一种采用分数阶快速终端滑模控制的随动控制方法技术

本发明专利技术提供了一种采用分数阶快速终端滑模控制的随动控制方法，首先接收角度指令，提取随动角度反馈，计算指令一阶至三阶导数，计算角度反馈的一阶导数和二阶导数；然后计算角度控制误差及其一二阶导数；计算位置环的分数阶快速终端滑模面的一阶导数以及非奇异快速终端滑模面；计算分数阶终端滑模控制量和随动系统的电流环指令；最后采集线电流计算PMSM在dq坐标下的交直轴电流，将dq轴电压控制量作为PMSM的逆park变换的输入来完成电机的控制。本发明专利技术使系统具有良好的动态响应能力，同时满足静态定位和动态跟踪精度。

【技术实现步骤摘要】
一种采用分数阶快速终端滑模控制的随动控制方法
本专利技术属于火炮随动系统领域，主要涉及需要快速精确跟踪的随动控制系统能够精确快速跟随输入指令的鲁棒控制方法。
技术介绍
传统火炮随动由三环控制结构组成，分别为位置环、速度环、电流环，而由速度环和电流环构成的控制器、功率驱动和电机通常称为驱动调速系统，控制器在工程上采用PI控制器，控制策略结构简单，易于调节，这种三环控制结构和控制方法广泛应用火炮各种随动系统。电流环由于功率电子开关频率高和电机电器时间短，电流环的带宽一般在500～600Hz以内，速度环的带宽一般在80～100Hz，而随动系统位置环的带宽通常只有2～3Hz，同时又受传动机构齿隙的影响，欲提高随动系统的带宽较为困难。这种传统控制结构常常在带宽要求高的系统中难以应用。位置环控制器的被控对象是驱动调速系统、减速机及负载。工程上的位置环控制器采用“根号e”与PI+前馈的复合控制相结合的变结构控制，通过判断误差大小进行切换。其中“根号e”主要应用于随动系统大误差控制时，如大角度调转。复合控制应用于随动小误差控制时，如跟踪调转。位置环控制器参数主要基于工程法，其基本思想是首先在引入速度前馈之前，将位置环校正成临界阻尼或接近临界阻尼的典型二阶系统，确定位置环比例增益；然后基于引入速度前馈后系统稳态位置误差为零，确定位置环速度前馈增益。该方法在参数确定后，能够使随动系统位置响应无超调，定位精度高，稳态时静差小。但是随动系统参数发生变化时，如负载转动惯量变化，就必须对位置环比例增益和速度前馈系数进行合理配置。实际上需要对调速系统、传动、负载的参数进行测试，然后对这些参数进行调试，如此以来效率很低，也有随动性能可能不及预期。电流环控制器参数设计常采用时域的最佳模原则、频域的幅值裕度和相位裕度要求进行设计PI控制参数。而永磁同步电机的种类多种多样，常常不太能预知现场所用电机的参数，并且随着时间和运行环境的变化，电机实际参数也会发生变化。在电机安装完成后，有必要对电机参数进行辨识并初步整定控制器参数，使整个调速系统能够平稳运行，避免在最开始调整控制器参数时发生恶劣情况，为人工整定或其他整定方法提供控制器的初值，并在实际过程中还需要进行调整，非常不便。
技术实现思路
为了克服现有技术具有位置环，速度环，电流环的三环控制结构的传统随动系统的带宽不高、实现精确位置跟踪的复合控制器对电机及负载参数敏感的不足，本专利技术提供一种采用分数阶快速终端滑模控制的随动控制方法，针对火炮随动系统常采用的隐极电机(交直轴电感相等，Ld＝Lq＝L)，位置环采用分数阶快速终端滑模变结构控制，电流环采用分数阶PI控制，以提升随动系统的静态和动态性能，以及鲁棒性。