一种兼顾电流环动态的直流电机伺服系统渐近跟踪控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种兼顾电流环动态的直流电机伺服系统渐近跟踪控制方法，具体步骤如下：步骤(1)：建立直流电机伺服系统的数学模型；步骤(2)：设计参数自适应律对系统遭受的不确定性参数进行估计；步骤(3)：设计兼顾电流环动态的直流电机伺服系统渐近跟踪控制器；步骤(4)：选取恰当的对角自适应律矩阵并调节参数以及指令滤波器的增益保证直流电机伺服系统的位置输出，准确地跟踪期望的位置指令。本发明专利技术所设计的兼顾电流环动态的直流电机伺服系统渐近跟踪控制方法在同时存在电流环动态、强参数不确定性、匹配和非匹配外干扰等因素的工况下能保证系统的位置输出渐近地跟踪期望的位置指令，更利于在工程实际中的复杂工况中使用。

【技术实现步骤摘要】
一种兼顾电流环动态的直流电机伺服系统渐近跟踪控制方法
本专利技术涉及一种控制方法，具体涉及一种兼顾电流环动态的直流电机伺服系统渐近跟踪控制方法，属于机电伺服控制领域。
技术介绍
直流电机具有响应速度快、能源获取便利、维护便利等优点，广泛应用于各种工业、工程领域，占据着十分重要的位置。目前工业、工程等领域针对直流电机伺服系统的运动控制仍然主要基于经典三环(电流环、速度环及位置环)控制，但是随着这些领域朝着高性能方向发展，此经典控制方法已逐渐不能满足系统的性能要求。因此，迫切需要研究更加先进的控制方法。直流电机伺服系统在运行过程中必然会受到参不确定的影响比如变化的负载质量/转动惯量和粘性摩擦、库仑摩擦等摩擦系数通常难以精确获取，以及外部扰动的影响比如突发的外部扰动、加工工件时产生的切削力等，此外系统还会受到电流环动态的影响。这些不利因素的存在会使系统期望的控制性能恶化，甚至导致所设计的闭环控制器最终失效。目前针对直流电机伺服系统的先进控制策略，主要有自适应鲁棒控制、自适应滑模控制、鲁棒自适应控制、自抗扰自适应控制等方法。典型地，自适应鲁棒控制策略针对系统中的参数不确定性，设计恰当的在线估计策略对其进行估计并前馈补偿；对可能发生的外干扰等扰动，通过提高非线性反馈增益对其进行抑制进而提升系统性能。由于强非线性反馈增益往往导致设计的保守性(即高增益反馈)，从而使其在工程应用中有一定困难。值得注意的是，当外干扰等扰动逐渐增大时，所设计的自适应鲁棒控制器会使跟踪性能恶化，甚至出现不稳定现象。另外，这种控制方法在一般情况下只能保证系统获得有界跟踪性能，即保证系统的跟踪误差在一个有界的范围内，如何在理论上和实际应用中获得性能更好的渐近跟踪想能值得进一步研究。自抗扰自适应控制策略对系统中的不确定性参数和时变外干扰，分别结合自适应控制以及扩张状态观测器来估计未知参数和外干扰，并在设计控制器时进行前馈补偿，从而在一定程度上抵抗扰动的影响。然而，以上提到的控制策略仅能确保系统获得有界跟踪性能，并且针对系统中存在的电流环动态没有有效地处理。此外，当考虑系统的电流环动态后如何处理系统中的非匹配扰动也是研究的难点和重点。总结来说，现有直流电机伺服系统的控制技术的不足之处主要有以下几点：1.难以获得性能更优的渐近跟踪性能。对于实际的系统来说，由于经济成本、安装空间、重量等因素，通常难以直接获取设计控制器所需要的所有状态测量值，在这种工况下如何设计理论完善且性能优良的闭环控制器是研究的难点。2.忽略系统的电流环动态特性。现有控制方法往往将电压与电流简化为简单的比例关系，而忽略其固有的电流环动态，当系统中存在大的电流环动态时会使系统的性能降阶，甚至产生不稳定等现象，对系统的跟踪性能造成很大的不利影响。如何在设计控制器的同时兼顾电流环动态的影响值得进一步深入研究。
技术实现思路
