一種電機(jī)位置伺服系統(tǒng)的輸出反饋控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種電機(jī)位置伺服系統(tǒng)的輸出反饋控制方法，包括以下步驟：建立電機(jī)位置伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；設(shè)計(jì)擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器，對(duì)數(shù)學(xué)模型中系統(tǒng)的狀態(tài)和干擾進(jìn)行觀測(cè)；設(shè)計(jì)二階低通濾波器以建立電機(jī)位置伺服系統(tǒng)的誤差系統(tǒng)，并根據(jù)該誤差系統(tǒng)設(shè)計(jì)輸出反饋控制器；運(yùn)用李雅普諾夫穩(wěn)定性理論對(duì)電機(jī)位置伺服系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性證明，并運(yùn)用Barbalat引理得到系統(tǒng)的全局漸近穩(wěn)定的結(jié)果。本發(fā)明針對(duì)外干擾等不確定性通過擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器進(jìn)行估計(jì)并在控制器設(shè)計(jì)中進(jìn)行補(bǔ)償，提高了實(shí)際電機(jī)位置伺服系統(tǒng)對(duì)外干擾的魯棒性；極大地改善了由高增益反饋所引起的高頻動(dòng)態(tài)和測(cè)量噪聲等問題，從而提高了系統(tǒng)的跟蹤性能，更利于在實(shí)際工程中的應(yīng)用。
【專利說明】一種電機(jī)位置伺服系統(tǒng)的輸出反饋控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及機(jī)電伺服控制【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是一種電機(jī)位置伺服系統(tǒng)的輸出反饋控 制方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 電機(jī)伺服系統(tǒng)具有響應(yīng)快、維護(hù)方便、傳動(dòng)效率高以及能源獲取方便等突出優(yōu)點(diǎn)， 廣泛應(yīng)用于各個(gè)重要領(lǐng)域，如機(jī)器人、機(jī)床、電動(dòng)汽車等。隨著現(xiàn)代控制工程領(lǐng)域的快速發(fā) 展，對(duì)電機(jī)伺服系統(tǒng)跟蹤性能的要求也越來越高，但是如何設(shè)計(jì)控制器來保證電機(jī)伺服系 統(tǒng)的高性能仍舊是一個(gè)難題。這是由于電機(jī)伺服系統(tǒng)是一個(gè)典型的非線性系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)控 制器的過程中會(huì)面臨許多建模不確定性（如未建模干擾、非線性摩擦等），這些因素可能會(huì) 使以系統(tǒng)名義模型設(shè)計(jì)的控制器不穩(wěn)定或者降階。
[0003] 針對(duì)電機(jī)伺服系統(tǒng)的的非線性控制，已經(jīng)取得了許多成果。如反饋線性化控制方 法可以保證系統(tǒng)的高性能，但是其前提是所建立的數(shù)學(xué)模型非常準(zhǔn)確，所有非線性動(dòng)態(tài)都 是已知的；為了解決建模不確定性的問題，自適應(yīng)魯棒控制方法被提出，該控制方法在存在 建模不確定性的情況下可以使電機(jī)伺服系統(tǒng)的跟蹤誤差獲得一致最終有界的結(jié)果，如要獲 得高跟蹤性能則必須通過提高反饋增益以減小跟蹤誤差；同樣，積分魯棒控制方法（RISE) 也可以有效地解決建模不確定性的問題，而且可以獲得連續(xù)的控制輸入和漸近跟蹤的性 能。但是該控制方法的反饋增益的取值跟建模不確定性的大小密切相關(guān)，一旦建模不確定 性很大，將會(huì)獲得高增益反饋控制器，這在工程實(shí)際中是不允許的；滑?？刂品椒ㄒ部梢栽?建模不確定性存在的情況下使電機(jī)伺服系統(tǒng)獲得漸近跟蹤的性能，但是該方法所設(shè)計(jì)的不 連續(xù)的控制器容易引起滑模面的顫振問題，從而惡化系統(tǒng)的跟蹤性能。總結(jié)來說，現(xiàn)有的電 機(jī)伺服系統(tǒng)控制方法的不足之處主要有以下幾點(diǎn)：
[0004] -、忽略系統(tǒng)建模不確定性。電機(jī)伺服系統(tǒng)的建模不確定性包括非線性摩擦和未 建模干擾等。摩擦是電機(jī)伺服系統(tǒng)阻尼的主要來源之一，摩擦的存在引起的粘滑運(yùn)動(dòng)、極限 環(huán)振蕩等不利因素對(duì)系統(tǒng)的性能有重要的影響。另外，實(shí)際的電機(jī)伺服系統(tǒng)都會(huì)受到外負(fù) 載的干擾，若不加以考慮，會(huì)惡化系統(tǒng)跟蹤性能；
