一種含磁滯補(bǔ)償?shù)碾姍C(jī)伺服系統(tǒng)預(yù)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(bǔ)償?shù)碾姍C(jī)伺服系統(tǒng)預(yù)設(shè)性能跟蹤 控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 電機(jī)伺服系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、加速性能好、維護(hù)方便及能源獲取方便等突出優(yōu) 點(diǎn)，在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，如轉(zhuǎn)臺(tái)、工業(yè)機(jī)械手、電動(dòng)汽車等。隨著相關(guān)領(lǐng)域的蓬勃 發(fā)展，工程設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)也越來(lái)越苛刻，對(duì)于電機(jī)伺服系統(tǒng)新型控制器的需求開(kāi)始變得 迫切。然而電機(jī)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(fù)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(jì)人員帶來(lái)很大的困難，從而制約著相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。
[0003] 針對(duì)電機(jī)伺服系統(tǒng)以上諸多復(fù)雜問(wèn)題，相關(guān)學(xué)者開(kāi)展了大量的研究工作，也推進(jìn) 著電機(jī)伺服控制技術(shù)的向前發(fā)展。自適應(yīng)控制對(duì)于系統(tǒng)模型中的可參數(shù)化部分，可以有效 的估計(jì)并實(shí)現(xiàn)一定的模型補(bǔ)償，然而對(duì)于不可參數(shù)化部分，自適應(yīng)控制無(wú)能為力，并且對(duì)于 存在較強(qiáng)外干擾的場(chǎng)合，自適應(yīng)控制常常面臨發(fā)散的危險(xiǎn)，這一定程度上限制了其在高精 度跟蹤控制場(chǎng)合的適用性；滑膜控制方法簡(jiǎn)單，且對(duì)于存在有界干擾的系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)漸進(jìn) 的跟蹤控制，然而滑膜控制器中不連續(xù)符號(hào)函數(shù)所帶來(lái)的顫振現(xiàn)象，易導(dǎo)致系統(tǒng)控制性能 的衰減，且滑?？刂瞥３Ｒ愿咴鲆娣答仦榇鷥r(jià)，極易激發(fā)系統(tǒng)的高頻未建模動(dòng)態(tài)，造成系統(tǒng) 失穩(wěn)，現(xiàn)有的改善滑膜抖動(dòng)措施的控制方法較少且復(fù)雜；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制針對(duì)不確定非線性， 可以實(shí)現(xiàn)較好的參數(shù)化估計(jì)，并且通過(guò)回歸器的合適選取，估計(jì)誤差可任意小，然而神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)的計(jì)算量較大，與電機(jī)伺服系統(tǒng)的高響應(yīng)速度特性存在沖突，導(dǎo)致其在實(shí)際工程的應(yīng)用 出現(xiàn)瓶頸。
[0004] 對(duì)實(shí)際中時(shí)常面臨的預(yù)設(shè)性能要求，現(xiàn)有的控制方法卻較少提交。所謂預(yù)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(biāo)，而且跟蹤誤差的收斂速度、 超調(diào)量等重要指標(biāo)，也存在預(yù)先設(shè)定的界限。此外，伺服電機(jī)中普遍存在磁滯非線性現(xiàn)象， 雖然其對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性不構(gòu)成嚴(yán)重威脅，但是卻極易導(dǎo)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(lái)說(shuō)，現(xiàn)有電機(jī)伺服系統(tǒng)控制技術(shù)的不足之處主要有以下幾點(diǎn)：（1)對(duì)于系 統(tǒng)的預(yù)設(shè)性能關(guān)注較少。當(dāng)工程實(shí)際中對(duì)于系統(tǒng)存在預(yù)設(shè)性能需求時(shí)，如何在控制器設(shè)計(jì) 中融合進(jìn)這些預(yù)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(yùn)行初始時(shí)刻執(zhí)行器所表現(xiàn)出來(lái)的瞬態(tài)特性，對(duì)系統(tǒng)的后續(xù)運(yùn)行 穩(wěn)定性影響很大，現(xiàn)有的電機(jī)伺服系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)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(jì)不夠充分；（2)未考慮磁滯非線性。磁滯非線性作為電機(jī) 的固有特性，在控制器設(shè)計(jì)中如果不加以考慮，卻極易導(dǎo)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(jì)中較為明顯，以不確定項(xiàng)的 最大上界作為負(fù)反饋來(lái)減小跟蹤誤差，在存在設(shè)計(jì)保守性的同時(shí)，容易激發(fā)系統(tǒng)高頻未建 模動(dòng)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(wèn)題，本發(fā)明提供一種充分考慮預(yù)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(bǔ)償?shù)碾姍C(jī)伺服系統(tǒng)預(yù)設(shè)性能跟蹤控制方法。
