本发明专利技术提供一种含磁滞补偿的电机伺服系统预设性能跟踪控制方法，包括以下步骤：步骤1，建立含磁滞的电机伺服系统模型；步骤2，设计含磁滞补偿的预设性能跟踪控制方法；步骤3，设计系统参数，满足系统跟踪误差最小。本发明专利技术选用电机伺服系统作为研究对象，同时考虑了系统参数不确定性、非线性摩擦特性、未建模外干扰以及磁滞非线性，设计了优良的跟踪控制器，建立了包含线性项和有界干扰项的磁滞模型，便于进行控制器设计；且针对系统参数不确定性和未建模干扰项，采用自适应鲁棒控制方法，实现了较好的参数估计和鲁棒有界稳定。
【技术实现步骤摘要】
一种含磁滞补偿的电机伺服系统预设性能跟踪控制方法
本专利技术涉及一种控制方法，特别是一种含磁滞补偿的电机伺服系统预设性能跟踪控制方法。
技术介绍
电机伺服系统具有响应速度快、加速性能好、维护方便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，如转台、工业机械手、电动汽车等。随着相关领域的蓬勃发展，工程设计的性能指标也越来越苛刻，对于电机伺服系统新型控制器的需求开始变得迫切。然而电机伺服系统中广泛存在诸多模型不确定性，包括参数不确定性(如负载力、随温度及磨损变化的摩擦特性参数等)和不确定非线性(如非线性摩擦、非线性磁滞等)，这些都给工程设计人员带来很大的困难，从而制约着相关领域的发展。针对电机伺服系统以上诸多复杂问题，相关学者开展了大量的研究工作，也推进着电机伺服控制技术的向前发展。自适应控制对于系统模型中的可参数化部分，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部分，自适应控制无能为力，并且对于存在较强外干扰的场合，自适应控制常常面临发散的危险，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，且滑模控制常常以高增益反馈为代价，极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；神经网络控制针对不确定非线性，可以实现较好的参数化估计，并且通过回归器的合适选取，估计误差可任意小，然而神经网络的计算量较大，与电机伺服系统的高响应速度特性存在冲突，导致其在实际工程的应用出现瓶颈。对实际中时常面临的预设性能要求，现有的控制方法却较少提交。所谓预设性能需求是指，伺服系统的跟踪性能不仅需要满足一定的稳态指标，而且跟踪误差的收敛速度、超调量等重要指标，也存在预先设定的界限。此外，伺服电机中普遍存在磁滞非线性现象，虽然其对系统稳定性不构成严重威胁，但是却极易导致系统在低频段的相位滞后，影响控制器的最终性能。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)对于系统的预设性能关注较少。当工程实际中对于系统存在预设性能需求时，如何在控制器设计中融合进这些预设需求，现有的控制方法中也很少提及，这在一定程度上限制了现有控制方法的适用性，此外系统运行初始时刻执行器所表现出来的瞬态特性，对系统的后续运行稳定性影响很大，现有的电机伺服系统控制设计中大多只关注稳态性能，即稳态跟踪精度和稳定性，这显然使得控制的设计不够充分；(2)未考虑磁滞非线性。磁滞非线性作为电机的固有特性，在控制器设计中如果不加以考虑，却极易导致系统在低频段的相位滞后，影响控制器的最佳性能；(3)高增益反馈。这在传统滑膜控制器设计中较为明显，以不确定项的最大上界作为负反馈来减小跟踪误差，在存在设计保守性的同时，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
为了克服现有技术存在的问题，本专利技术提供一种充分考虑预设性能需求、系统磁滞非线性和存在高增益反馈的含磁滞补偿的电机伺服系统预设性能跟踪控制方法。一种含磁滞补偿的电机伺服系统预设性能跟踪控制方法，包括以下步骤：步骤1，建立含磁滞的电机伺服系统模型，具体方法为：步骤1.1，建立电机伺服系统的动力学方程u＝cv(t)+d(v)(4)公式(3)中m为惯性负载，ki为电压力矩常数，d1为未建模干扰项，y,和分别为系统位置、速度和加速度信号，为摩擦项，u为有效控制输入；公式(4)中c为磁滞特性参数，v(t)为t时刻控制器的输出控制量，d(v)为由非线性磁滞产生的有界干扰；公式(5)中r1,r2,r3为表征摩擦特性的权重因子，s1,s2,s3为不同摩擦部分的形状因子；步骤1.2，定义状态变量则动力学方程转化为：公式(6)中θ1＝cki/m，θ2＝r1/m,θ3＝r2/m,θ4＝r3/m,Δ＝d(v)+d1,f1(x2)＝tanh(s1x2)-tanh(s2x2),f2(x2)＝tanh(s3x2)，假设参数θ1,θ2,θ3,θ4均为未知常值，总干扰项Δ有界。