本发明专利技术公开了一种考虑输入受限的电机伺服系统自调节控制方法，包括以下步骤：建立电机位置伺服系统模型，进行现有和改进伺服系统的比对；设计基于增益自调节的误差符号积分鲁棒控制器；根据误差符号积分鲁棒控制器，利用李雅普诺夫稳定性理论对电机伺服系统进行稳定性证明，并运用Barbalat引理得到系统的全局渐进稳定的结果。本发明专利技术针对电机伺服系统中存在的输入受限这一非线性特性开展研究，通过设计一种新型控制算法来控制电机伺服系统，削弱输入受限对电机伺服系统的控制精度的影响。
A Self-tuning Control Method for Motor Servo System Considering Input Constraints
【技术实现步骤摘要】
一种考虑输入受限的电机伺服系统自调节控制方法
本专利技术涉及电机伺服系统领域，具体来说，涉及一种考虑输入受限的电机伺服系统自调节控制方法。
技术介绍
电机伺服系统具有响应速度快、能源利用率高、传动效率高、噪声小等特点，在工业和国防建设上得到了广泛的应用。随着工业技术的快速发展，各个领域对电机控制精度的要求越来越高，以至于对电机伺服系统控制器的性能提出了更高的标准。电机伺服系统中存在许多的模型不确定性，包括参数不确定性、不确定非线性(如未建模的扰动、非线性摩擦、输入受限、时滞、死区等)，这些不确定性的存在，是的控制器的设计变得困难，很难满足提出的控制精度和设计指标。对于系统中存在的非线性问题，传统的PID控制已经没办法实现高精度的控制。随着近年来现代控制理论的发展，各种针对不确定性非线性的控制策略也相继提出，如自适应鲁棒控制、误差符号积分鲁棒控制、神经网络控制等等。但这些控制方法只能对可参数化的非线性因素进行补偿，而针对输入受限则无法进行参数化处理，也就导致了现有技术无法完美的解决输入受限这一问题。针对电机伺服中不确定非线性的特点，现有技术大多将非线性不确定性都看成一个整体来进行处理，这也就无法准确的对输入受限进行有效处理，提高电机伺服系统的控制精度。本专利技术将输入受限这一非线性特性从笼统的非线性因素中剥离出来，单独进行处理，利用双曲正切函数建立了系统的输入受限模型，并在此模型上设计了基于增益自调节的误差符号积分鲁棒控制器来克服一部分不确定非线性对系统控制的影响。
技术实现思路
专利技术目的：为了解决现有相关技术所存在的上述技术问题，提供一种考虑输入受限的电机伺服系统自调节控制方法。技术方案：一种考虑输入受限的电机伺服系统自调节控制方法，包括一下步骤：步骤A，建立电机位置伺服系统模型；步骤B，设计基于增益自调节的误差符号积分鲁棒控制器；步骤C，根据误差符号积分鲁棒控制器，利用李雅普诺夫稳定性理论对电机伺服系统进行稳定性证明，并运用Barbalat引理得到系统的全局渐进稳定的结果。具体地，步骤A中：建立电机位置伺服系统模型，根据牛顿第二定律，电机惯性负载的动力学模型方程为：式中y表示角位移，Jequ表示惯性负载，ku表示扭矩常数，u是系统控制输入，Bequ代表粘性摩擦系数，dn代表系统受到的常值干扰，ξ代表时变扰动。把(1)式写成状态空间形式，如下：其中x＝[x1，x2]T表示位置和速度的状态向量；θI＝Jequ/ku，θ2＝Bequ/ku，θ3＝dn/ku，f＝ξ/ku表示系统中其他未建模干扰；为了便于控制器的设计：假设系统总的干扰f足够光滑，使得均存在并且有界，即：具体地，步骤B中：设计基于增益自调节的误差符号积分鲁棒控制方法的具体步骤如下：步骤一、定义z1＝x1-x1d为系统的角位移跟踪误差。x1d是系统期望跟踪的位置指令，且该指令是二阶连续可微的。根据式(2)中第一个方程选取x2为虚拟控制量，使方程趋于稳定状态；令x2eq为虚拟控制的期望值，x2eq与真实状态x2的误差为z2＝x2-x2eq+tanh(zf)。其中：对z1求导得：设计虚拟控制律：式(6)中k1＞0为可调增益，则步骤二、为了更方便的设计控制器，需要引入一个辅助的误差信号r(t)式8中k2＞0为可调增益；根据式(2)、(7)和(8)，有如下r的展开式：根据式(2)和(9)，有如下等式：根据式(10)，设计基于模型的控制器为：式(11)ua表示模型补偿控制器，us表示鲁棒控制器，γ1为可调节误差符号积分鲁棒项增益；kr1为正反馈增益；为增益自调节率；Γ＞0为可调的正的自调节律增益。将式(11)代入式(10)中计算得到：对式(12)求导得到：具体地，步骤C中：根据步骤B中所提出的误差符号积分鲁棒自适应控制方法，利用李雅普诺夫稳定性理对电机伺服系统进行稳定性证明，并运用Barbalat引理得到系统的全局渐进稳定的结果，具体如下：引理1：定义辅助函数z2(0)分别表示z2(t)、的初始值；当时，P(t)≥0。对该引理的证明：对式(15)两边同时积分并运用式(7)得：由式(22)可以看出，若β的取值满足时，有式(17)和(19)成立，引理得证。根据上述引理，可以定义李雅普诺夫函数如下：为增益估计的误差，即对式(17)求导并将(7)、(8)、(13)和(15)代入得：式中：矩阵Z和Λ的定义为：Z＝[z1，z2，tanh(zf)，r](19)矩阵Λ中各参数的定义如下：通过调整参数k1、k2、kr1、kr2、γ1，可以使得对称矩阵Λ为正定矩阵，则有：式(27)中λmin(A)为对称矩阵Λ的最小特征值。