基于线性扩张状态观测器的转动惯量辨识系统技术方案

本实用新型专利技术属于伺服控制系统中电机控制技术领域，涉及基于线性扩张状态观测器的转动惯量辨识系统。所述基于线性扩张状态观测器的转动惯量辨识系统包括：加法运算环节、伺服控制系统电流环环节、线性扩张状态观测器环节、第一标幺化环节、第二标幺化环节、转矩系数环节、第三比例环节、第四比例环节和机械环节。通过本实用新型专利技术的技术方案能够有效地辨识出交流伺服系统中电机的转动惯量，使得交流伺服系统转速环性能得到提升；并且具有使用方便、适应性强以及鲁棒性强的优点，使得控制品质对转动惯量的变化不敏感，适合于环境恶劣的工业现场。

Rotating Inertia Identification System Based on Linear Extended State Observer

The utility model belongs to the technical field of motor control in servo control system, and relates to a rotary inertia identification system based on linear extended state observer. The inertia identification system based on linear extended state observer includes additive operation link, current loop link of servo control system, linear extended state observer link, first standardization link, second standardization link, torque coefficient link, third proportional link, fourth proportional link and mechanical link. The technical scheme of the utility model can effectively identify the inertia of the motor in the AC servo system, which improves the performance of the speed loop of the AC servo system, and has the advantages of convenient use, strong adaptability and strong robustness, so that the control quality is insensitive to the change of the inertia and is suitable for the industrial field with harsh environment.

