基于非线性观测器的电机位置伺服系统输出反馈控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于非线性观测器的电机位置伺服系统的输出反馈控制方法，属于电机伺服控制领域，该方法包括以下步骤：建立电机位置伺服系统的数学模型；设计非线性状态观测器，设计电机位置伺服系统的基于非线性观测器的输出反馈控制器。本发明专利技术在只有位置状态已知，而速度加速度未知的情况下，提供一种基于非线性观测器的电机位置伺服系统的输出反馈控制方法，减少了硬件成本，有利于在实际工程中应用；本发明专利技术所设计的控制器，充分考虑了系统的非线性摩擦特性以及外干扰等，并且保证系统状态在有限时间内趋于平衡状态，提高了系统的跟踪性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电机位置伺服系统领域，特别是一种基于非线性观测器的电机位置伺服系统输出反馈控制方法。
技术介绍
电机伺服系统具有响应快、维护方便、传动效率高以及能源获取方便等突出优点，广泛应用于各个重要领域，如机器人、机床、航空航天等。随着这些领域的快速发展，对电机伺服系统跟踪性能的要求也越来越高，系统的性能与控制器的设计密切相关。电机伺服系统是一个典型的非线性系统，在设计控制器的过程中会面临许多建模不确定性包括结构不确定性以及非结构不确定性，这些因素可能会严重恶化期望的控制性能，导致不理想的控制精度，产生极限环振荡甚至使所设计的控制器不稳定，从而使控制器的设计变得困难。目前对于电机伺服系统的控制，基于经典三环控制的方法仍是工业及国防领域的主要方法，其以线性控制理论为基础，由内向外逐层设计电流环，速度环及位置环，各环的控制策略大都采用PID校正及其变型。但是随着工业及国防领域技术水平的不断进步，传统基于线性理论的三环控制方法已逐渐不能满足系统的高性能需求，成为限制电机伺服系统发展的瓶颈因素之一。为了提高电机系统的跟踪性能，许多先进的非线性控制器进行了研究，如鲁棒自适应控制，自适应鲁棒控制，滑模控制等等。然而，所有上述方法中使用的全状态反馈控制方法，也就是说，在运动控制中，除了需要位置信号，还需要速度和加速度信号。但对于许多应用中，由于降低成本的需要，仅位置信息可知。此外，严重的测量噪声通常会污染所测的速度和加速度信号，进而恶化实现性能的全状态反馈控制器。因此，迫切需要设计更为实用的非线性输出反馈控制策略。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于非线性观测器的电机位置伺服系统的输出反馈控制方法。实现本专利技术目的的技术方案为：一种基于非线性观测器的电机位置伺服系统的输出反馈控制方法，包括以下步骤：步骤1，建立电机位置伺服系统的数学模型；步骤2，设计非线性状态观测器；步骤3，设计电机位置伺服系统的基于非线性观测器的输出反馈控制器。与现有技术相比，本专利技术的显著优点为：(1)本专利技术在只有位置状态已知，而速度加速度未知的情况下，提供一种基于非线性观测器的电机位置伺服系统的输出反馈控制方法，减少硬件成本，更加有利于在实际工程中应用。(2)本专利技术所设计的控制器，充分考虑了系统的非线性摩擦特性以及外干扰等，并且保证系统状态在有限时间内趋于平衡状态，提高了系统的跟踪性能。附图说明图1为本专利技术基于非线性观测器的电机位置伺服系统的输出反馈控制方法流程图。图2为本专利技术电机伺服系统示意图。图3为两种控制器轨迹跟踪指令示意图。图4为本专利技术所设计控制器作用下系统状态x2的估计值随时间变化的曲线图。图5为两种控制器跟踪误差随时间变化的曲线图。图6为本专利技术所设计的控制器其控制输入随时间变化的曲线图。具体实施方式结合图1、图2，本专利技术的一种基于非线性观测器的电机位置伺服系统的输出反馈控制方法，包括以下步骤：步骤一、建立电机位置伺服系统数学模型根据牛顿第二定律且简化电机的电气动态为比例环节，电机位置伺服系统的运动方程为：my··=kfu-By·-Ff(y·d)+Δ---(1)]]>公式(1)中m为惯性负载参数，y为惯性负载位移，kf为力矩放大系数，u为系统的控制输入，B为粘性摩擦系数，为可建模的非线性摩擦模型，为速度指令，yd为位置指令，Δ为外干扰及未建模的摩擦等不确定性项。选取连续静态摩擦模型为：Ffnd(y·)=l1tanh(l2y·d)+l3[tanh(l4y·d)-tanh(l5y·d)]---(2)]]>公式(2)中l1、l2、l3、l4、l5均为已知常数；此连续静态摩擦模型的特征如下：①此摩擦模型是关于时间连续可微并且关于原点对称的；②库伦摩擦特性可用表达式表征；③静态摩擦系数可用l1+l3的值来近似表示；④表达式可以表征Stribeck效应。选取状态变量为：x＝[x1,x2]T，则电机位置伺服系统的运动学方程可以转化为状态方程形式：x·1=x2-Bmx1x·2=kfmu-1mFfnd(y·d)+Δm---(3)]]>公式(3)中x1表示惯性负载的位移，x2表示另一个不可知的运动状态。