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：(1)判断角度指令θ*(k)是否到达，若是则进入步骤(2)，否则进入步骤(11)，k为角度控制的步数；(2)提取随动角度反馈θ(k)；(3)利用微分器求解计算指令θ*(k)一阶至三阶导数d1θ*(k),d2θ*(k),d3θ*(k)：其中，为滑模面θ*(k-1)的估计误差；分别为为θ*(k)及其一阶、二阶、三阶的估计值；分别为该微分器一阶、二阶、三阶、四阶增益；Tsp为随动角度控制周期；(4)利用微分器计算角度反馈θ(k)的一阶导和二阶导d1θ(k),d2θ(k)eθ(k-1)＝θ0(k-1)-θ(k-1)zθ0(k)＝zθ0(k-1)+Tsp(zθ1(k-1)-λθ|1eθ(k-1)|2/3sgn(eθ(k-1)))zθ1(k)＝zθ1(k-1)+Tsp(zθ1(k-1)-λθ2|eθ(k-1)|1/2sgn(eθ(k-1)))zθ2(k)＝zθ2(k-1)+Tspλθ3sgn(-λθ2|eθ(k-1)|1/2sgn(eθ(k-1)))θ0(k)＝zθ0(k),dθ(k)＝zθ1(k),d2θ(k)＝zθ2(k)其中，eθ(k-1)为滑模面θ(k-1)的估计误差；zθ0(k),zθ1(k),zθ2(k)分别为为θ(k)及其一阶、二阶的估计值；λθ1,λθ2,λθ3分别为该微分估计器一阶、二阶、三阶增益；(5)计算角度控制误差e(k)及其一阶导数、二阶导数d1e(k),d2e(k)：e(k)＝θ*(k)-θ(k)d1e(k)＝dθ*(k)-dθ(k)d2e(k)＝d2θ*(k)-d2θ(k)；(6)计算位置环的分数阶快速终端滑模面s(k)：s(k)＝dr(k)+b1e(k)+b2|e(k)|zsign(e(k))其中，r分数阶微分算子dr参数，且0＜r＜1，指数z≥2，b1,b2分别是分数阶快速终端滑模面s(k)的增益系数，且属于非零正实数；(7)利用微分器计算分数阶快速终端滑模面s(k)的一阶导数ds(k)：es(k-1)＝s0(k-1)-s(k-1)zs0(k)＝zs0(k-1)+Tsp(zs1(k-1)-λs1|es(k-1)|1/2sgn(es(k-1)))zs1(k)＝zs1(k-1)+Tspλs2sgn(-λs2|es(k-1)|1/2sgn(es(k-1)))s0(k)＝zs0(k),ds(k)＝zs1(k)其中：es(k-1)为滑模面s(k-1)的估计误差；s0(k)为s(k)的估计值；zs0(k)为s(k)的估计值；zs1(k)为ds(k)的估计值；λs1与λs2分别为该微分器一阶、二阶增益；(8)计算位置环的非奇异快速终端滑模面σ(k)＝s(k)+αs(k)gh+βds(k)pq；其中，α,β分别为非奇异快速终端滑模面σ(k)的系数，且α＞0,β＞0，g,h,p,q分别是正奇数，且g/h＞1,1＜p/q＜2；(9)计算分数阶终端滑模控制量u(k)；E(k)＝z(k-1)|e(k)|z-2sign(e(k))d1e(k)2+z|e(k)|z-1d2e(k)Λ(k)＝b1d2e(k)+b2E(k)-L1(k)其中，γ,m,n为推导过程中所使用的滑模趋近率的系数，δ为干扰上界，L1(k)、L2(k)分别为Γ1(k)、Γ2(k)的滤波输出，b1、b2；分别为增益系数，ki、kp分别为积分系数和比例系数；(10)计算随动系统的电流环指令其中：和分别电流指令的最大值和最小值；综合系数J为电机轴与负载的转动惯量总和，np为电机的极对数，η为传动的速比，ψf为PMSM定子永磁磁链；(11)判断电流环周期是否达到，若是则进入第(13)步，否则返回第(1)步；(12)采集线电流ia(j),ib(j)，ic(j)和电机的电角度θe(j)，计算PMSM在dq坐标下的交直轴电流id(j),iq(j)：其中，Tsc为电流环控制周期，Tsp＝10Tsc，j/k＝10；(13)计算随动系统的d轴电压控制指令ud(k)；ed(j)＝-id(j)其中，umax和umin分别电压控制量ud(k)、uq(k)的最大值和最小值；kp,ki分别为分数阶PI控制器比例和积分系数，λ为分数阶参数；(14)计算随动系统的q轴电压控制指令uq(k)；(15)计算随动系统的dq轴电压控制指令ud(j)，uq(j)给SVPWM输入端，控制功率电子驱动电机向目标角度θ*(k)转动。