[0005] 二、高增益反饋。目前許多控制方法存在高增益反饋的問題，通過提高反饋增益來 減小跟蹤誤差。然而由高增益反饋引起的高頻動(dòng)態(tài)以及測(cè)量噪聲的問題將會(huì)影響系統(tǒng)跟蹤 性能；
[0006] 三、現(xiàn)有電機(jī)伺服系統(tǒng)控制方法多為全狀態(tài)反饋控制。全狀態(tài)反饋控制需要獲取 電機(jī)伺服系統(tǒng)的位置及速度信號(hào)，然而在工程實(shí)際中，為節(jié)省成本或由于體積、質(zhì)量、結(jié)構(gòu) 受限無法安裝速度傳感器，更重要的是速度信號(hào)的測(cè)量產(chǎn)生的測(cè)量噪聲會(huì)對(duì)電機(jī)伺服系統(tǒng) 性能產(chǎn)生不容忽視的影響。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于提供一種反饋增益小、跟蹤性能高的電機(jī)位置伺服系統(tǒng)的輸出 反饋控制方法，且能夠克服速度測(cè)量噪聲對(duì)系統(tǒng)性能的影響。
[0008] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種電機(jī)位置伺服系統(tǒng)的輸出反饋控制方 法，包括以下步驟：
[0009] 步驟1，建立電機(jī)位置伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；
[0010] 步驟2,設(shè)計(jì)擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器，對(duì)步驟1數(shù)學(xué)模型中系統(tǒng)的狀態(tài)和干擾進(jìn)行觀測(cè)；
[0011] 步驟3,設(shè)計(jì)二階低通濾波器以建立電機(jī)位置伺服系統(tǒng)的誤差系統(tǒng)，并根據(jù)該誤差 系統(tǒng)設(shè)計(jì)輸出反饋控制器；
[0012] 步驟4,運(yùn)用李雅普諾夫穩(wěn)定性理論對(duì)電機(jī)位置伺服系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性證明，并運(yùn)用 Barbalat引理得到系統(tǒng)的全局漸近穩(wěn)定的結(jié)果。
[0013] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)是：（1)選用電機(jī)位置伺服系統(tǒng)作為研究對(duì) 象，考慮了電機(jī)位置伺服系統(tǒng)的非線性摩擦特性及外干擾等建模不確定性，針對(duì)非線性摩 擦進(jìn)行了連續(xù)光滑的摩擦補(bǔ)償，改善了電機(jī)位置伺服系統(tǒng)的低速伺服性能；（2)針對(duì)未建 模干擾等不確定性通過擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器進(jìn)行估計(jì)并在控制器設(shè)計(jì)中進(jìn)行補(bǔ)償，提高了實(shí)際 電機(jī)位置伺服系統(tǒng)對(duì)外干擾的魯棒性；（3)本發(fā)明所設(shè)計(jì)的控制器中盡管含有不連續(xù)項(xiàng)， 但是通過對(duì)絕大部分的干擾進(jìn)行補(bǔ)償，反饋增益可以取得很小，極大地改善了由高增益反 饋所引起的高頻動(dòng)態(tài)和測(cè)量噪聲等問題，提高了系統(tǒng)的跟蹤性能；(4)采用基于擴(kuò)張狀態(tài) 觀測(cè)器的輸出反饋控制方法，只需要獲取電機(jī)位置伺服系統(tǒng)的位置信號(hào)即可進(jìn)行伺服控 制，克服了速度測(cè)量噪聲對(duì)系統(tǒng)性能的影響，更利于在工程實(shí)際中的應(yīng)用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014] 圖1是本發(fā)明電機(jī)位置伺服系統(tǒng)的原理圖。
[0015] 圖2是電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)歸一化靜態(tài)摩擦實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及連續(xù)化摩擦模型，其中（a)是總 摩擦辨識(shí)數(shù)據(jù)與擬合曲線；(b)是（a)中零速附近的放大圖；(c)是利用光滑函數(shù)辨識(shí)獲得 的Stribeck效應(yīng)。
[0016] 圖3是考慮輸入時(shí)滯的電機(jī)位置伺服系統(tǒng)非線性控制原理示意及流程圖。
[0017] 圖4是電機(jī)位置伺服系統(tǒng)期望跟蹤的位置指令。
[0018] 圖5是本發(fā)明所設(shè)計(jì)的輸出反饋控制器（0FRC)和傳統(tǒng)PID控制器作用下系統(tǒng)的 跟蹤誤差隨時(shí)間變化的曲線。
[0019] 圖6是電機(jī)位置伺服系統(tǒng)的控制輸入隨時(shí)間變化的曲線。
[0020] 圖7是對(duì)系統(tǒng)干擾的估計(jì)隨時(shí)間變化的曲線。

【具體實(shí)施方式】
