一种输入受限时电机伺服系统渐进跟踪控制方法和系统技术方案

本发明专利技术提供一种输入受限时电机伺服系统渐进跟踪控制方法及控制系统，控制方法包括以下步骤：建立电机伺服系统模型；设计输入受限渐进跟踪控制器；合理的设计参数，实现在输入受限情况下的渐进跟踪控制。控制系统包括第一模块和第二模块，第一模块用于建立电机伺服系统模型，第二模块用于设计输入受限渐进跟踪控制器。本发明专利技术提供的输入受限时电机伺服系统渐进跟踪控制方法及控制系统采用基于误差符号积分的鲁棒控制器，实现了在干扰存在的情况下的渐进跟踪性能，同时避免了控制量的抖振。

【技术实现步骤摘要】
一种输入受限时电机伺服系统渐进跟踪控制方法和系统
本专利技术涉及电机伺服控制领域，特别涉及一种输入受限时电机伺服系统渐进跟踪 控制方法。
技术介绍
电机伺服系统具有响应速度快、维护方便、传动效率高及能源获取方便等突出优 点，在工业领域得到了广泛的应用，如电动汽车、机床进给、工业机械手等。近年来这些领域 的蓬勃发展，迫切需要设计新型的电机伺服系统运动控制器，以满足越来越苛刻的性能指 标需求。电机伺服系统存在诸多的模型不确定性，包括参数不确定性（如电气增益、随温度 及磨损变化的摩擦特性参数等）和不确定非线性（如未建模外干扰、非线性摩擦、输入饱和 等），这些不确定性的存在，必然导致原有基于名义模型设计的控制器的性能衰减甚至导致 系统不稳定。 针对电机伺服系统以上诸多复杂问题，先进控制策略的研究工作已大量开展，目 前常用的控制方法有自适应、滑膜、自适应鲁棒、误差符号积分等。自适应控制对参数不确 定性和不确定非线性中的可参数化部分，可以有效的估计并实现一定的模型补偿，然而对 于不可参数化的不确定非线性项，自适应控制无能为力，这一定程度上限制了其在高精度 跟踪控制场合的适用性；滑膜控制方法简单，且对于存在有界干扰的系统可以实现渐进的 跟踪控制，然而滑膜控制器中不连续符号函数所带来的颤振现象，易导致系统控制性能的 衰减，甚至容易激发系统的高频未建模动态，造成系统失稳，现有的改善滑膜抖动措施的控 制方法较少且复杂；自适应鲁棒控制兼顾了系统的参数不确定性和不确定非线性，在工业 领域得到了很多的较好的尝试，然而自适应鲁棒控制中的鲁棒项，其设计依赖所有不确定 项的最大上界，这不可避免的存在高增益反馈的保守性，当外干扰逐渐增大时，这种保守型 将愈专利技术显，此外在干扰存在的情况下，自适应鲁棒控制器只可实现有界稳定；误差符号积 分鲁棒控制可以实现存在不确定非线性的情况下的渐进跟踪控制，在电动机械手上得到了 很好的应用，而传统误差符号积分鲁棒控制器只能实现半全局稳定。此外，以上各控制方 法，在应用时对于系统物理限制（如输入受限）并未充分考虑。 总的来说，现有电机伺服系统控制技术的不足之处主要有以下几点：（1)系统不 确定非线性考虑不充分。这主要包括两方面，首先是系统的非线性摩擦项，以往的控制器设 计中，大多只考虑系统粘性摩擦，而对于摩擦中存在的低速时的Stribeck效应并未考虑， 这对于低速跟踪控制场合极为不利，此外，虽然LuGre摩擦模型中考虑了 Stribeck效应，但 相应的摩擦特性参数较难获取；其次是系统不可避免的外部干扰项，这必然导致所涉及控 制器的性能降价。（2)未考虑实际物理限制。由于实际硬件条件或者其他特殊指标需求，系 统的输入常常会有预设的幅值限制，这给原控制器的有效性带来很大的威胁，应该加以考 虑。（3)高增益反馈。这在滑膜和自适应鲁棒的设计中都有一定的体现，以不确定项的最大 上界作为反馈来减小跟踪误差，在存在设计保守性的同时，甚至容易激发系统高频未建模 动态，造成系统失稳。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足，本专利技术提供一种输入受限时电机伺服系统的渐进 跟踪控制方法及控制系统，采用基于误差符号积分的鲁棒控制器，实现了在干扰存在的情 况下的渐进跟踪性能，同时避免了控制量的抖振。 一种输入受限时电机伺服系统渐进跟踪控制方法，包括以下步骤： 步骤1，建立电机伺服系统模型； 步骤2,设计输入受限渐进跟踪控制器； 步骤3,合理的设计参数，在输入受限情况下的渐进跟踪控制。 作为本专利技术的改进，步骤1中电机伺服系统模型的建立过程为： 步骤1. 1，建立电机伺服系统的动力学方程（1)、（2)， m:\' = IiiU - FJj') + A (D F1 (y) (tanh(.s', v) - t.anh(.s\ v)) + r2 tanh(.s', v) + r. v (2) 其中m为惯性负载，y是系统输出的位置，u是控制输入，Iii为电压力矩常数，Λ为 未建模干扰项；^(j)为摩擦项，具体形式如公式（2)所示，其中 Γι，r2, 1*3为表征摩擦特性 的权重因子，Sl，s2, S3为不同摩擦部分的形状因子； 步骤1. 2,定义状态变量X = = [.v，j]，则动力学方程转化为： 」2 , ' (3) Inx2 - U- ^l Z1 (X2)-)_^xI + 其中 Θ 1 = Α/Χ，Θ 2 = Γ2/Χ，θ 3 = 1·3/Χ，d = Δ/kp A(X2) = tanh (S1X2)-tanh (S2X2), f2 (x2) = tanh (S3X2), m 为等效已知惯性负载； 假设非线性项d存在二阶导数，且有界，即满足p卜σ2; 〇1，〇2大于零的 已知常数。 作为本专利技术的一种改进，步骤2的具体过程为： 步骤2. 1，定义电机伺服系统误差变量： 根据公式（3)定义如下系列误差变量： 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种输入受限时电机伺服系统渐进跟踪控制方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤1，建立电机伺服系统模型； 步骤2，设计输入受限渐进跟踪控制器； 步骤3，合理的设计参数，实现在输入受限情况下的渐进跟踪控制。

