一种基于误差镇定和有限时间参数辨识的机电伺服系统摩擦补偿控制方法技术方案

一种基于误差镇定和有限时间参数辨识的机电伺服系统摩擦补偿控制方法，包括：建立机电伺服系统和摩擦模型，初始化系统状态及控制参数；设计有限时间参数辨识方法，在线估计未知的摩擦模型参数；基于估计的模型参数，设计基于误差镇定的跟踪控制器。本发明专利技术所设计的补偿控制方案对含有不确定摩擦参数的机电伺服系统具有较好的跟踪控制效果，能够精确实现未知参数的在线估计，提高机电伺服系统的跟踪控制性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于机电伺服系统控制
，涉及一种基于误差镇定和有限时间参数辨识的机电伺服系统摩擦补偿控制方法，特别是对于含有未知参数的机电伺服系统摩擦参数辨识和补偿控制方法。
技术介绍
随着控制理论及材料科学、电机制造工艺水平等的逐渐提高，机电伺服系统已经广泛的应用在工业自动化及国防科技等领域，其在社会科技发展中占据着越来越重要的地位。为了满足伺服系统日益提高的运动控制性能要求，在控制器设计过程中必须考虑其非线性特性的影响，在众多影响低速性能的因素中，摩擦是最为主要的因素之一，它的存在能够引起伺服系统的低速爬行、双向运动不连续以及极限环震荡等现象，严重影响了闭环系统的控制性能，严重时甚至可能导致系统的损坏。因此，设计合适的补偿控制方法来消除或削弱非线性摩擦对系统的影响，提高伺服系统的控制性能是很有意义的。在对非线性摩擦进行补偿控制时，未知的系统参数和摩擦参数往往对控制方法的提出带来困难，因此，如何准确地估计未知参数成为了设计补偿控制方法的首要问题。目前，大多数用来估计未知参数的方法是在控制律的设计过程引入参数观测器或者预测器，以观测或预测到的参数代替未知参数来设计控制方案，这样做不仅使系统更为复杂，往往还需要持续激励的条件，参数估计精度和估计时间也不一定能满足系统设计的需求。在本专利技术中，设计了一种有限时间参数辨识的方法，使用系统已知状态和控制输入，在有限时间内精确估计出系统和摩擦的未知参数，以满足控制器的设计需要。目前各种控制理论和新的控制方法被用来提高伺服系统的稳态控制性能，包括自适应控制，滑模控制，鲁棒控制以及模型参考自适应控制方法等。经过众多学者的研究，这些方法都能在一定程度上提高系统的跟踪精度，减弱摩擦对系统控制性能的影响。但随着系统对跟踪精度的要求越来越高，控制方法也需要进一
步提高改进。
技术实现思路
为了解决带有未知参数的机电伺服系统摩擦补偿控制问题，使系统能够实现精确跟踪控制和参数辨识，本专利技术提供了一种基于误差镇定和有限时间参数辨识的机电伺服系统摩擦补偿控制方法，该方法采用有限时间参数辨识技术来在线估计系统和非线性摩擦的未知参数，使参数在有限时间内收敛到有效值，并根据参数有效值，将伺服系统的跟踪控制问题转化为跟踪误差的镇定问题，使得系统能够快速稳定并提高系统跟踪精度。为了解决上述技术问题提出的技术方案如下：一种基于误差镇定和有限时间参数辨识的机电伺服系统摩擦补偿控制方法，包括以下步骤：步骤1,建立机电伺服系统和摩擦模型，初始化系统状态及控制参数，过程如下：1.1,机电伺服系统模型表示如下：x·1=x2Jx·2=u-F---(1)]]>其中，x1，x2为系统状态，分别表示电机的位置和转速；J表示系统的转动惯量；u是系统的控制输入；F表示系统摩擦力；1.2,摩擦模型采用Stribeck模型，表示如下：F=F(x2)x2≠0Fex2=0and|Fe|<FsFssign(Fe)otherwise---(2)]]>F(x2)=[Fc+(Fs-Fc)e-(x2/ωs)2]sign(x2)+Bx2---(3)]]>其中，F(x2)是对应于不同电机转速的摩擦力大小；Fe是外部力矩；Fs和Fc分别表示最大静摩擦力矩和库伦摩擦力矩；ωs表示Stribeck角速度；B表示粘性系数；sign(·)是符号函数；步骤2,摩擦模型参数的有限时间辨识设计，过程如下：2.1,将式(3)代入式(1)得：x·1=x2x·2=1Ju-1-e-(x2/ωs)2JFc-e-(x2/ωs)2JFs-x2JB---(4)]]>式(4)中第二式重新写成如下形式：x·2=-1-e-(x2/ωs)2J-e-(x2/ωs)2J-x2JFcFsB+1Ju---(5)]]>定义x＝x2，θ＝[Fc