(hào)(eω)，并將二者相乘；
一個(gè)第一積分-放大裝置(102)，用于把第一乘法器的輸出積分并乘以一個(gè)第一學(xué)習(xí)速率(γ11)的負(fù)值，從而生成一個(gè)第一自適應(yīng)參數(shù)(θ1)；
一個(gè)第三乘法器(103)，用于把所述第一自適應(yīng)參數(shù)(θ1)與所述速度指令(r)相乘；
一個(gè)第二乘法器(104)，用于接收所述伺服對(duì)象速度(ω)和所述模型誤差信號(hào)(eω)，并將二者相乘；
一個(gè)第二積分-放大器(105)，用于把第二乘法器的輸出積分并乘以一個(gè)第二學(xué)習(xí)速率(γ12)，從而生成一個(gè)第二自適應(yīng)參數(shù)(θ2)；
一個(gè)第四乘法器(106)，用于把所述的第二自適應(yīng)參數(shù)(θ2)與所述伺服對(duì)象速度(ω)相乘；
一個(gè)加法器(107)，用于接收所述的第三和第四乘法器的輸出，并把兩者相減，作為所述自適應(yīng)控制器輸出。
5、根據(jù)權(quán)利要求4所述的自適應(yīng)控制器，其中所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器進(jìn)一步包括
歸一化部分，用于對(duì)所述控制信號(hào)(u)和所述伺服對(duì)象速度(ω)的當(dāng)前采樣時(shí)刻的值(uk，ωk)和前一采樣時(shí)刻的值(uk-1，ωk-1)進(jìn)行歸一化，得到相應(yīng)的歸一化結(jié)果
加權(quán)求和部分，用于將各所述歸一化結(jié)果乘以對(duì)應(yīng)的權(quán)值(w1，w2，w3，w4)并求和，從而得到加權(quán)求和結(jié)果
輸出部分，用于將所述求和結(jié)果(S)通過(guò)輸出函數(shù)進(jìn)行處理，而獲得并輸出所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器輸出(f(S))，
其中，所述權(quán)值(w1，w2，w3，w4)的更新算法為其中
xi為該權(quán)值的對(duì)應(yīng)輸入，
γ2為一個(gè)預(yù)設(shè)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)速率。
6、一種位置伺服方法，包括
用一個(gè)位置環(huán)控制器(1，201)接收一個(gè)位置誤差并產(chǎn)生一個(gè)速度指令(r)；
用一個(gè)自適應(yīng)控制器(6，202)接收所述速度指令(r)、一個(gè)模型誤差(eω)和一個(gè)伺服對(duì)象速度信號(hào)(ω)，并產(chǎn)生一個(gè)自適應(yīng)控制器輸出；
用一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器(5，203)，用于接收所述伺服對(duì)象速度信號(hào)(ω)、一個(gè)控制信號(hào)(u)和所述模型誤差(eω)，并輸出一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器輸出；
用一個(gè)參考模型(4，204)接收所述速度指令(r)并產(chǎn)生一個(gè)參考模型輸出(ωm)；
用一個(gè)第一加法器(205)，把所述自適應(yīng)控制器輸出和所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的輸出相加，從而產(chǎn)生所述控制信號(hào)(u)；
借助一個(gè)伺服執(zhí)行裝置(207)，在所述控制信號(hào)(u)的控制下，進(jìn)行伺服操作；
借助一個(gè)速度檢測(cè)裝置(208)，測(cè)量所述位置伺服系統(tǒng)的伺服對(duì)象的速度，從而生成所述伺服對(duì)象速度信號(hào)(ω)；
借助一個(gè)位置測(cè)量裝置(209)，測(cè)量所述位置伺服系統(tǒng)的伺服對(duì)象的位置，并生成一個(gè)控制對(duì)象位置輸出；
在一個(gè)第二加法器(210)，把所述所述伺服對(duì)象速度(ω)與所述參考模型輸出(ωm)相減，從而生成所述模型誤差(eω)；
在一個(gè)第三加法器(211)，把所述控制對(duì)象位置輸出和所述位置伺服系統(tǒng)所接收到的一個(gè)位置指令相減，從而生成所述位置誤差。
7、根據(jù)權(quán)利要求6所述的位置伺服方法，其特征在于用所述自適應(yīng)控制器(6，202)產(chǎn)生一個(gè)自適應(yīng)控制器輸出的所述步驟進(jìn)一步包括
在一個(gè)第一乘法器(101)，把所述速度指令(r)和所述模型誤差信號(hào)(eω)相乘；
在一個(gè)第一積分-放大裝置(102)，把第一乘法器的輸出積分并乘以一個(gè)第一學(xué)習(xí)速率(γ11)的負(fù)值，從而生成一個(gè)第一自適應(yīng)參數(shù)(θ1)；
在一個(gè)第三乘法器(103)，把所述第一自適應(yīng)參數(shù)(θ1)與所述速度指令(r)相乘；
在一個(gè)第二乘法器(104)，把所述伺服對(duì)象速度(ω)和所述模型誤差信號(hào)(eω)相乘；
在一個(gè)第二積分-放大器(105)，把第二乘法器的輸出積分并乘以一個(gè)第二學(xué)習(xí)速率(γ12)，從而生成一個(gè)第二自適應(yīng)參數(shù)(θ2)；
在一個(gè)第四乘法器(106)，把所述的第二自適應(yīng)參數(shù)(θ2)與所述伺服對(duì)象速度(ω)相乘；
在一個(gè)加法器(107)，把所述的第三和第四乘法器的輸出相減，并將相減的結(jié)果作為所述自適應(yīng)控制器輸出。
8、根據(jù)權(quán)利要求6所述的位置伺服系統(tǒng)，其特征在于用所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器接收所述伺服對(duì)象速度信號(hào)(ω)、控制信號(hào)(u)和模型誤差(eω)并輸出所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器輸出的所述步驟進(jìn)一步包括
歸一化部分步驟，其對(duì)所述控制信號(hào)(u)和所述伺服對(duì)象速度(ω)的當(dāng)前采樣時(shí)刻的值(uk，ωk)和前一采樣時(shí)刻的值(uk-1，ωk-1)進(jìn)行歸一化，得到相應(yīng)的歸一化結(jié)果
加權(quán)求和步驟，其將各所述歸一化結(jié)果乘以對(duì)應(yīng)的權(quán)值(w1，w2，w3，w4)并求和，從而得到加權(quán)求和結(jié)果
輸出步驟，用于將所述求和結(jié)果(S)通過(guò)輸出函數(shù)進(jìn)行處理，而獲得并輸出所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器輸出(f(S))，
其中，所述權(quán)值(w1，w2，w3，w4)的更新算法為其中
xi為該權(quán)值的對(duì)應(yīng)輸入，
γ2為一個(gè)預(yù)設(shè)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)速率。
全文摘要
本發(fā)明是為了提高伺服系統(tǒng)的控制精度提出一種應(yīng)用于伺服系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)伺服系統(tǒng)的非線性補(bǔ)償和干擾抑制，提高了伺服系統(tǒng)的跟蹤精度。本發(fā)明主要包括參考模型，自適應(yīng)控制器和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器三個(gè)部分。另外，在速度環(huán)精確參考模型的基礎(chǔ)上，位置環(huán)控制器的設(shè)計(jì)也變得非常簡(jiǎn)單，使整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作變得相當(dāng)方便，易于在工程中實(shí)施。
文檔編號(hào)G05D3/12GK101571705SQ20081010542
公開日2009年11月4日 申請(qǐng)日期2008年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月29日
發(fā)明者扈宏杰, 博 趙, 李德地 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)