步骤2，设计含磁滞补偿的预设性能跟踪控制方法，具体过程如下：步骤2.1，定义预设性能函数公式(10)跟踪误差e＝x1-x1d，x1d为系统跟踪的位置指令，其需满足以下性能指标公式(7)中δ和为正的可设计参数，ρ(t)为正的递增光滑函数，对公式(10)求反函数可得步骤2.2，定义辅助误差量：则由公式(6)和公式(11)得公式(14)中步骤2.3，对公式(14)作如下改进：公式(15)中步骤2.4，设计控制律，确定实际控制器输入v，控制律为：vs＝vs1+vs2vs1＝-k2z2公式(10)中va表示模型补偿控制器，vs表示鲁棒控制器，表示系统各未知参数估计值，表示参数自适应律，Γ表示自适应回归参数矩阵，表示基于指令的参数回归器，k2为正的反馈增益，ε为可设计参数；步骤2.4，定义李亚普诺夫函数如下：步骤2.5，定义矩阵Λ步骤3，设计系统参数包括k1,k2，ε，δ，其设计要求满足矩阵Λ为正定矩阵，且跟踪误差e最小。本专利技术与现有技术相比，具有以下优点：(1)本专利技术选用电机伺服系统作为研究对象，同时考虑了系统参数不确定性、非线性摩擦特性、未建模外干扰以及磁滞非线性，设计了优良的跟踪控制器；(2)针对磁滞非线性，建立了包含线性项和有界干扰项的磁滞模型，便于进行控制器设计；(3)针对系统参数不确定性和未建模干扰项，采用自适应鲁棒控制方法，实现了较好的参数估计和鲁棒有界稳定；(4)针对预设性能需求，采用预设性能函数，实现了对跟踪误差的合理规划，通过对转换误差设计优良的跟踪控制器，从而保证了跟踪误差满足预设的性能需求。下面结合说明书附图对本专利技术做进一步说明。附图说明图1是本专利技术的电机伺服系统示意图；图2是本专利技术控制方法原理示意图；图3系统跟踪的位置指令曲线；图4是系统运行初始5s的跟踪误差对比曲线；图5式系统运行稳态段最后10s的跟踪误差对比曲线；图6是系统各参数估计值曲线；图7系统控制输入曲线；图8是本专利技术的方法流程图。具体实施方式结合图1、图2和图8，一种含磁滞补偿的电机伺服系统预设性能跟踪控制方法，包括以下步骤：步骤1，建立含磁滞的电机伺服系统模型，具体方法如下：建立磁滞模型如下：公式(1)中u为磁滞模型输出，即有效控制输入，c，a和B1为磁滞特性参数，且满足c＞B1，v为控制器的输出控制量。公式(1)可转化为：u＝cv(t)+d(v)公式(2)中u0和v0表示初值。分析公式(2)可知，转换后的磁滞模型由斜率为c的线性项和干扰项d(v)组成，且d(v)项的界可知。步骤1.1，建立含磁滞的电机伺服系统模型，根据牛顿第二定律，电机伺服系统的动力学方程为：u＝cv(t)+d(v)(4)公式(3)为电机伺服系统动力学方程，由于电气部分的带宽远远高于机械部分带宽，工程实际中关注的系统性能一般多受机械部分性能制约，因此本专利技术中的电机伺服系统建模忽略了电气部分动态。公式(3)中m为惯性负载，ki为电压力矩常数，d为未建模干扰项，y和分别为系统位置和速度信号，为摩擦项，具体为公式(5)所示连续可微形式；公式(5)中r1,r2,r3为表征摩擦特性的权重因子，s1,s2,s3为不同本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种含磁滞补偿的电机伺服系统预设性能跟踪控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，建立含磁滞的电机伺服系统模型；步骤2，设计含磁滞补偿的预设性能跟踪控制方法；步骤3，设计系统参数，满足系统跟踪误差最小。
【技术特征摘要】
1.一种含磁滞补偿的电机伺服系统预设性能跟踪控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，建立含磁滞的电机伺服系统模型；步骤2，设计含磁滞补偿的预设性能跟踪控制方法；步骤3，设计系统参数，满足系统跟踪误差最小；其中，步骤1中系统模型建立方法为：步骤1.1，建立电机伺服系统的动力学方程u＝cv(t)+d(v)(4)公式(3)中m为惯性负载，ki为电压力矩常数，d1为未建模干扰项，y，和分别为系统位置、速度和加速度信号，为摩擦项，u为有效控制输入；公式(4)中c为磁滞特性参数，v(t)为t时刻控制器的输出控制量，d(v)为由非线性磁滞产生的有界干扰；公式(5)中r1,r2,r3为表征摩擦特性的权重因子，s1,s2,s3为不同摩擦部分的形状因子；步骤1.2，定义状态变量则动力学方程转化为：公式(6)中θ1＝cki/m，θ2＝r1/m，θ3＝r2/m，θ4＝r3/m，Δ＝d(v)+d1，f1(x2)＝tanh(s1x2)-tanh(s2x2)，f2(x2)＝tanh(s3x2)；步骤2的具体过程如下：步骤2.1，定义预设性能函数公式(10)跟踪误差e＝x1-x1d，x1d为系统跟踪的位置指令，其需满足以下性能指标公式(7)中δ和为正的可设计参数，ρ(t)为正的递增光滑函数，对公式(10)求反函数可得
【专利技术属性】
技术研发人员：董振乐，姚建勇，马大为，胡健，
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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