Fs B]T，则式(5)写成如下形式：x·=g1+g2θ---(6)]]>2.2,对x，g1和g2进行滤波操作得：kx·f+xf=x,xf(0)=0kg·1f+g1f=g1,g1f(0)=0kg·2f+g2f=g2,g2f(0)=0---(7)]]>其中，xf，g1f，g2f分别是x，g1，g2滤波后的变量；k滤波调节参数；xf(0)＝0，g1f(0)＝0，g2f(0)＝0分别是xf，g1f，g2f的初值；由式(6)、(7)得：x·f=x-xfk=g1f+g2fθ---(8)]]>2.3,定义虚拟变量Q1和Q2分别为：Q·1=-δQ1+g2fTg2f,Q1(0)=0Q·2=-δQ2+g2fT(x-xfk-g1f),Q2(0)=0---(9)]]>其中，Q1(0)＝0，Q2(0)＝0分别是Q1和Q2的初值；δ是调节参数；2.4,定义向量R表达式为：R=Q1θ^-Q2---(10)]]>其中,是系统未知参数θ的估计值；设计有限时间参数估计律为：θ^·=-ρQ1TR||R||---(11)]]>其中，是的导数；ρ是调节矩阵；步骤3,基于误差镇定的控制律设计，过程如下：3.1,定义位置跟踪误差e1和速度跟踪误差e2组成的向量e为：e=[e1,e2]=[x1-xd,x2-x·d]---(12)]]>其中，xd是给定的参考信号；3.2,由式(1)和式(12)知：x1=e1+xdx2=e2+x·d---(13)]]>e·1=x·1-x·d=x2-x·d=e2---(14)]]>e·2=x·2-x··d=uJ-FJ-x··d---(15)]]>3.3,将式(3)、(13)代入式(14)、(15)得：e·1=e2e·2=x·2-x··d=[-1-e-(x2/ωs)2JFc-e-(x2/ωs)2JFs-x2JB-x··d]+1Ju=[-1-e-(e2+xdωs)2JFc-e-(e2+x·dωs)2JFs-e2+x·dJB-x··d]+1Ju---(16)]]>则对式(1)的跟踪控制问题转化为了对式(14)的误差镇定问题；3.4,设计基于误差镇定的控制律为：u=J[-c1c2e1-(c1+c2)e2+1-e-(e2+x本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于误差镇定和有限时间参数辨识的机电伺服系统摩擦补偿控制方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1,建立机电伺服系统和摩擦模型，初始化系统状态及控制参数，过程如下：1.1,机电伺服系统模型表示如下：x·1=x2Jx·2=u-F---(1)]]>其中，x1，x2为系统状态，分别表示电机的位置和转速；J表示系统的转动惯量；u是系统的控制输入；F表示系统摩擦力；1.2,摩擦模型采用Stribeck模型，表示如下：F=F(x2)x2≠0Fex2=0and|Fe|<FsFssign(Fe)otherwise---(2)]]>F(x2)=[Fc+(Fs-Fc)e-(x2/ωs)2]sign(x2)+Bx2---(3)]]>其中，F(x2)是对应于不同电机转速的摩擦力大小；Fe是外部力矩；Fs和Fc分别表示最大静摩擦力矩和库伦摩擦力矩；ωs表示Stribeck角速度；B表示粘性系数；sign(·)是符号函数；步骤2,摩擦模型参数的有限时间辨识设计，过程如下：2.1,将式(3)代入式(1)得：x&CenterDot;1=x2x·2=1Ju-1-e-(x2/ωs)2JFc-e-(x2/ωs)2JFs-x2JB---(4)]]>式(4)中第二式重新写成如下形式：x·2=-1-e-(x2/ωs)2J-e-(x2/ωs)2J-x2JFcFsB+1Ju---(5)]]>定义x＝x2，θ＝[Fc Fs