本发明专利技术公开了一种考虑输入时滞的电机位置伺服系统的控制方法，属于机电伺服控制领域。该方法步骤如下：建立考虑输入时滞的电机位置伺服系统数学模型；设计扩张状态观测器，对数学模型中系统的状态和干扰进行观测；设计非线性输出反馈鲁棒控制器，对输入时滞进行补偿；运用李雅普诺夫稳定性理论对考虑输入时滞的电机位置伺服系统进行稳定分析，证明系统获得半全局的一致有界稳定。本发明专利技术采用基于扩张状态观测器的输出反馈控制方法，针对外干扰等非线性通过扩张状态观测器进行估计并在控制器设计中进行补偿，提高了实际电机位置伺服系统对外干扰的鲁棒性，克服了速度测量噪声对系统性能的影响，更利于在实际工程中的应用。
【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了，属于机电伺服控制领域。该方法步骤如下：建立考虑输入时滞的电机位置伺服系统数学模型；设计扩张状态观测器，对数学模型中系统的状态和干扰进行观测；设计非线性输出反馈鲁棒控制器，对输入时滞进行补偿；运用李雅普诺夫稳定性理论对考虑输入时滞的电机位置伺服系统进行稳定分析，证明系统获得半全局的一致有界稳定。本专利技术采用基于扩张状态观测器的输出反馈控制方法，针对外干扰等非线性通过扩张状态观测器进行估计并在控制器设计中进行补偿，提高了实际电机位置伺服系统对外干扰的鲁棒性，克服了速度测量噪声对系统性能的影响，更利于在实际工程中的应用。【专利说明】
本专利技术属于机电伺服控制
，特别是一种考虑输入时滞的电机位置伺服系 统的控制方法。
技术介绍
电机伺服系统具有响应快、维护方便、传动效率高以及能源获取方便等突出优点， 广泛应用于各个重要领域，如机器人、机床、航空航天等。系统的性能和稳定与控制器的设 计密切相关。电机伺服系统存在外干扰等不能精确建模的不确定性非线性可能会使以系统 名义模型设计的控制器不稳定或者降阶。而且随着现代控制工程领域的快速发展，对控制 系统的性能要求也越来越高。在工程实际应用中，工程师们往往要求所建立的模型尽可能 接近实际系统，基于这样的模型设计出来的控制器才能使系统获得最佳的性能。对于一个 实际控制系统而言，由于测量元件、测量过程、控制元件或执行元件造成的影响必然会产生 一定的时滞，因此时滞几乎存在于所有的控制系统中。为了获得很好的性能，在设计控制器 时考虑实际系统中的时滞是十分必要的。但是时滞的存在和系统的外干扰等不确定性非线 性通常相互作用共同决定电机伺服系统的稳定性，这给控制器设计带来了非常大的困难。 目前对于电机伺服系统的控制，基于经典三环控制的方法仍是工业及国防领域的 主要方法，其以线性控制理论为基础，由内向外逐层设计电流环（力矩环），速度环及位置 环，各环的控制策略大都采用PID校正及其变型。但是随着工业及国防领域技术水平的不 断进步，传统基于线性理论的三环控制方法已逐渐不能满足系统的高性能需求，成为限制 电机伺服系统发展的瓶颈因素之一。为了提高电机伺服系统的性能，许多先进的非线性控 制方法相继被提出，如自适应反馈线性化控制、自适应鲁棒控制、自适应积分鲁棒控制、滑 模控制等。但是这些控制方法都没有考虑电机伺服系统中的时滞问题，因此，探索新的控制 策略来保证时滞电机伺服系统的高性能显得尤为重要。 电机伺服系统的时滞主要是伺服驱动器的电流环时滞。从后文实验获得的电机伺 服系统电流环频域响应数据可以看出当电机位置控制需要具备快速响应能力时，电流环的 频域响应近似为时滞环节，因此电流环的时滞在电机伺服系统数学模型中体现为控制输入 的时滞。输入时滞对于电机伺服系统性能，尤其是快速响应能力有着重要的影响，因此在电 机伺服系统控制器设计中考虑输入时滞可以使系统的伺服性能得到很大的提升。 针对考虑输入时滞的电机伺服系统的控制问题，许多控制方法被提出。在考虑输 入时滞的线性系统控制中，运用Artstein模型降阶、有限频谱分配和连续极点配置等技 术，或者是将考虑输入时滞的系统模型用双曲偏微分方程代替来设计所谓的预测控制器达 到控制目的，但是上述方法的前提是忽略所有非线性动态；在考虑输入时滞的非线性系统 控制中，基于Smith预测器的全局线性化控制方法以及在此方法的基础上做出的改进提供 了一些可行的方案，但是，所处理的非线性模型要求完全已知或者非线性动态均可以被线 性参数化，而实际系统往往存在不能精确建模的不确定性非线性，将会造成控制的误差。因 此上述控制方法的前提假设并不适用于电机伺服系统。