融合滑模控制和分数阶神经网络控制的伺服电机控制方法技术

本发明专利技术公开了一种融合滑模控制和分数阶神经网络控制的伺服电机控制方法，包括：A、构建伺服电机的数学模型，并对构建的数学模型进行描述，从而得到伺服电机的输出、速度误差以及速度误差的导数；B、根据伺服电机的速度误差以及速度误差的导数设计分数阶滑模控制器，从而得到抑制系统抖震的滑模控制律；C、采用神经网络逼近算法对得到的滑模控制律进行逼近，从而得到逼近后的滑模控制律；D、采用自适应控制法对逼近后的滑模控制律进行在线调整，从而得到伺服电机的最终控制律，并根据最终控制律对伺服电机进行控制。本发明专利技术融合了滑模控制和分数阶神经网络自适应控制理论，具有鲁棒性强和跟踪性能好的优点。本发明专利技术可广泛应用于工业控制领域。

【技术实现步骤摘要】
融合滑模控制和分数阶神经网络控制的伺服电机控制方法
本专利技术涉及工业控制领域，尤其是一种融合滑模控制和分数阶神经网络控制的伺服电机控制方法。
技术介绍
PID控制器具有的简单、易操作等特性，使得80％以上的永磁同步交流伺服电机控制都采用PID控制算法。但在系统参数时变和外部扰动的情况下，PID控制算法会出现发散等问题，严重影响系统的控制性能，导致其在要求高精度的场合不适用。针对传统PID控制算法对系统参数时变和外部扰动的弱鲁棒性，目前比较流行的控制方法是滑模控制技术。只要保证系统的参数时变和外部扰动在一定范围内，滑模控制具有完全鲁棒性。但滑模控制的高频开关切换会造成系统抖震，进而会影响系统的跟踪性能。针对滑模控制技术存在的抖震问题，目前流行的处理方法是正侧化方法，即采用饱和函数代替开关切换函数，但这种方法使得滑模控制技术不再具有强鲁棒性。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术的目的是：提供一种鲁棒性强和跟踪性能好的融合滑模控制和分数阶神经网络控制的伺服电机控制方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：融合滑模控制和分数阶神经网络控制的伺服电机控制方法，包括：A、构建伺服电机的数学模型，并对构建的数学模型进行描述，从而得到伺服电机的输出、速度误差以及速度误差的导数；B、根据伺服电机的速度误差以及速度误差的导数设计分数阶滑模控制器，从而得到抑制系统抖震的滑模控制律；C、采用神经网络逼近算法对得到的滑模控制律进行逼近，从而得到逼近后的滑模控制律；D、采用自适应控制法对逼近后的滑模控制律进行在线调整，从而得到伺服电机的最终控制律，并根据最终控制律对伺服电机进行控制。进一步，所述伺服电机为交流永磁同步伺服电机。进一步，所述步骤A，其包括：A1、构建交流永磁同步伺服电机的数学模型，所述交流永磁同步伺服电机的数学模型为：其中，分别是d，q坐标下的定子电压；是定子电流；λd，λq是定子磁链；Ld，Lq是电感分量；ωf，分别是电机的电角度和给定转速；Lmd是定子相电感；Idf是等效电流；np是定子磁极对数；Rs是定子电阻；A2、根据交流永磁同步伺服电机的数学模型得到相应的电磁转矩方程和动力方程，并采用矢量控制法对动力方程和电磁转矩方程进行化简，从而得到伺服电机输出的导数，所述伺服电机输出的导数为：其中，Tl为负载力矩，Bm是摩擦系数，J是转动惯量，Δa、Δb和Δc均为系统的参数摄动，iq为矢量q轴的控制电流；A3、对伺服电机的速度误差进行定义，并对速度误差进行求导，所述伺服电机的速度误差e(t)及速度误差的导数的表达式为：进一步，所述步骤B，其包括：B1、选择分数阶滑模控制器的分数阶切换流形面，所述分数阶切换流形面s的表达式为：其中，k∈R+为滑模面增益，R+为正实数，为分数阶微积分算子，τ为积分变量；B2、对分数阶切换流形面s进行一阶求导，并将速度误差的导数代入求导后的表达式，得到分数阶切换流形面s的导数，所述分数阶切换流形面s的导数的表达式为：其中，为给定转速的导数；B3、根据分数阶切换流形面s的导数得到滑模等效控制律，所述滑模等效控制律iqe的表达式为：B4、根据滑模等效控制律得到滑模控制律，所述滑模控制律u的表达式为：其中，η为滑模开关增益，且η>Ψ+bεmax，εmax为最大逼近误差；B5、根据滑模控制律得出抑制系统抖震的滑模控制律，所述抑制系统抖震的滑模控制律Γ的表达式为：其中，uup为控制输出的上限。