B]T，则式(5)写成如下形式：x·=g1+g2θ---(6)]]>2.2,对x，g1和g2进行滤波操作得：kx·f+xf=x,xf(0)=0kg·1f+g1f=g1,g1f(0)=0kg·2f+g2f=g2,g2f(0)=0---(7)]]>其中，xf，g1f，g2f分别是x，g1，g2滤波后的变量；k滤波调节参数；xf(0)＝0，g1f(0)＝0，g2f(0)＝0分别是xf，g1f，g2f的初值；由式(6)、(7)得：x·f=x-xfk=g1f+g2fθ---(8)]]>2.3,定义虚拟变量Q1和Q2分别为：Q·1=-δQ1+g2fTg2f,Q1(0)=0Q·2=-δQ2+g2fT(x-xfk-g1f),Q2(0)=0---(9)]]>其中，Q1(0)＝0，Q2(0)＝0分别是Q1和Q2的初值；δ是调节参数；2.4,定义向量R表达式为：R=Q1θ^-Q2---(10)]]>其中,是系统未知参数θ的估计值；设计有限时间参数估计律为：θ^·=-ρQ1TR||R||---(11)]]>其中，是的导数；ρ是调节矩阵；步骤3,基于误差镇定的控制律设计，过程如下：3.1,定义位置跟踪误差e1和速度跟踪误差e2组成的向量e为：e=[e1,e2]=[x1-xd,x2-x·d]---(12)]]>其中，xd是给定的参考信号；3.2,由式(1)和式(12)知：x1=e1+xdx2=e2+x·d---(13)]]>e·1=x·1-x·d=x2-x·d=e2---(14)]]>e·2=x·2-x··d=uJ-FJ-x··d---(15)]]>3.3,将式(3)、(13)代入式(14)、(15)得：e·1=e2e·2=x·2-x··d=[-1-e-(x2/ωs)2JFc-e-(x2/ωs)2JFs-x2JB-x··d]+1Ju=[-1-e-(e2+x·dωs)2JFc-e-(e2+x·dωs)2JFs-e2+x·dJB-x··d]+1Ju---(16)]]>则对式(1)的跟踪控制问题转化为了对式(14)的误差镇定问题；3.4,设计基于误差镇定的控制律为：u=J&ls...

【技术特征摘要】
1.一种基于误差镇定和有限时间参数辨识的机电伺服系统摩擦补偿控制方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1,建立机电伺服系统和摩擦模型，初始化系统状态及控制参数，过程如下：1.1,机电伺服系统模型表示如下：x·1=x2Jx·2=u-F---(1)]]>其中，x1，x2为系统状态，分别表示电机的位置和转速；J表示系统的转动惯量；u是系统的控制输入；F表示系统摩擦力；1.2,摩擦模型采用Stribeck模型，表示如下：F=F(x2)x2≠0Fex2=0and|Fe|<FsFssign(Fe)otherwise---(2)]]>F(x2)=[Fc+(Fs-Fc)e-(x2/ωs)2]sign(x2)+Bx2---(3)]]>其中，F(x2)是对应于不同电机转速的摩擦力大小；Fe是外部力矩；Fs和Fc分别表示最大静摩擦力矩和库伦摩擦力矩；ωs表示Stribeck角速度；B表示粘性系数；sign(·)是符号函数；步骤2,摩擦模型参数的有限时间辨识设计，过程如下：2.1,将式(3)代入式(1)得：x·1=x2x·2=1Ju-1-e-(x2/ωs)2JFc-e-(x2/ωs)2JFs-x2JB---(4)]]>式(4)中第二式重新写成如下形式：x·2=-1-e-(x2/ωs)2J-e-(x2/ωs)2J-x2JFcFsB+1Ju---(5)]]>定义x＝x2，θ＝[Fc Fs B]T，则式(5)写成如下形式：x·=g1+g2θ---(6)]]>2.2,对x，g1和g2进行滤波操作得：kx·f+xf=x,xf(0)=0kg·1f+g1f=g1,g1f(0)=0kg·2f+g2f=g2,g2f(0)=0---(7)]]>其中，xf，g1f，g2f分别是x，g1，g2滤波后的变量；k滤波调节参数；xf(0)＝0，g1f(0)＝0，g2f(0)＝0分别是xf，g1f，g2f的初值；由式(6)、(7)得：x·f=x-xfk=g1f+g2fθ---(8)]]>2.3,定义虚拟变量Q1和Q2分别为：Q·1=-δQ1+g2fTg2f,Q1(0)=0Q·2=-δQ2+g2fT(x-xfk-g1f),Q2(0)=0---(9)]]>其中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈强，陶亮，董方，郭一军，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33