一種伺服電機(jī)的基于k-觀測(cè)器的滑模預(yù)測(cè)控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種伺服電機(jī)的控制方法，它是一種伺服電機(jī)的基于K-觀測(cè)器的滑 模預(yù)測(cè)控制方法，用于控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)角、角速度W及角加速度，屬于自動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 伺服電機(jī)是一種控制電機(jī)，它可W把輸入的電壓信號(hào)變換為電機(jī)軸上的角速度和 角位移。伺服電機(jī)又分為直流和交流兩大類；直流伺服電機(jī)通常用于大功率控制系統(tǒng)，交流 伺服電機(jī)用脈寬調(diào)制（PwM)信號(hào)來(lái)控制，通常用于小功率系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)的傳感器有許多 種，在現(xiàn)代數(shù)字式伺服系統(tǒng)中，最常用的是軸角編碼器，又稱碼盤。在伺服系統(tǒng)中，系統(tǒng)的設(shè) 定值與從傳感器反饋回來(lái)的測(cè)量信號(hào)相減，形成誤差信號(hào)；控制器根據(jù)該個(gè)誤差信號(hào)，W- 定的算法產(chǎn)生出控制電機(jī)的信號(hào)。傳統(tǒng)的PID控制方法需要伺服電機(jī)系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型 和狀態(tài)值。
[0003] 在實(shí)際工程中，一些系統(tǒng)的狀態(tài)或是無(wú)法直接測(cè)量得到，或是無(wú)法精確測(cè)量。例 如，就速度信號(hào)而言，它在測(cè)量中容易受到噪聲污染，并且出于節(jié)省成本、減輕系統(tǒng)質(zhì)量等 原因通常不被采用。因此，可W利用觀測(cè)器重構(gòu)系統(tǒng)未知狀態(tài)，準(zhǔn)確估計(jì)未知參數(shù)，在此基 礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。
[0004] 在該種技術(shù)背景下，本發(fā)明針對(duì)伺服電機(jī)系統(tǒng)，給出了一種基于低增益K-觀測(cè)器 的滑模預(yù)測(cè)控制方法，用于控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)角。采用該種控制不僅保證了閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定 性，而且可W僅利用角度信號(hào)準(zhǔn)確估計(jì)出角速度W及角加速度信息，更方便在工程實(shí)踐中 應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 1、發(fā)明目的
[000引本發(fā)明的目的是提供一種伺服電機(jī)的基于K-觀測(cè)器的滑模預(yù)測(cè)控制方法，它克 服了現(xiàn)有控制技術(shù)的不足，給出一種基于K-觀測(cè)器的滑模預(yù)測(cè)控制方法，在僅有角度信號(hào) 的條件下，準(zhǔn)確估計(jì)出角速度W及角加速度信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)系統(tǒng)轉(zhuǎn)角、角速度W及角 加速度的快速精確控制。
[0007] 2、技術(shù)方案
[0008] 本發(fā)明的設(shè)計(jì)思想是：針對(duì)伺服電機(jī)系統(tǒng)，首先設(shè)計(jì)K-觀測(cè)器，利用伺服電機(jī)的 角度信號(hào)，估計(jì)出伺服電機(jī)系統(tǒng)的角速度和角加速度信號(hào)，然后設(shè)計(jì)滑模預(yù)測(cè)控制器，最后 使用觀測(cè)得到的信號(hào)作為滑模預(yù)測(cè)控制器的輸入信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)角控制。
[0009] 見(jiàn)圖2,本發(fā)明一種伺服電機(jī)的基于K-觀測(cè)器的滑模預(yù)測(cè)控制方法，其方法步驟 如下：
[0010] 步驟一：伺服電機(jī)系統(tǒng)模型分析及建模：
[0011] 伺服電機(jī)系統(tǒng)采用負(fù)反饋的控制結(jié)構(gòu)，輸出量為伺服電機(jī)系統(tǒng)轉(zhuǎn)角。
[0012] 伺服電機(jī)系統(tǒng)傳遞函數(shù)描述如下：
[0013]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種伺服電機(jī)的基于K-觀測(cè)器的滑模預(yù)測(cè)控制方法，其特征在于：該方法步驟如 下： 步驟一：伺服電機(jī)系統(tǒng)模型分析及建模 伺服電機(jī)系統(tǒng)采用負(fù)反饋的控制結(jié)構(gòu)，輸出量為伺服電機(jī)系統(tǒng)轉(zhuǎn)角； 伺服電機(jī)系統(tǒng)傳遞函數(shù)描述如下：
