基于模糊等价输入干扰法的速度环控制参数自整定方法技术

本发明专利技术公开了一种基于模糊等价输入干扰法的速度环控制参数自整定方法，本发明专利技术针对负载和工况变化导致的伺服控制系统性能下降甚至失稳的问题，通过关联分析确定伺服系统模型描述中反映控制性能的主要参数，建立待整定控制参数与永磁同步电机系统参数的函数关系；针对伺服系统速度环控制参数未实现自整定或自整定效率不高的问题，结合负载突变、机械振动和外部扰动发生时伺服系统位置偏差的综合评价指标，应用模糊决策法执行速度环PI参数自整定，等价输入干扰法实现扰动抑制，解决自整定速度和扰动抑制效果难以兼顾的问题。

Self-tuning Method of Velocity Loop Control Parameters Based on Fuzzy Equivalent Input Disturbance Method

The invention discloses a self-tuning method of speed loop control parameters based on the fuzzy equivalent input interference method. Aiming at the problem of performance degradation or even instability of servo control system caused by load and working condition changes, the main parameters reflecting control performance in servo system model description are determined by correlation analysis, and the parameters of the pending control parameters and permanent magnet synchronous motor system are established. Functional relationship; Aiming at the problem that the control parameters of speed loop of servo system are not self-tuning or the self-tuning efficiency is not high, combining with the comprehensive evaluation index of position deviation of servo system when load mutation, mechanical vibration and external disturbance occur, the PI parameters of speed loop are self-tuned by using fuzzy decision method, and disturbance suppression is realized by equivalent input disturbance method to solve the problem of self-tuning speed and disturbance suppression. The effect is difficult to give consideration to.

