一种直驱电机系统的自调节误差符号积分鲁棒控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种直驱电机系统的自调节误差符号积分鲁棒控制方法。步骤如下：建立直驱电机系统的数学模型；设计自调节误差符号积分鲁棒控制器；运用李雅普诺夫稳定性理论对直驱电机系统进行稳定性证明，并运用Barbalat引理得到系统的全局渐近稳定的结果。本发明专利技术基于传统的误差符号积分鲁棒控制方法，融合了自适应控制的思想，设计控制器增益自调节律对RISE控制器的积分鲁棒增益取值进行在线调节。本发明专利技术有效地解决了传统RISE控制方法存在的符号函数增益调节的随机性、保守性、局限性以及潜在的高增益反馈的问题，获得了更好的跟踪性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及机电伺服控制
，特别是一种直驱电机系统的自调节误差符号积分鲁棒控制方法。
技术介绍
在现代工业生产中，许多先进的机械设备如数控机床、半导体加工设备及微电子制造设备等都广泛采用直驱电机系统来保证高速和高精度的加工过程。直驱电机(如旋转和直线电机)系统由于消除了与减速齿轮相关的一些机械传动问题如齿隙、强惯性载荷以及结构柔性等，而这些非线性问题都是影响系统性能的主要因素，其存在将会严重恶化控制性能，因此通过对直驱电机系统进行先进的控制器设计可以获得高精度的控制性能。然而，也正是由于缺少减速齿轮的作用，对直驱电机系统进行控制器设计时需要面临许多建模不确定性，如参数不确定性及外负载干扰等不确定性非线性，这些不确定性不再经过减速齿轮而是直接作用于驱动部件，这样同样会严重地恶化控制性能，导致极限环震荡甚至使系统失稳。因此探索先进的控制器设计方法来保证直驱电机系统的高精度控制性能仍是实际工程应用领域的迫切需求。 针对直驱电机系统的的非线性控制问题，许多方法相继被提出。其中自适应控制方法对于处理参数不确定性问题是非常有效的方法，能够获得渐近跟踪的稳态性能。但是对于外负载干扰等不确定性非线性却显得力不从心，当不确定性非线性过大时可能会使系统失稳。而实际的电机系统都存在不确定性非线性，因此自适应控制方法在实际应用中并不能获得高精度的控制性能；作为一种鲁棒控制方法，经典滑模控制可以有效地处理任何有界的建模不确定性，并获得渐近跟踪的稳态性能。但是经典滑模控制所设计的不连续的控制器容易引起滑模面的颤振问题，从而恶化系统的跟踪性能；为了同时解决参数不确定性和不确定性非线性的问题，自适应鲁棒控制方法被提出，该控制方法在两种建模不确定性同时存在的情况下可以使系统获得确定的暂态和稳态性能，如要获得高精度跟踪性能则必须通过提高反馈增益以减小跟踪误差，然而过大的反馈增益将提高闭环系统的频宽，从而可能激发系统的高频动态使系统失稳；误差符号积分鲁棒(RISE)控制方法也可以有效地处理建模不确定性的问题，而且可以获得连续的控制输入和渐近的跟踪性能。但是该控制方法所设计的控制器中的非线性鲁棒增益的取值需要满足一定的条件，该条件跟系统的建模不确定性对时间的一阶导数和二阶导数的上界密切相关。因此该控制方法存在的问题是：在实际工程应用中，系统建模不确定性对时间的一阶导数和二阶导数的界在大多情况下难以获取，因此对于积分鲁棒项中误差符号函数的增益取值只能尽量取大以获得好的控制性能。但是，由于测量噪声的存在，该增益取得过大往往会导致高增益反馈从而造成控制输入的抖振，进而恶化控制性能，甚至引起系统失稳。故往往需要通过反复试验才能确定一个既能避免控制输入抖振又能保证一定的控制性能的增益值，然而这种调节该增益的方法具有一定的随机性和保守性，且只适用于某一种特定的工况，当系统工况发生变化时，所整定的控制器增益可能并不适用，因而传统RISE控制方法具有很大的工程局限性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种符号函数增益自动调节、跟踪性能高的直驱电机系统的自调节误差符号积分鲁棒控制方法。 实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种直驱电机系统的自调节误差符号积分鲁棒控制方法，包括以下步骤： 步骤1，建立直驱电机系统的数学模型； 步骤2，设计自调节误差符号积分鲁棒控制器； 步骤3，运用李雅普诺夫稳定性理论对直驱电机系统进行稳定性证明，并运用Barbalat引理得到系统的全局渐近稳定的结果。 本专利技术与现有技术相比，其显著优点是：(1)有效地解决了符号函数增益调节的随机性、保守性、局限性以及潜在的高增益反馈的问题；(2)获得了更好的跟踪性能，仿真结果验证了其有效性；(3)可靠稳定，应用前景广阔。 附图说明 图1是本专利技术直驱电机系统的原理图。 图2是直驱电机系统自调节误差符号积分鲁棒(ARISE)控制方法原理示意图。 图3是系统干扰为f(t)＝10sint(N·m)时本专利技术所设计的ARISE控制器作用下系统输出对期望指令的跟踪过程示意图。 图4是系统干扰为f(t)＝10sint(N·m)时ARISE控制器作用下系统的跟踪误差随时间变化的曲线图。 图5是系统干扰为f(t)＝10sint(N·m)时本专利技术所设计的ARISE控制器和传统PID控制器作用下系统的跟踪误差对比曲线图。 图6是系统干扰为f(t)＝10sint(N·m)时ARISE控制器增益β估计值随时间变化的曲线图。 