本专利技术的有益效果是：随动系统只有位置环和电流环的两环组成，较之传统随动位置环、速度环、电流环本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种采用分数阶快速终端滑模控制的随动控制方法，其特征在于包括下述步骤：(1)判断角度指令θ

【技术特征摘要】
1.一种采用分数阶快速终端滑模控制的随动控制方法，其特征在于包括下述步骤：(1)判断角度指令θ*(k)是否到达，若是则进入步骤(2)，否则进入步骤(11)，k为角度控制的步数；(2)提取随动角度反馈θ(k)；(3)利用微分器求解计算指令θ*(k)一阶至三阶导数d1θ*(k),d2θ*(k),d3θ*(k)：其中，为滑模面θ*(k-1)的估计误差；分别为为θ*(k)及其一阶、二阶、三阶的估计值；分别为该微分器一阶、二阶、三阶、四阶增益；Tsp为随动角度控制周期；(4)利用微分器计算角度反馈θ(k)的一阶导和二阶导d1θ(k),d2θ(k)eθ(k-1)＝θ0(k-1)-θ(k-1)zθ0(k)＝zθ0(k-1)+Tsp(zθ1(k-1)-λθ1|eθ(k-1)|2/3sgn(eθ(k-1)))zθ1(k)＝zθ1(k-1)+Tsp(zθ1(k-1)-λθ2|eθ(k-1)|1/2sgn(eθ(k-1)))zθ2(k)＝zθ2(k-1)+Tspλθ3sgn(-λθ2|eθ(k-1)|1/2sgn(eθ(k-1)))θ0(k)＝zθ0(k),dθ(k)＝zθ1(k),d2θ(k)＝zθ2(k)其中，eθ(k-1)为滑模面θ(k-1)的估计误差；zθ0(k),zθ1(k),zθ2(k)分别为为θ(k)及其一阶、二阶的估计值；λθ1,λθ2,λθ3分别为该微分估计器一阶、二阶、三阶增益；(5)计算角度控制误差e(k)及其一阶导数、二阶导数d1e(k),d2e(k)：e(k)＝θ*(k)-θ(k)d1e(k)＝dθ*(k)-dθ(k)d2e(k)＝d2θ*(k)-d2θ(k)；(6)计算位置环的分数阶快速终端滑模面s(k)：s(k)＝dr(k)+b1e(k)+b2|e(k)|zsign(e(k))其中，r分数阶微分算子dr参数，且0＜r＜1，指数z≥2，b1,b2分别是分数阶快速终端滑模面s(k)的增益系数，且属于非零正实数；(7)利用微分器计算分数阶快速终端滑模面s(k)的一阶导数ds(k)：es(k-1)＝s0(k-1)-s(k-1)zs0(k)＝zs0(k-1)+Tsp(zs1(k-1)-λs1|es(k-1)|1/2sgn(es(k-1)))zs1(k)＝zs1(k-1)+Tspλs2sgn(-λs2|es(k-1)|1/2sgn(es(k-1)))s0(k)＝zs0(k),ds(k)＝zs1(k)其中：es(k-1)为滑模面s(k-1)的估计误差；s0(k)为s(k)的估计值；zs0(k)为s(k)的估计值；zs1(k)为ds(k)的估计值；λs1与λs2分别为该微分器一阶、二阶增益；(8)计算位置环的非奇异快速终端滑模面σ(k)＝s(k)+αs(k)g/h+βds(k)p/q；其中，α,β分别为非奇异快速终端滑模面σ(k)的系数，且α＞0,β＞0，g,h,p...

【专利技术属性】
技术研发人员：李伟，任海波，肖文伟，
申请(专利权)人：西北机电工程研究所，
类型：发明
国别省市：陕西,61