【技术实现步骤摘要】
基于模糊等价输入干扰法的速度环控制参数自整定方法
本专利技术涉及伺服电机领域，更具体地说，涉及一种基于模糊等价输入干扰法的速度环控制参数自整定方法。
技术介绍
随着工业控制行业的飞速发展，对电机控制系统的需求也日益扩大。突破伺服系统网络化、模块化、智能化、安全、高效节能等关键技术，研制工业机器人所需高品质系列化伺服电机与驱动产品，具备惯量自动识别和控制参数自整定功能，具有十分重大的经济效益和社会效益。目前，控制器的参数整定工作主要分为两种：手工调整法和自动整定法；手工通过观察不同参数下系统的运行状态的规律来多次调节控制器参数，费时费力，效果不佳，且参数整定的工作对操作人员的要求较高。自动调整法是一类基于经验值设置的刚性系数表，通过负载惯量比参数的变化值自动查表，以达到控制参数自整定的目的；该方法在外部扰动急剧变化的情况下，系统性能的提升不明显，可靠性较低。东南大学公开了专利号为CN106877769A，名称为一种伺服电机速度控制器增益参数自整定的方法-东南大学的专利，以及专利号为CN101989827A，名称为基于惯量辨识的交流伺服系统速度环控制参数自整定方法-东南大学。专利一根据负载惯量比和速度环增益之间的关系，选用自动增益等级表来计算速度环控制增益，该方法响应速度快，但是增益值的获取是建立在经验法的基础上，主要适用于基本上线性，且动态特性不随时间变化的系统。专利二基于实时惯量与PI控制参数的关系，形成了一类基于惯量辨识的伺服系统控制参数自整定方法，通过建立转动惯量与PI控制参数对应的函数关系，估算出PI参数待整定的值。这类方法设计原理简单，响应速度快，但是依赖于惯量辨识精度，以及所建函数的准确度，并且难以提高系统的干扰抑制特性。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于，针对现有技术中针对负载和工况变化导致的伺服控制系统性能下降甚至失稳的问题以及伺服系统速度环控制参数未实现自整定或自整定效率不高的问题的技术缺陷，提供一种基于模糊等价输入干扰法的速度环控制参数自整定方法。针对负载和工况变化导致的伺服控制系统性能下降甚至失稳的问题，通过关联分析确定伺服系统模型描述中反映控制性能的主要参数，建立待整定控制参数与永磁同步电机系统参数的函数关系。针对伺服系统速度环控制参数未实现自整定或自整定效率不高的问题，结合负载突变、机械振动和外部扰动发生时伺服系统位置偏差的综合评价指标，应用模糊决策法执行速度环PI参数自整定，等价输入干扰法实现扰动抑制，解决自整定速度和扰动抑制效果难以兼顾的问题。本专利技术提出一种基于模糊等价输入干扰法的速度环控制参数自整定方法，实时获取品质良好的控制参数，降低输出偏差，提高整定效率；在传统的方法中，没有考虑负载持续性发生变化这一扰动现象，本专利技术兼顾了负载惯量突变是系统参数自整定的执行，可以获得更优的控制效果。附图说明下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中：图1是本专利技术的基于模糊等价输入干扰法的速度环控制参数自整定方法一实施例的流程图；图2是本专利技术的参数自整定设计方案图；图3是模糊PI自整定结构图。具体实施方式为了对本专利技术的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本专利技术的具体实施方式。参考图1，其为本专利技术的基于模糊等价输入干扰法的速度环控制参数自整定方法一实施例的流程图，本实施例的自整定方法包括下述步骤。S1、建立伺服系统的模糊PI控制器、状态反馈控制器、EID控制器、状态观测器以及永磁同步电机空间方程。永磁同步电机机械方程包含有转动惯量，如公式一所示：(公式一：永磁同步电机机械方程)式中：J——转动惯量；Te——电磁转矩；Tl——负载转矩；b——粘滞摩擦系数；w——转子角速度。在公式一的基础上建立永磁同步电机矢量模型，如公式二所示：(公式二：永磁同步电机矢量方程)式中：R——电枢绕组电阻；L——等效电枢电感；np——电机极对数；ψf——转子磁链；Bt——磁感应强度。id，ud为d轴的电流和电压；iq，uq为q轴的电流和电压。令x(t)＝[idiqw]T,y(t)＝[w]T,u(t)＝[uduq]T,d(t)＝Tl，永磁同步电机等效模型如公式三所示：(公式三：永磁同步电机等效方程)式中C＝[001]。本专利技术适用于速度变化的永磁同步伺服电机的控制参数自整定，参数自整定设计方案如图2所示，主要包括模糊PI控制器，状态反馈控制器，等价输入干扰(EID)估计器，永磁同步电机空间方程，状态观测器。其中图2中参数定义统一解释如下：r(t)表示转子角速度w(t),Kp为PI控制器比例增益参数；ΔKp为比例增益模糊调整输出量；xp(t)为输出误差经过比例增益后的值；Ki为PI控制器积分增益参数；ΔKi为积分增益模糊调整输出量；xi(t)为输出误差经过积分增益后的值；xpi(t)为误差经过PI控制器的输出值；KR和KF为状态反馈控制器增益值；F(s)为低通滤波器，其状态空间表达式用AF、BF和CF表示；为扰动估计值；为扰动估计值经过滤波后的值；LR为观测器增益；A、B、C为永磁同步电机系统状态变量，；B+为矩阵B的伪逆；uf(t)为状态反馈控制器输出值；u(t)为系统输入变量；x(t)为系统状态变量；y(t)为系统输出变量；d(t)为输入扰动；Bd为输入扰动增益矩阵；为系统状态变量的导数；为状态变量的观测值；为输出变量的观测值。在公式三中，d(t)即为永磁同步电机控制系统的负载转矩/干扰输入。在控制输入端存在一个控制输入信号de(t)，其对输出的影响与d(t)完全相同，称de(t)为干扰输入d(t)的等价输入干扰。基于等价输入干扰法的永磁同步电机的状态空间(永磁同步电机空间方程)描述如公式四所示：(公式四：基于等价输入干扰法的永磁同步电机模型)假设此时PI控制器参数的调整量ΔKp＝0,ΔKi＝0；根据永磁同步电机铭牌设置PI控制器初始值，PI控制器状态空间表达式如公式五所示：(公式五：PI控制器公式)为了使被控对象能够重构，使用全维状态观测器，如公式六所示:(公式六：状态观测器)其中，是x(t)的观测值，矩阵LR是待定观测器增益，当系统时延已知时，可用来观测被控对象状态。系统状态反馈控制率设计如公式七所示：(公式七：系统状态反馈控制率)等价输入干扰的估计值如公式八所示：(公式八：等价输入干扰估计值)其中，B+＝(BTB)-1BT。由于输出y(t)包含噪声，采用低通滤波器来对扰动进行估计，滤波器的状态空间参数为AF、BF和CF，滤波器描述如公式九所示：(公式九：滤波器的状态空间描述)其中，为经过滤波之后的扰动信号，xF(t)为状态变量，滤波器的传递函数需满足：因此，基于等价输入干扰的闭环系统控制输入为S2、根据步骤建立的模糊PI控制器、状态反馈控制器、EID控制器、状态观测器以及永磁同步电机空间方程，求得并设置状态反馈控制器和状态观测器的增益，以使得伺服系统稳定。首先，令输入信号和外部扰动均为0，即：r(t)＝0,d(t)＝0，令得到状态误差系统结合公式四至九，将状态观测器系统、状态误差系统、滤波器系统和PI控制系统合并，并用来表示合成的闭环系统，状态反馈控制率表示为：其中最终化简求得系统的标准形式如公式十所示：(公式十：闭环系统综合方程)其中根据能量函数来建立系统稳定性条件本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于模糊等价输入干扰法的速度环控制参数自整定方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、建立伺服系统的模糊PI控制器、状态反馈控制器、EID控制器、状态观测器以及永磁同步电机空间方程；S2、根据步骤建立的模糊PI控制器、状态反馈控制器、EID控制器、状态观测器以及永磁同步电机空间方程，求得并设置状态反馈控制器和状态观测器的增益，以使得伺服系统稳定；S3、根据永磁同步电机设定转子角速度和实际输出角速度的误差变化规律，对其进行模糊化和解模糊处理，得到PI控制参数模糊自整定参数，并代入S2的模糊PI控制器中，从而实现自整定。