步骤二、设计非线性状态观测器对未知状态x2进行估计，首先引入坐标转换体系，引入新状态ξ：ξ＝x2-k1x1(4)公式(4)中k1为设计参数。然后对公式(4)左右两边同时微分，并联合公式(3)可得ξ的动态为：ξ·=-k1ξ+kfmu+k1Bmx1-k12x1-1mFfnd(y·d)+Δm---(5)]]>根据方程(5)，设计出状态观测器为：ξ^·=-k1ξ^+kfmu+k1Bmx1-k12x1-1mFfnd(y·d)---(6)]]>公式(6)中是状态ξ的估计值。定义为状态观测器的估计误差，由公式(5)、(6)可得估计误差的动态方程为：ξ~·=-k1ξ~-Δm---(7)]]>根据公式(7)可得：ξ(t)≤e-k1tξ(0)+δdk[1-e-k1t]---(8)]]>公式(8)中δd为一未知常数。通过调整设计参数k1可以使估计误差在有限时间内趋于很小的值，因此状态观测器有良好的稳态观测性能。步骤三、设计电机位置伺服系统的基于非线性观测器的输出反馈控制器，其具体步骤如下：控制器设计的目标是使电机位置伺服系统的位置输出x1尽可能准确地跟踪期望跟踪的位置指令x1d；设计电机位置伺服系统的基于非线性观测器的输出反馈控制器如下：定义变量如下：z1=x1-x1dz2=ξ^-α1---(9)]]>其中α1为虚拟控制量，设计如下：α1=α1a+α1sα1a=x·1d+(Bm-k1)x1α1s=α1s1+α1s2α1s1=-ks1z1---(10)]]>公式(10)中ks1为设计参数，为速度指令，α1s2满足如下条件：z1(α1s2-ξ~)≤ϵ1z1α1s2≤0---(11)]]>其中ε1＞0是一个设计参数，在此给出满足(11)的α1s2的一个形式h1≥δξ2α2s2=-h12ϵ1z1---(12)]]>其中δξ是的上界基于非线性观测器的输出反馈控制器设计如下：u=ua+usua=-mkfz1+mkfk1ξ^-Bkfk1x1+mkfk12x1+1kfFfnd(y·d)+mkfα·1cus=us1+us2us1=-mkfks2z2---(13)]]>其中ks2为设计参数，为α1时间导数中可本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于非线性观测器的电机位置伺服系统的输出反馈控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，建立电机位置伺服系统的数学模型；步骤2，设计非线性状态观测器；步骤3，设计电机位置伺服系统的基于非线性观测器的输出反馈控制器。

【技术特征摘要】
1.一种基于非线性观测器的电机位置伺服系统的输出反馈控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，建立电机位置伺服系统的数学模型；步骤2，设计非线性状态观测器；步骤3，设计电机位置伺服系统的基于非线性观测器的输出反馈控制器。2.根据权利要求1所述基于非线性观测器的电机位置伺服系统的输出反馈控制方法，其特征在于，步骤1具体为：根据牛顿第二定律且简化电机的电气动态为比例环节，电机位置伺服系统的运动方程为：my··=kfu-By·-Ff(y·d)+Δ---(1)]]>公式(1)中m为惯性负载参数，y为惯性负载位移，kf为力矩放大系数，u为系统的控制输入，B为粘性摩擦系数，为可建模的非线性摩擦模型，为速度指令，yd为位置指令，Δ为外干扰及未建模的摩擦等不确定性项；选取连续静态摩擦模型为：Ffnd(y·)=l1tanh(l2y·d)+l3[tanh(l4y·d)-tanh(l5y·d)]---(2)]]>公式(2)中l1、l2、l3、l4、l5均为已知常数，此连续静态摩擦模型的特征如下：①此摩擦模型是关于时间连续可微并且关于原点对称的；②库伦摩擦特性通过表达式表征；③静态摩擦系数通过l1+l3的值近似表示；④表达式可以表征Stribeck效应；选取状态变量为：x＝[x1,x2]T，则电机位置伺服系统的运动学方程可以转化为状态方程形式：x·1=x2-Bmx1x·2=kfmu-1mFfnd(y·d)+Δm---(3)]]>公式(3)中x1表示惯性负载的位移，x2表示另一个不可知的运动状态。3.根据权利要求1所述基于非线性观测器的电机位置伺服系统的输出反馈控制方法，其特征在于，步骤2具体为：设计非线性状态观测器对未知状态x2进行估计，首先引入坐标转换体系，引入新状态ξ：ξ＝x2-k1x1(4)公式(4)中k1为设计参数，然后对公式(4)左右两边同时微分，并联合公式(3)可得ξ的动态为：ξ·=-k1ξ+kfmu+k1Bmx1-k12x1-1mFfnd(y·d)+Δm---(5)]]>根据方程(5)，设计出状态观测器为：ξ^·=-k1ξ^+kfmu+k1Bmx1-k...

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