总结来说，现有电机伺服系统的控 制技术的不足之处主要有以下几点： -、忽略电机伺服系统的输入时滞。目前对于电机伺服系统控制的研究，主要将电 气动态（电流环频域响应）近似为比例环节。然而实际上，当电机伺服控制需要具备快速 响应能力时，电气动态更接近为时滞环节，因此忽略电机伺服系统的输入时滞会影响系统 的高性能尤其是快速响应的性能； 二、目前电机伺服系统的控制多为全状态反馈控制。全状态反馈控制需要获取电 机伺服系统的位置及速度信号，然而在工程实际中，速度信号的测量产生的测量噪声会对 电机伺服系统性能产生不容忽视的影响； 三、忽略非线性摩擦及外干扰等非线性。摩擦是电机伺服系统阻尼的主要来源之 一，摩擦的存在引起的粘滑运动、极限环振荡等不利因素对系统的性能有重要的影响。特别 是在速度过零阶段摩擦现象最丰富，对电机伺服系统性能影响明显。对于高精度的电机伺 服系统来说，低速伺服性能是其核心指标之一，因此摩擦建模与补偿是非常必要的。另外， 实际的电机伺服系统都会受到外负载的干扰，若不考虑将会恶化系统跟踪性能。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种精度高、性能好的考虑输入时滞的电机位置伺服系统 的控制方法，在控制器设计中对外干扰等非线性进行补偿，从而提高实际电机位置伺服系 统对外干扰的鲁棒性。 实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种考虑输入时滞的电机位置伺服系统的控 制方法，步骤如下： 步骤1，建立考虑输入时滞的电机位置伺服系统数学模型； 步骤2,设计扩张状态观测器，对步骤1数学模型中系统的状态和干扰进行观测； 步骤3,设计非线性输出反馈鲁棒控制器，对输入时滞进行补偿； 步骤4,运用李雅普诺夫稳定性理论对考虑输入时滞的电机位置伺服系统进行稳 定分析，证明系统获得半全局的一致有界稳定。 本专利技术与现有技术相比，其显著优点在于：（1)设计的输出反馈鲁棒控制器对输 入时滞进行了针对性的补偿，提高了电机位置伺服系统的快速响应性能；（2)采用基于扩 张状态观测器的输出反馈控制方法，只需要获取电机位置伺服系统的位置信号即可进行伺 服控制，克服了速度测量噪声对系统性能的影响，更利于在工程实际中的应用；（3)针对非 线性摩擦进行了连续光滑的摩擦补偿，改善了电机位置伺服系统的伺服性能，同时获得的 控制输入也是光滑的，因此更利于控制器的实际执行；(4)针对外干扰等非线性通过扩张 状态观测器进行估计并在控制器设计中进行补偿，提高了实际电机位置伺服系统对外干扰 的鲁棒性。 【专利附图】【附图说明】 图1是本专利技术电机位置伺服系统原理图。 图2是直流电机直驱系统电流环频域响应曲线。 图3是电动执行机构归一化静态摩擦实验数据及连续化摩擦模型，其中（a)是总 摩擦辨识数据与拟合曲线；(b)是（a)中零速附近的放大图；(c)是利用光滑函数辨识获得 的Stribeck效应。 图4是考虑输入时滞的电机位置伺服系统非线性控制原理示意及流程图。 图5是电机位置伺服系统期望跟踪的位置指令。 图6是本专利技术所设计的输出反馈鲁棒控制器（0FRC)和传统PID控制器作用下系 统的跟踪误差随时间变化的曲线。 图7是电机位置伺服系统的控制输入随时间变化的曲线。 【具体实施方式】 下面结合附图及具体实施例对本专利技术作进一步详细说明。 结合图1?4,本专利技术考虑输入时滞的电机位置伺服系统的控制方法，步骤如下： 步骤1，建立考虑输入时本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种考虑输入时滞的电机位置伺服系统的控制方法，其特征在于，步骤如下：步骤1，建立考虑输入时滞的电机位置伺服系统数学模型；步骤2，设计扩张状态观测器，对步骤1数学模型中系统的状态和干扰进行观测；步骤3，设计非线性输出反馈鲁棒控制器，对输入时滞进行补偿；步骤4，运用李雅普诺夫稳定性理论对考虑输入时滞的电机位置伺服系统进行稳定分析，证明系统获得半全局的一致有界稳定。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：邓文翔，姚建勇，马大为，乐贵高，朱忠领，胡健，任杰，杨贵超，董振乐，徐张宝，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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