【技术特征摘要】
1.一种基于模糊等价输入干扰法的速度环控制参数自整定方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、建立伺服系统的模糊PI控制器、状态反馈控制器、EID控制器、状态观测器以及永磁同步电机空间方程；S2、根据步骤建立的模糊PI控制器、状态反馈控制器、EID控制器、状态观测器以及永磁同步电机空间方程，求得并设置状态反馈控制器和状态观测器的增益，以使得伺服系统稳定；S3、根据永磁同步电机设定转子角速度和实际输出角速度的误差变化规律，对其进行模糊化和解模糊处理，得到PI控制参数模糊自整定参数，并代入S2的模糊PI控制器中，从而实现自整定。2.根据权利要求1所述的基于模糊等价输入干扰法的速度环控制参数自整定方法，其特征在于，步骤S1中，永永磁同步电机空间方程为：全维状态观测器为：状态反馈控制器为：EID控制器为：EID控制器中滤波器的状态方程为：其中，J表示转动惯量，Te表示电磁转矩，Tl表示负载转矩，b表示粘滞摩擦系数，w表示转子角速度，R表示电枢绕组电阻，L表示等效电枢电感，np表示电机极对数，ψf表示转子磁链，C＝[001]，de(t)为干扰输入d(t)的等价输入干扰，Kp为PI控制器比例增益参数，xp(t)为输出误差经过比例增益后的值，Ki为PI控制器积分增益参数，xi(t)为输出误差经过积分增益后的值，xpi(t)为误差经过模糊PI控制器的输出值，KR和KF为状态反馈控制器增益值，AF、BF和CF表示低通滤波器空间状态参数，为扰动估计值，为扰动估计值经过滤波后的值，LR为观测器增益，B+为矩阵B的伪逆，B+＝(BTB)-1BT，uf(t)为状态反馈控制器输出值，u(t)为系统输入变量，x(t)为系统状态变量，y(t)为系统输出变量，d(t)为输入扰动，Bd为输入扰动增益矩阵；为系统状态变量的导数，为状态变量的观测值，为输出变量的观测值，是x(t)的观测值，矩阵LR是待定观测器增益，Bt表示磁感应强度，id、ud为电机在d轴的电流和电压，iq、uq为电机在q轴的电流和电压。3.根据权利要求2所述的基于模糊等价输入干扰法的速度环控制参数自整定方法，其特征在于，步骤S2中，状态反馈控制器和状态观测器的增益的求取具体包含如下步骤：S21、根据永磁同步电机方程实际参数，求得A、B、C的值；S22、设置模糊PI控制器初始值设Kp和Ki，并设置低通滤波器参数AF、BF和CF的值；S23、使用MATLAB的LMI工具箱，设置...

【专利技术属性】
技术研发人员：佘锦华，吴敏，刘振焘，张传科，李丹云，李美柳，蒋若愚，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：发明
国别省市：湖北,42