[0021] 下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0022] 結(jié)合圖1?2本發(fā)明電機(jī)位置伺服系統(tǒng)的輸出反饋控制方法，包括以下步驟：
[0023] 步驟1，建立電機(jī)位置伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；
[0024] 在以往的基于模型的電機(jī)伺服系統(tǒng)高性能控制策略設(shè)計(jì)中，大都采用二階運(yùn)動(dòng)學(xué) 模型或含一階電氣動(dòng)態(tài)的三階模型開展控制器設(shè)計(jì)。二階模型通常認(rèn)為系統(tǒng)控制輸入U(xiǎn)與 電機(jī)輸出力呈線性比例關(guān)系。三階模型通常在二階模型的基礎(chǔ)上考慮原始電氣動(dòng)態(tài)過程， 開展先進(jìn)控制器設(shè)計(jì)。然而，基于三階模型開展控制器設(shè)計(jì)需要自行開發(fā)電氣驅(qū)動(dòng)電路以 能夠?qū)﹄姎鈩?dòng)態(tài)過程施加控制，這往往不符合工業(yè)應(yīng)用情況。由于絕大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合 都是通過采購(gòu)成熟的電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器搭建電機(jī)伺服系統(tǒng)，而成熟的商業(yè)驅(qū)動(dòng)器都至少固化有 電流環(huán)控制器，以克服電氣動(dòng)態(tài)過程對(duì)控制性能的影響。因此，將由商業(yè)電機(jī)+商業(yè)驅(qū)動(dòng)器 組成的電機(jī)伺服系統(tǒng)建模為三階模型是不恰當(dāng)?shù)?。而二階模型則認(rèn)為驅(qū)動(dòng)器內(nèi)固化的電流 環(huán)控制器動(dòng)態(tài)過程足夠快，使得電機(jī)的電氣動(dòng)態(tài)不顯現(xiàn)于實(shí)際用戶，用戶只需建立系統(tǒng)的 運(yùn)動(dòng)學(xué)方程即可，無需考慮電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的工作機(jī)制。
[0025] (1. 1)根據(jù)牛頓第二定律，電機(jī)位置伺服系統(tǒng)（如圖1所示）的運(yùn)動(dòng)方程為：

【權(quán)利要求】
1. 一種電機(jī)位置伺服系統(tǒng)的輸出反饋控制方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟1，建立電機(jī)位置伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型； 步驟2,設(shè)計(jì)擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器，對(duì)步驟1數(shù)學(xué)模型中系統(tǒng)的狀態(tài)和干擾進(jìn)行觀測(cè)； 步驟3,設(shè)計(jì)二階低通濾波器以建立電機(jī)位置伺服系統(tǒng)的誤差系統(tǒng)，并根據(jù)該誤差系統(tǒng) 設(shè)計(jì)輸出反饋控制器； 步驟4,運(yùn)用李雅普諾夫穩(wěn)定性理論對(duì)電機(jī)位置伺服系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性證明，并運(yùn)用 Barbalat引理得到系統(tǒng)的全局漸近穩(wěn)定的結(jié)果。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電機(jī)位置伺服系統(tǒng)的輸出反饋控制方法，其特征在于，步驟1 所述建立電機(jī)位置伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，具體如下： (1. 1)根據(jù)牛頓第二定律，電機(jī)位置伺服系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程為：


運(yùn)用李雅普諾夫穩(wěn)定性理論進(jìn)行穩(wěn)定性證明，并運(yùn)用Barbalat引理得到系統(tǒng)的全局 漸近穩(wěn)定的結(jié)果，因此調(diào)節(jié)增益1^，1^2以及觀測(cè)器的頻寬ω(ι使系統(tǒng)的跟蹤誤差在時(shí)間趨于 無窮的條件下趨于零。
【文檔編號(hào)】H02P23/14GK104065322SQ201410266227
【公開日】2014年9月24日 申請(qǐng)日期:2014年6月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月13日
【發(fā)明者】鄧文翔, 姚建勇, 馬大為, 樂貴高, 朱忠領(lǐng), 胡健, 任杰, 楊貴超, 董振樂, 徐張寶 申請(qǐng)人:南京理工大學(xué)