图7是系统干扰为f(t)＝10sint(N·m)时ARISE控制器作用下直驱电机系统控制输入随时间变化的曲线图。 图8是系统干扰为f(t)＝t2(N·m)时ARISE、PID、RISE三种控制器分别作用下系统跟踪误差的对比曲线图。 图9是系统干扰为f(t)＝t2(N·m)时ARISE控制作用下系统跟踪误差随时间变化的曲线图。 图10是系统干扰为f(t)＝t2(N·m)时，在ARISE控制器作用下直驱电机系统的控制输入曲线图。 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1～2本专利技术直驱电机系统的自调节误差符号积分鲁棒(ARISE)控制方法，基于传统的误差符号积分鲁棒(RISE)控制方法，融合了自适应控制的思想，设计控制器增益自调节律对RISE控制器的积分鲁棒增益取值进行在线调节，具体包括以下步骤： 步骤1，建立直驱电机系统的数学模型。 (1.1)本专利技术所考虑的直驱电机系统是通过配有商业电气驱动器的永磁直流电机直接驱动惯性负载。考虑到电磁时间常数比机械时间常数小得多，且电流环速度远大于速度环和位置环的响应速度，故将电流环近似为比例环节，因此，根据牛顿第二定律，直驱电机系统的运动方程为： m y · · = k i u - B y · + f ( t ,本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种直驱电机系统的自调节误差符号积分鲁棒控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，建立直驱电机系统的数学模型；步骤2，设计自调节误差符号积分鲁棒控制器；步骤3，运用李雅普诺夫稳定性理论对直驱电机系统进行稳定性证明，并运用Barbalat引理得到系统的全局渐近稳定的结果。

【技术特征摘要】
1.一种直驱电机系统的自调节误差符号积分鲁棒控制方法，其特征在于，包括以
下步骤：
步骤1，建立直驱电机系统的数学模型；
步骤2，设计自调节误差符号积分鲁棒控制器；
步骤3，运用李雅普诺夫稳定性理论对直驱电机系统进行稳定性证明，并运用
Barbalat引理得到系统的全局渐近稳定的结果。
2.根据权利要求1所述的直驱电机系统的自调节误差符号积分鲁棒控制方法，其
特征在于，步骤1所述建立直驱电机系统的数学模型，具体如下：
(1.1)将电流环近似为比例环节，根据牛顿第二定律，直驱电机系统的运动方程为：
m y · · = k i u - B y · + f ( t , y , y · ) - - - ( 1 ) ]]> 式(1)中，m为惯性负载参数，ki为力矩放大系数，B为粘性摩擦系数，是未建模干扰，y为惯性负载的位移，u为系统的控制输入，t为时间变量；
(1.2)定义状态变量：则式(1)运动方程转化为状态方程：
x · 1 = x 2 ]]> θ 1 x · 2 = u - θ 2 x 2 + d ( x , t ) - - - ( 2 ) ]]> y＝x1 式(2)中，均为名义值且已知，是系统总的干扰，
f(t,x1,x2)即为上述x1表示惯性负载的位移，x2表示惯性负载的速度；
为便于控制器设计，假设系统总的干扰d(x,t)足够光滑，使得均存在
并有界即：
| d · ( x , t ) | ≤ δ 1 , | d · · ( x , t ) | ≤ δ 2 - - - ( 3 ) ]]> 式(3)中δ1,δ2均为未知正常数，即具有不确定的上界。
3.根据权利要求1所述的直驱电机系统的自调节误差符号积分鲁棒控制方法，其
特征在于，步骤2所述设计自调节误差符号积分鲁棒控制器，步骤如下：
(2.1)定义z1＝x1-x1d为系统的跟踪误差，x1d是系统期望跟踪的位置指令且该指

\t令二阶连续可微，根据式(2)中的第一个方程选取x2为虚拟控制，使方程趋于稳定状态；令x2eq为虚拟控制的期望值，x2eq与真实状态x2的误差为z2＝x2-x2eq，
对z1求导得：
z · 1 = x 2 - x · 1 d = z 2 + x 2 eq - x · 1 d - - - ( 4 ) ]]> 设计虚拟控制律：
x 2 eq = x · 1 d - k 1 z 1 - - - ( 5 ) ]]> 式(5)中k1＞0为可调增益，则
z · 1 = z 2 - k 1 z 1 - - - ( 6 ) ]]> 由于z1(s)＝G(s)z2(s)，式中G(s)＝1/(s+k1)是一个稳定的传递函数，当z2趋于0时，
z1也必然趋于0；
(2.2)为获得一个额外的控制器设计自由度，定义一个辅助的误差信号r(t)：
r = z · 2 + k 2 z 2 - - - ( 7 ) ]]> 式(7)中k2＞0为可调增益；
根据式(2)和(7)，有如下r的展开式：
θ 1 r = θ 1 x · 2 - θ 1 x · 2 eq + k 2 θ 1 z 2 = u - θ 2 x 2 + d ( x , t ) - θ 1 x · 2 eq + k 2 θ 1 z 2 - - - ( 8 ) ]]> 根据式(8)，基于模型的控制器设计为：
u = u a + u s , u a = ...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚建勇，邓文翔，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32