分析(22)式可知V有界，同时W∈L2，进而可知误差量z1、z2、tanh(zf)、r均有界；由Barbalat引理可知，当t→∞，W→0，即z1→0，从而实现在输入受限时的渐进跟踪控制。本专利技术的有益效果为：针对电机伺服系统中存在的输入受限这一特性，提出一种新型控制方法，有效削弱输入受限对电机伺服系统的影响，提高了系统的控制精度。附图说明图1是电机伺服系统示意图。图2是考虑输入受限电机伺服系统控制策略示意图。图3是指令信号曲线。图4是本文设计的控制器(SRISE)的跟踪精度曲线。图5是现有控制器(RISE)的跟踪精度曲线。图6是SRISE控制量的输出曲线。具体实施方式在专利技术中，提供一种考虑输入受限的电机伺服系统自调节控制方法，包括以下步骤：步骤A、建立电机位置伺服系统模型；步骤B、设计基于增益自调节的误差符号积分鲁棒控制器；步骤C、根据误差符号积分鲁棒控制器，利用李雅普诺夫稳定性理论对电机伺服系统进行稳定性证明，并运用Barbalat引理得到系统的全局渐进稳定的结果。在本文中，相关符号说明如下：符号上方加一个·的表示为一阶导数，上方加两个·的表示为二阶导数。矩阵中的元素不再一一表述。步骤A中：建立电机位置伺服系统模型，根据牛顿第二定律，电机惯性负载的动力学模型方程为：式中y表示角位移，Jequ表示惯性负载，ku表示扭矩常数，u是系统控制输入，Bequ代表粘性摩擦系数，dn代表系统受到的常值干扰，ξ代表时变扰动。把(1)式写成状态空间形式，如下：其中x＝[x1，x2]T表示位置和速度的状态向量：θ1＝Jequ/ku，θ2＝Bequ/ku，θ3＝dn/ku，f＝ξ/ku表示系统中其他未建模干扰；为了便于控制器的设计：假设系统总的干扰f足够光滑，使得均存在并且有界，即：步骤B中：设计基于增益自调节的误差符号积分鲁棒控制方法的具体步骤如下：步骤一、定义z1＝x1-x1d为系统的角位移跟踪误差。x1d是系统期望跟踪的位置指令，且该指令是二阶连续可微的。根据式(2)中第一个方程选取x2为虚拟控制量，使方程趋于稳定状态；令x2eq为虚拟控制的期望值，x2eq与真实状态x2的误差为z2＝x2-x2eq+tanh(zf)。其中：对z1求导得：设计虚拟控制律：式(6)中k1＞0为可调增益，则步骤二、为了更方便的设计控制器，需要引入一个辅助的误差信号r(t)式8中k2＞0为可调增益；根据式(2)、(7)和(8)，有如下r的展开式：根据式(2)和(9)，有如下等式：根据式(10)，设计基于模型的控制器为：式(11)ua表示模型补偿控制器，us表示鲁棒控制器，γ1为可调节误差符号本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种考虑输入受限的电机伺服系统自调节控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤A：建立电机位置伺服系统模型；步骤B：设计基于增益自调节的误差符号积分鲁棒控制器；步骤C：根据误差符号积分鲁棒控制器，利用李雅普诺夫稳定性理论对电机伺服系统进行稳定性证明，并运用Barbalat引理得到系统的全局渐进稳定的结果。
【技术特征摘要】
1.一种考虑输入受限的电机伺服系统自调节控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤A：建立电机位置伺服系统模型；步骤B：设计基于增益自调节的误差符号积分鲁棒控制器；步骤C：根据误差符号积分鲁棒控制器，利用李雅普诺夫稳定性理论对电机伺服系统进行稳定性证明，并运用Barbalat引理得到系统的全局渐进稳定的结果。2.根据权利要求1所述的一种考虑输入受限的电机伺服系统自调节控制方法，其特征在于，步骤A中：建立电机位置伺服系统模型，根据牛顿第二定律，电机惯性负载的动力学模型方程为：式中y表示角位移，Jequ表示惯性负载，ku表示扭矩常数，u是系统控制输入，Bequ代表粘性摩擦系数，dn代表系统受到的常值干扰，ξ代表时变扰动，把(1)式写成状态空间形式，如下：其中x＝[x1，x2]T表示位置和速度的状态向量；θ1＝Jequ/ku，θ2＝Bequ/ku，θ3＝dn/ku，f＝ξ/ku表示系统中其他未建模干扰；为了便于控制器的设计：假设系统总的干扰f足够光滑，使得均存在并且有界，即：3.根据权利要求1所述的一种考虑输入受限的电机伺服系统自调节控制方法，其特征在于，步骤B中：设计基于增益自调节的误差符号积分鲁棒控制方法的具体步骤如下：步骤一、定义z1＝x1-x1d为系统的角位移跟踪误差；x1d是系统期望跟踪的位置指令，且该指令是二阶连续可微的；根据式(2)中第一个方程选取x2为虚拟控制量，使方程趋于稳定状态；令x2eq为虚拟控制的期望值，x2eq与真实状态x2的误差为z2＝x2-x2eq+tanh(zf)；其中：对z1求导得：设计虚拟控制律：式(6)中k1＞0为可调增益，则步骤二、为了更方便的设计控制器，需要引入...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘雷，胡金龙，石晶林，尚文娟，
申请(专利权)人：中科院计算技术研究所南京移动通信与计算创新研究院，
类型：发明
国别省市：江苏,32
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。