进一步，所述步骤C，其具体为：采用神经网络逼近算法对得到的滑模控制律进行逼近，从而得到逼近后的滑模控制律,所述逼近后的滑模控制律u′的表达式为：其中，i是网络输入层的第i个输入，j为神经网络隐含层第j个网络输入，T表示转置，h、c和b分别是高斯基函数的输出、中点和基点，x为神经网络的输入，为神经网络的实际输出，为神经网络的估计权值。进一步，所述步骤D，其具体为：D1、选取自适应控制律所需的Lyapunov函数，所述Lyapunov函数的表达式为：其中，为的导数，W*是神经网络的理想权值，λ为正实数系数；D2、根据抑制系统抖震的滑模控制律、滑模等效控制律和逼近后的滑模控制律得到调整后的分数阶切换流形面s的导数所述调整后的分数阶切换流形面s的导数为：其中，ε为理想神经网络逼近Γ的误差，且ε≤εmax；D3、将调整后的分数阶切换流形面s的导数代入Lyapunov函数的表达式中，得到调整后的Lyapunov函数表达式为：D4、根据调整后的Lyapunov函数得出自适应控制律，所述自适应控制律的表达式为：D5、根据自适应控制律得出神经网络的估计权值进而得到伺服电机的最终控制律，所述伺服电机的最终控制律u′的表达式为：D6、根据伺服电机的最终控制律对伺服电机进行控制。本专利技术的有益效果是：融合了滑模控制和分数阶神经网络自适应控制理论，不需要准确测量参数时变和扰动的界限，通过简单的神经网络算法和自适应控制技术可以任意逼近不确定性，实现了不确定性的完全鲁棒性，鲁棒性较强；把分数阶微积分理论引入到滑模控制技术中，利用分数阶微积分的滤波特性，有效消除了传统整数阶滑模控制的抖震，使得电机在参数时变和外部扰动的情况下，仍具有较好的跟随性能。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。图1为本专利技术融合滑模控制和分数阶神经网络控制的伺服电机控制方法的整体流程图；图2为本专利技术步骤A的流程图；图3为本专利技术步骤B的流程图；图4为本专利技术步骤D的流程图；图5为永磁同步电机驱动系统速度环的结构框图；图6为永磁同步电机驱动系统速度环的主程序流程图；图7为永磁同步电机驱动系统速度环的中断程序流程图；图8为永磁同步电机驱动系统速度环的正弦响应波形图。具体实施方式参照图1，融合滑模控制和分数阶神经网络控制的伺服电机控制方法，包括：A、构建伺服电机的数学模型，并对构建的数学模型进行描述，从而得到伺服电机的输出、速度误差以及速度误差的导数；B、根据伺服电机的速度误差以及速度误差的导数设计分数阶滑模控制器，从而得到抑制系统抖震的滑模控制律；C、采用神经网络逼近算法对得到的滑模控制律进行逼近，从而得到逼近后的滑模控制律；D、采用自适应控制法对逼近后的滑模控制律进行在线调整，从而得到伺服电机的最终控制律，并根据最终控制律对伺服电机进行控制。进一步作为优选的实施方式，所述伺服电机为交流永磁同步伺服电机。参照图2，进一步作为优选的实施方式，所述步骤A，其包括：A1、构建交流永磁同步伺服电机的数学模型，所述交流永磁同步伺服电机的数学模型为：其中，分别是d，q坐标下的定子电压；是定子电流；λd，λq是定子磁链；Ld，Lq是电感分量；ωf，分别是电机的电角度和给定转速；Lmd是定子相电感；Idf是等效电流；np是定子磁极对数；Rs是定子电阻；A2、根据交流永磁同步伺服电机的数学模型得到相应的电磁转矩方程和动力方程，并采用矢量控制法对动力方程和电磁转矩方程进行化简，从而得到伺服电机输出的导数，所述伺服电机输出的导数为：其中，Tl为负载力矩，Bm是摩擦系数，J是转动惯量，Δa、Δb和Δc均为系统的参数摄动，iq为矢量q轴的控制电流；A3、对伺服电机的速度误差进行定义，并对速度误差进行求导，所述伺服电机的速度误差e(t)及速度误差的导数的表达式为：参照图本文档来自技高网...