【技术实现步骤摘要】
基于线性扩张状态观测器的转动惯量辨识系统
本技术涉及伺服控制系统中电机控制技术，具体涉及基于线性扩张状态观测器(LESO)的转动惯量辨识系统。
技术介绍
随着“工业4.0”和“中国制造2025”的提出，机器人、数控系统被大量应用，交流伺服系统作为关键零部件，应符合我国出台的《交流伺服驱动器通用技术条件》JB/T10184-2014中的相关标准。因此，转速环动态性能和抗扰动性能是交流伺服系统的重要性能指标。理论上，交流伺服系统的转速环采用传统的PI控制器可实现无静差调节。然而，在交流伺服系统的实际运行中，由于工况条件变化的存在，伺服控制系统带动不同负载时将引起电机中的转动惯量J变化，导致控制对象发生变化，进而会导致系统动态过程发生变化，不能够实现扰动的全补偿，使得普通的PI控制难以应对诸多的应用场合，影响其在动态性能和抗扰动性能上的表现。为了在转动惯量变化的场合下获得更理想的控制效果，需要对传统的PI控制进行改进。为适应转动惯量变化的应用场合，可对转动惯量进行辨识，然而传统的电机转动惯量辨识算法需要另外编程并调试，增加系统工作量。
技术实现思路
为解决现有技术中所存在的问题，本技术提供基于线性扩张状态观测器(LESO)的转动惯量辨识系统，通过本技术的技术方案能够有效地辨识出交流伺服系统中电机的转动惯量，使得交流伺服系统转速环性能得到提升；并且具有使用方便、适应性强以及鲁棒性强的优点，使得控制品质对转动惯量的变化不敏感，适合于环境恶劣的工业现场。本技术提供基于线性扩张状态观测器的转动惯量辨识系统，包括加法运算环节、伺服控制系统电流环环节、线性扩张状态观测器环节、第一标幺化环节、第二标幺化环节、转矩系数环节、第三比例环节、第四比例环节和机械环节；所述加法运算环节的其中一个输入来自伺服控制系统转速环的输出控制量，加法运算环节的输出控制量传送至电流环环节，电流环环节的输出分别传送至转矩系数环节和第一标幺化环节；所述转矩系数环节的输出传送至机械环节，机械环节的输出机械角速度传送至第二标幺化环节，第二标幺化环节的输出传送至线性扩张状态观测器环节的其中一个输入；所述第一标幺化环节的输出传送至第三比例环节，第三比例环节的输出传送至线性扩张状态观测器环节的另一个输入；所述线性扩张状态观测器环节的其中一个输出传送至第四比例环节的输入，第四比例环节的输出传送至加法运算环节的另一个输入。优选地，所述线性扩张状态观测器环节包括：第一加法运算环节、第二加法运算环节、第一比例环节、第二比例环节、第一积分环节和第二积分环节；第一加法运算环节的其中一个输入来自第二标幺化环节处理结果，第一加法运算环节的输出量分别传送至第一比例环节和第二比例环节；第一比例环节的输出传送至第二加法运算环节其中的一个输入，第二比例环节的输出传送至第一积分环节的输入；第一积分环节的输出作为线性扩张状态观测器结构的其中一个输出，同时传送至第二加法运算环节其中的一个输入；第二加法运算环节的输出传送至第二积分环节的输入，第二积分环节的输出作为线性扩张状态观测器结构的另一个输出，同时传送至第一加法运算环节的另一个输入。从以上技术方案可知，本技术对转速环普通PI控制器进行改造，加入所述线性扩张状态观测器，将转速环PI控制器作为状态误差反馈控制率，与所述扩张状态观测器构成自抗扰控制器，将电机转动惯量变化中不确定性的部分观测出来，作用于执行器的输入部分，实现“未知扰动”的补偿，增加控制对象模型参数精度，提升交流伺服系统转速环的动态性能和抗扰动性能。本技术相对于现有技术具有如下的优点及效果：(1)本技术在传统的PI控制基础上加上线性扩张状态观测器，将PI控制和线性扩张状态观测器相结合，实现交流伺服控制系统中的转动惯量辨识，使得控制品质对转动惯量的变化不敏感，伺服控制系统具有适应性强以及鲁棒性强的优点，适合于环境恶劣的工业现场；(2)将线性扩张状态观测器的输出量引回交流伺服控制系统转速环中，作为转速环总控制量的一部分，将有效地逼近伺服控制系统的未建模部分和未知扰动，通过补偿将其作用抵消，实现扰动的实时观测以及补偿功能；同时本技术线性扩张状态观测器通过带宽参数化，选取合适的扩张状态观测器的系数，达到简化设计控制器和使用方便的目的。结合附图阅读本技术实施方式的详细描述后，本技术的其他特点和优点将变得更加清楚。附图说明图1为本技术一个实施例中加入线性扩张状态观测器的转速环控制系统结构框图；图2为图1中第一标幺化环节结构框图；图3为图1中第二标幺化环节结构框图；图4为图1中转矩系数环节结构框图；图5为图1中第三比例环节结构框图；图6为图1中第四比例环节结构框图；图7为本技术一个实施例中二阶线性扩张状态观测器结构框图；图8为图7中第一比例环节结构框图；图9为图7中第二比例环节结构框图；图10为本技术一个实施例中二阶线性扩张状态观测器的输出波形图。具体实施方式下面结合实施例及附图对本技术作进一步详细的描述，但本技术的实施方式并不因此限定于以下实施例。本实施例基于线性扩张状态观测器的转动惯量辨识方法及系统应用于永磁交流伺服系统的转速环。在永磁交流伺服系统实际运行过程中，存在转动惯量变化和负载转矩变化等扰动环节的影响。这些时变扰动过程，将使得永磁交流伺服系统常用的PI控制器难以完全应对，最终导致永磁交流伺服系统转速环动态性能与抗扰动性能的下降。为了抑制扰动影响，根据自抗扰控制技术理论中扩张状态观测器的设计理论，可以使用图1所示的加入线性扩张状态观测器的转速环控制结构。在永磁交流伺服系统中，线性扩张状态观测器应用于转速环上，转速环的被控对象的数学表达式为电流环闭环传递函数与电机机械环节的串联形式。在已知系统模型的基础上，要对线性扩张状态观测器进行设计，本实施例选取线性扩张状态观测器的参数为ω0＝5～10ωbn，ωbn为转速环的频带宽度。通过实验，最终转速环的二阶线性扩张状态观测器对应的参数为：使用加入线性扩张状态观测器的转速环控制结构，能够对转动惯量变化有效地辨识出来，更新自抗扰控制器的参数后，使得转速环动态性能与抗扰动性能得到提升。也就是说，在永磁交流伺服系统实际运行过程中，控制对象中存在时变的转动惯量变化，转动惯量变化将降低原控制器的控制性能，本实施例通过对转速环普通PI控制器进行改造，加入线性扩张状态观测器，将转速环PI控制器作为状态误差反馈控制率，与所述扩张状态观测器构成了自抗扰控制器。本实施例采用加入线性扩张状态观测器的转速环控制结构，可以有效地辨识扰动惯量变化；通过更新自抗扰控制器的参数，消除转动惯量扰动，使得自抗扰控制器对控制对象中的转动惯量变化不敏感，提升伺服控制系统的动态性能与抗扰动性能。其中，线性扩张状态观测器是基于自抗扰控制技术理论设计的，与转速环PI控制器构成并联结构，二者输出控制量之和作为电流环的给定。基于线性扩张状态观测器的转动惯量辨识系统，在一个实施例中，如图1所示包括：加法运算环节、伺服控制系统电流环环节、线性扩张状态观测器环节、第一标幺化环节、第二标幺化环节、转矩系数环节、第三比例环节、第四比例环节和机械环节。所述加法运算环节的其中一个输入来自伺服控制系统转速环的输出控制量u0，加法运算环节的输本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于线性扩张状态观测器的转动惯量辨识系统，其特征在于，包括：加法运算环节、伺服控制系统电流环环节、线性扩张状态观测器环节、第一标幺化环节、第二标幺化环节、转矩系数环节、第三比例环节、第四比例环节和机械环节；所述加法运算环节的其中一个输入来自伺服控制系统转速环的输出控制量，加法运算环节的输出控制量传送至电流环环节，电流环环节的输出分别传送至转矩系数环节和第一标幺化环节；所述转矩系数环节的输出传送至机械环节，机械环节的输出机械角速度传送至第二标幺化环节，第二标幺化环节的输出传送至线性扩张状态观测器环节的其中一个输入；所述第一标幺化环节的输出传送至第三比例环节，第三比例环节的输出传送至线性扩张状态观测器环节的另一个输入；所述线性扩张状态观测器环节的其中一个输出传送至第四比例环节的输入，第四比例环节的输出传送至加法运算环节的另一个输入。