其中：K111表示伺服電機(jī)的力矩系數(shù)； J表示汽輪發(fā)電機(jī)功角初值； Ld表示伺服電機(jī)系統(tǒng)電樞繞組的電感； Rd表示伺服電機(jī)系統(tǒng)電樞繞組的電阻； &表示阻尼系數(shù)； Ke表示伺服電機(jī)系統(tǒng)反電勢(shì)系數(shù)； 為了便于設(shè)計(jì)，分別定義三個(gè)狀態(tài)變量Xl、x2、X3如下： X1= Θ X2= ω X3 二 ? 這時(shí)式（1)就寫成
伺服電機(jī)輸出表示為：y(t) = cTx，其中c = [I O 0]τ; 如此處理的目的是將伺服電機(jī)系統(tǒng)化為狀態(tài)方程的表達(dá)形式，便于下一步設(shè)計(jì)； 步驟二：伺服電機(jī)系統(tǒng)K-觀測(cè)器設(shè)計(jì) DK-觀測(cè)器設(shè)計(jì)與分析 選取一個(gè)向量k=IX k2 k3]T使得Atl=A-IiC1^ Hurwitz的，采用如下形式的一類 K-觀測(cè)器
步驟三：伺服電機(jī)的滑模預(yù)測(cè)控制設(shè)計(jì) 采用輸出量即角度信號(hào)的單位負(fù)反饋控制結(jié)構(gòu)，利用Matlab環(huán)境下的.m語(yǔ)言編程實(shí) 現(xiàn)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)角滑模預(yù)測(cè)控制器的結(jié)構(gòu)和功能；即控制器的輸入信號(hào)是參考信號(hào)和步驟二 中K-觀測(cè)器的輸出值； 1)設(shè)定預(yù)定指令xld，與K-觀測(cè)器的狀態(tài)冬，毛，毛.相減得到 爸二名-Xld，? = - ild，g = ，取滑模函數(shù)?^η?+?^? + ?·，為設(shè)計(jì)方便取中間變量 2) 預(yù)測(cè)經(jīng)過(guò)時(shí)間T的滑模面斤(/ I 7')表示為：+ = ^⑴ΓΜ(〇;
3) 設(shè)計(jì)滑模預(yù)測(cè)控制的目標(biāo)函數(shù)為 要實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制需滿足
h由此可得基于K-觀測(cè)器的滑模預(yù)測(cè)控制器為
這里通過(guò)李雅普諾夫方法簡(jiǎn)要證明基于K-觀測(cè)器的滑模預(yù)測(cè)控制的穩(wěn)定性；取
泛李雅普諾夫函數(shù)
，由于觀測(cè)器是指數(shù)收 斂，證明Pso，從而證明基于K-觀測(cè)器的滑模預(yù)測(cè)控制的穩(wěn)定性，且伺服電機(jī)轉(zhuǎn)角、角速 度以及角加速度指數(shù)收斂； 步驟四：跟蹤性能檢驗(yàn)與參數(shù)調(diào)節(jié) 這一步將檢驗(yàn)系統(tǒng)性能是否滿足設(shè)計(jì)要求，并且適當(dāng)調(diào)節(jié)控制參數(shù)；借助于常用的數(shù) 值計(jì)算和控制系統(tǒng)仿真工具M(jìn)atlab進(jìn)行； 參數(shù)Cl、c2、匕、k2、k3為調(diào)節(jié)參數(shù)，若跟蹤誤差過(guò)大，不滿足設(shè)計(jì)要求，則調(diào)節(jié)以上參數(shù) 使控制算法滿足要求； 步驟五：設(shè)計(jì)結(jié)束 整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程重點(diǎn)考慮了三個(gè)方面的控制需求，分別為設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)便性，閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn) 定性，跟蹤的快速精確性；圍繞這三個(gè)方面，首先在上述第一步中確定了閉環(huán)控制系統(tǒng)的具 體構(gòu)成；第二步中重點(diǎn)給出了伺服電機(jī)系統(tǒng)K-觀測(cè)器設(shè)計(jì)方法；第三步給出了滑模預(yù)測(cè)控 制方法；第四步中主要介紹了用以提高跟蹤性能的參數(shù)調(diào)節(jié)方法；經(jīng)上述各步驟后，設(shè)計(jì) 結(jié)束。
【專利摘要】一種伺服電機(jī)的基于K-觀測(cè)器的滑模預(yù)測(cè)控制方法，該方法有五大步驟：步驟一：伺服電機(jī)系統(tǒng)模型分析及建模；步驟二：伺服電機(jī)系統(tǒng)K-觀測(cè)器設(shè)計(jì)；步驟三：伺服電機(jī)的滑模預(yù)測(cè)控制設(shè)計(jì)；步驟四：跟蹤性能檢驗(yàn)與參數(shù)調(diào)節(jié)；步驟五：設(shè)計(jì)結(jié)束。本發(fā)明克服了現(xiàn)有控制技術(shù)的不足，給出一種基于K-觀測(cè)器的滑模預(yù)測(cè)控制方法，在僅有角度信號(hào)的條件下，準(zhǔn)確估計(jì)出角速度以及角加速度信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)系統(tǒng)轉(zhuǎn)角、角速度以及角加速度的快速精確控制。
【IPC分類】H02P29-00
【公開(kāi)號(hào)】CN104753441
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510192637
【發(fā)明人】陳彥橋, 韓璞, 姜婷婷, 劉金琨, 王東風(fēng), 王德華
【申請(qǐng)人】國(guó)電科學(xué)技術(shù)研究院, 華北電力大學(xué)（保定）
【公開(kāi)日】2015年7月1日
【申請(qǐng)日】2015年4月21日