【技术保护点】
融合滑模控制和分数阶神经网络控制的伺服电机控制方法，其特征在于：包括：A、构建伺服电机的数学模型，并对构建的数学模型进行描述，从而得到伺服电机的输出、速度误差以及速度误差的导数；B、根据伺服电机的速度误差以及速度误差的导数设计分数阶滑模控制器，从而得到抑制系统抖震的滑模控制律；C、采用神经网络逼近算法对得到的滑模控制律进行逼近，从而得到逼近后的滑模控制律；D、采用自适应控制法对逼近后的滑模控制律进行在线调整，从而得到伺服电机的最终控制律，并根据最终控制律对伺服电机进行控制。

【技术特征摘要】
1.融合滑模控制和分数阶神经网络控制的伺服电机控制方法，其特征在于：包括：A、构建伺服电机的数学模型，并对构建的数学模型进行描述，从而得到伺服电机的输出、速度误差以及速度误差的导数；B、根据伺服电机的速度误差以及速度误差的导数设计分数阶滑模控制器，从而得到抑制系统抖震的滑模控制律；C、采用神经网络逼近算法对得到的滑模控制律进行逼近，从而得到逼近后的滑模控制律；D、采用自适应控制法对逼近后的滑模控制律进行在线调整，从而得到伺服电机的最终控制律，并根据最终控制律对伺服电机进行控制；所述伺服电机为交流永磁同步伺服电机；所述步骤A，其包括：A1、构建交流永磁同步伺服电机的数学模型，所述交流永磁同步伺服电机的数学模型为：其中，分别是d，q坐标下的定子电压；是定子电流；λd，λq是定子磁链；Ld，Lq是电感分量；ωf，分别是电机的电角度和给定转速；Lmd是定子相电感；Idf是等效电流；np是定子磁极对数；Rs是定子电阻；A2、根据交流永磁同步伺服电机的数学模型得到相应的电磁转矩方程和动力方程，并采用矢量控制法对动力方程和电磁转矩方程进行化简，从而得到伺服电机输出的导数，所述伺服电机输出的导数为：其中，Tl为负载力矩，Bm是摩擦系数，J是转动惯量，△a、△b和△c均为系统的参数摄动，iq为矢量q轴的控制电流；A3、对伺服电机的速度误差进行定义，并对速度误差进行求导，所述伺服电机的速度误差e(t)及速度误差的导数的表达式为：所述步骤B，其包括：B1、选择分数阶滑模控制器的分数阶切换流形面，所述分数阶切换流形面s的表达式为：其中，k∈R+为滑模面增益，R+为正实数，为分数阶微积分算子，τ为积分变量；B2、对分数阶切换流形面s进行一阶求导，并将速度误差的导数代入求导后的表达式，得到分数阶切换流形面s的导数，所述分数阶切换流形面s的导数的表达式为：其中，为给定转速的导数；B3、根据分数阶切换流形面s的导数得到滑模等效控制律，所述滑模等效控制律iqe的表达式为：...

【专利技术属性】
技术研发人员：张碧陶，高福荣，姚科，
申请(专利权)人：广州市香港科大霍英东研究院，
类型：发明
国别省市：广东;44