【技术特征摘要】
1. 一种输入受限时电机伺服系统渐进跟踪控制方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤1，建立电机伺服系统模型； 步骤2,设计输入受限渐进跟踪控制器； 步骤3,合理的设计参数，实现在输入受限情况下的渐进跟踪控制。2. 根据权利要求1所述的输入受限时电机伺服系统渐进跟踪控制方法，其特征在于， 步骤1中电机伺服系统模型的建立过程为： 步骤1. 1，建立电机伺服系统的动力学方程（1)、（2)，其中m为惯性负载，y是系统输出的位置，u是控制输入，h为电压力矩常数，△为未 建模干扰项；G ()')为摩擦项，具体形式如公式（2)，其中IV r2, r3为表征摩擦特性的权重因 子，Sl，s2, S3为不同摩擦部分的形状因子； 步骤1. 2,定义状态变量X = &，心；| = [.v，.々]，则动力学方程转化为： ^ , (3) Inx2 =ii-0.j. (x2) - 0Kj, (x2) - 61 x2 + d 其中 0 I = !^ki, 0 2 = 0 3 = ^Vki, d = A/kp (x2) = tanh (S1X2) -tanh (S2X2)，f2 (x2) = tanh (S3X2)，W 为等效已知惯性负载； 假设非线性项d存在二阶导数，且有界，即满足p卜(J2 ; 〇 〇 2为大于零的已 知常数。3. 根据权利要求1所述的输入受限时电机伺服系统渐进跟踪控制方法，其特征在于， 步骤2的具体过程为： 步骤2. 1，定义电机伺服系统误差变量： 根据公式（3)定义如下系列误差变量：公式⑷中，Z2为辅助误差量，Xld为系统跟踪位置指令，Z1 = X1-Xld为系统跟踪误差， X2M为辅助信号量，1~和Zf为辅助误差量，用于随后的控制器设计，kp k2, krt，1^2均为正的 反馈增益； 结合公式（4)的第四个方程和公式（2)可得：公式（5)中苹=M [./;(-r2)-./;(ih/)], 5: = 4[./2(A、)-./2(ih,.小 条件；公式（6)中ua表不模型补偿控制器，us表不鲁棒控制器，V表不虚拟辅助控制量，0表 示正的可调参数，Y1表示一个正实数用于调节鲁棒控制器，4 = 表示系统各 未知参数估计值，^表示参数自适应律，r表示自适应回归参数矩阵，么:表示基于指令的 参数回归器，公式（6)第六个方程表示实际应用时参数估计值的计算方法； 将公式（6)中控制量u代入公式（5)中，可得公式（7)、（8)中，4 表示参数估计误差； 步骤2. 3,验证系统稳定性： 定义李亚普诺夫函数如下：公式（10)中 @ 选取 @ （^ 〇 2/k2) / Y i ; 对李亚普诺夫函数求导，结合公式（4)、出）、（8)和利普希茨条件证明控制器稳定性。4. 根据权利要求1所述的输入受限时电机伺服系统渐进跟踪控制方法，其特征在于， 步骤3参数包括Ic1, k2, krt, 1?, Y i,参数设计合理的标准为： (1) 满足矩阵A为正定矩阵，(2) 保证电机伺服系统的控制输入u在冒犯输入约束值时能迅速降幅并稳定在系统允 许的正常值，同时保证控制器的有效作用； (3) 系统跟踪误差明显小于PID控制器作用下的跟踪误差，其中PID控制器的参数由 MATLAB自带的PID工具箱自整定得到。5. -种输入受限时电机伺服系统渐进跟踪控制系统，包括第一模块和第二模块，其特 征在于： 第一模块用于建立电机伺服系统模型； 第二模块用于设计输入受限渐进跟踪控制器。6. 根据权利要求5所述的输入受限时电机伺服系统渐进跟踪控制系统，其特征在于， 第一模块具体建立方式如下： 根据牛顿第二定律，电机伺服系统的动力学方程为其中m为惯性负载，y是系统输出的位置，u是控制输入，h为电压力矩常数，△为未 建模干扰项；...

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