【技术特征摘要】
1.基于线性扩张状态观测器的转动惯量辨识系统，其特征在于，包括：加法运算环节、伺服控制系统电流环环节、线性扩张状态观测器环节、第一标幺化环节、第二标幺化环节、转矩系数环节、第三比例环节、第四比例环节和机械环节；所述加法运算环节的其中一个输入来自伺服控制系统转速环的输出控制量，加法运算环节的输出控制量传送至电流环环节，电流环环节的输出分别传送至转矩系数环节和第一标幺化环节；所述转矩系数环节的输出传送至机械环节，机械环节的输出机械角速度传送至第二标幺化环节，第二标幺化环节的输出传送至线性扩张状态观测器环节的其中一个输入；所述第一标幺化环节的输出传送至第三比例环节，第三比例环节的输出传送至线性扩张状态观测器环节的另一个输入；所述线性扩张状态观测器环节的其中一个输出传送至第四比例环节的输入，第四比例环节的输出传送至加法运算环节的另一个输入。2.根据权利要求1所述的转动惯量辨识系统，其特征在于：所述线性扩张状态观测器环节包括：第一加法运算环节、第二加法运算环节、第一比例环节、第二比例环节、第一积分环节和第二积分环节；第一加法运算环节的其中一个输入来自第二标幺化环节处理结果，第一加法运算环节的输出量分别传送至第一比例环节和第二比例环节；第一比例环节的输出传送至第二加法运算环节其中的一个输入，第二比例环节的输出传送至第一积分环节的输入；第一积分环节的输出作为线性扩张状态观测器结构的其中一个输出，同时传送至第二加法运算环节其中的一个输入；第二加法运算环节的输出传送至第二积分环节的输入，第二积分环节的输出作为线性扩张状态观测器结构的另一个输出，同时传送至第一加法运算环节的另一个输入。3.根据权利要求1所述的转动惯量辨识系统，其特征在于：所述线性扩...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓二凡，王孝洪，李昱廷，高孝君，潘志锋，黄氏秋江，田联房，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：新型
国别省市：广东,44