[0007] -種含磁滯補(bǔ)償?shù)碾姍C(jī)伺服系統(tǒng)預(yù)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(jī)伺服系統(tǒng)模型，具體方法為：
[0009] 步驟1. 1，建立電機(jī)伺服系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種含磁滯補(bǔ)償?shù)碾姍C(jī)伺服系統(tǒng)預(yù)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(jī)伺服系統(tǒng)模型； 步驟2,設(shè)計(jì)含磁滯補(bǔ)償?shù)念A(yù)設(shè)性能跟蹤控制方法； 步驟3,設(shè)計(jì)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(bǔ)償?shù)碾姍C(jī)伺服系統(tǒng)預(yù)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(jī)伺服系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程
公式（3)中m為慣性負(fù)載，h為電壓力矩常數(shù)，cU為未建模干擾項(xiàng)，y，j和夕分別為系 統(tǒng)位置、速度和加速度信號(hào)，為摩擦項(xiàng)，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(shí)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(dòng)力學(xué)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(bǔ)償?shù)碾姍C(jī)伺服系統(tǒng)預(yù)設(shè)性能跟蹤控制方法，其特征 在于，步驟2的具體過(guò)程如下： 步驟2.1，定義預(yù)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(biāo)
公式（7)中j和孑為正的可設(shè)計(jì)參數(shù)，P(t)為正的遞增光滑函數(shù)， 對(duì)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(duì)公式（14)作如下改進(jìn)：
? 步驟2. 4,設(shè)計(jì)控制律，確定實(shí)際控制器輸入V，控制律為：
公式（16)中\(zhòng)表示模型補(bǔ)償控制器，vs表示魯棒控制器，vsl為線性魯棒反饋?lái)?xiàng)，vs2為 非線性魯棒反饋?lái)?xiàng)：
表示系統(tǒng)各未知參數(shù)估計(jì)值，g表示參數(shù)自適應(yīng)律， r表示自適應(yīng)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(jì)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(bǔ)償?shù)碾姍C(jī)伺服系統(tǒng)預(yù)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(jì)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(bǔ)償?shù)碾姍C(jī)伺服系統(tǒng)預(yù)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(jī)伺服系統(tǒng)模型；步驟2，設(shè)計(jì)含磁滯補(bǔ)償?shù)念A(yù)設(shè)性能跟蹤控制方法；步驟3，設(shè)計(jì)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(jī)伺服系統(tǒng)作為研究對(duì)象，同時(shí)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(jì)了優(yōu)良的跟蹤控制器，建立了包含線性項(xiàng)和有界干擾項(xiàng)的磁滯模型，便于進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)；且針對(duì)系統(tǒng)參數(shù)不確定性和未建模干擾項(xiàng)，采用自適應(yīng)魯棒控制方法，實(shí)現(xiàn)了較好的參數(shù)估計(jì)和魯棒有界穩(wěn)定。
【IPC分類】G05B13-04
【公開(kāi)號(hào)】CN104570733
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410778146
【發(fā)明人】董振樂(lè), 姚建勇, 馬大為, 胡健
【申請(qǐng)人】南京理工大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年4月29日
【申請(qǐng)日】2014年12月15日