本专利技术为解决现有机床主轴驱动电机伺服系统控制中在输出反馈工况下难以获得性能更优的渐近跟踪性能且忽略测量噪声带来的不利影响等因素，提出一种机床主轴精密运动输出反馈控制方法。本专利技术为解决上述问题采取的技术方案是：本专利技术的具体步骤如下：一种兼顾电流环动态的直流电机伺服系统渐近跟踪控制方法，具体步骤如下：步骤(1)：建立直流电机伺服系统的数学模型；步骤(2)：设计参数自适应律对系统遭受的不确定性参数进行估计；步骤(3)：设计兼顾电流环动态的直流电机伺服系统渐近跟踪控制器；步骤(4)：选取恰当的对角自适应律矩阵并调节参数以及指令滤波器的增益保证直流电机伺服系统的位置输出，准确地跟踪期望的位置指令。所述步骤(1)：建立直流电机伺服系统的数学模型具体包括如下步骤：根据牛顿第二定律并考虑电机的电流环动态，可得其运动方程和电流环动态方程分别为：公式(1)中M为负载的转动惯量；y为负载的角位移；Ki为力矩放大系数；i和u分别为系统的控制电流和电压；B为粘性摩擦系数；L为电感系数；Ku为电气增益；Kf为电动势系数；d2(t)和d3(t)分别为负载动态通道和电流环动态通道的时变外干扰。为了便于后续控制器的设计，选取状态矢量x为其中x1、x2、x3分别为负载的角位移、角速度以及与电流有关的变量，并定义未知参数集合θ＝[θ1,θ2,θ3]T＝[B/M,KiKf/(ML),R/L]T，则直流电机伺服系统的数学模型可以转化为如下状态方程形式：公式(2)中h(x)＝KiKu/(ML)，D2(t)＝d2(t)/M，D3(t)＝Kid3(t)/(ML)；控制目标：在考虑直流电机伺服系统电流环动态并同时遭受参数不确定性和时变扰动的工况下，设计非线性控制器使系统输出y＝x1渐近地跟踪期望的光滑指令yd＝x1d；在进行控制器设计之前，首先给出以下引理和假设：假设1：系统期望跟踪的指令信号x1d(t)是一阶连续可导的，且系统期望位置指令、速度指令都是有界的；假设2：系统未知参数集θ满足：公式(3)中θmax＝[θ1max,θ2max,θ3max]T和θmin＝[θ1min,θ2min,θ3min]T分别为θ的已知上界和下界；此外，存在正常数α2和α3使扰动满足：(4)α2＝supt≥0|D2(t)|,α3＝supt≥0|D3(t)|引理1：定义指令滤波器如下所示：若对于任意时间t>0，输入信号χ1满足以及其中g1和g2为正常数，并且以及那么存在正常数0<ωf<1、ωc以及Δc使得以及有界；引理2：对任意ξ∈并且μ>0，以下不等式总是成立公式(6)中此外，本专利技术中，代表·的估计值，表示·的估计误差，·min和·max分别表示·的最小值和最大值，tanh(·)表示关于·的双曲正切函数。所述步骤(2)：设计参数自适应律对系统遭受的不确定性参数进行估计具体包括如下如步骤：定义不连续投影函数为：公式(7)中i＝1,2,3，·i为矢量·的第i个元素，对于两个矢量之间的运算“＜”或“＞”表示矢量中相应元素之间的运算；设计参数自适应律为：公式(8)中，Γ为常值对角正定自适应律矩阵，ψ为自适应函数。所述步骤(3)：设计兼顾电流环动态的直流电机伺服系统渐近跟踪控制器，其具体步骤如下：定义一组跟踪误差变量e1、e2、e3以及指令滤波器的误差补偿信号z1、z2、z3为：e1＝x1-yr,es＝xs-βs-1,c(10)z1＝e1-η1,zs＝es-ηs,s＝2,3公式(10)中βs-1,c代表所提出的指令滤波器的输出信号，其中βs-1为指令滤波器的输入信号，其表达式将在后续给出；η1、ηs为补偿信号，其具体表达式为：公式(11)中γi(i＝1,2,3)代表可调节的正增益，pi(t)>0且满足其中ωi为正常数。值得注意的是，ηjs表示鲁棒项用于镇本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种兼顾电流环动态的直流电机伺服系统渐近跟踪控制方法，其特征在于：具体步骤如下：/n步骤(1)：建立直流电机伺服系统的数学模型；/n步骤(2)：设计参数自适应律对系统遭受的不确定性参数进行估计；/n步骤(3)：设计兼顾电流环动态的直流电机伺服系统渐近跟踪控制器；/n步骤(4)：选取恰当的对角自适应律矩阵并调节参数以及指令滤波器的增益保证直流电机伺服系统的位置输出，准确地跟踪期望的位置指令。/n

【技术特征摘要】
20191203 CN 20191121951831.一种兼顾电流环动态的直流电机伺服系统渐近跟踪控制方法，其特征在于：具体步骤如下：
步骤(1)：建立直流电机伺服系统的数学模型；
步骤(2)：设计参数自适应律对系统遭受的不确定性参数进行估计；
步骤(3)：设计兼顾电流环动态的直流电机伺服系统渐近跟踪控制器；
步骤(4)：选取恰当的对角自适应律矩阵并调节参数以及指令滤波器的增益保证直流电机伺服系统的位置输出，准确地跟踪期望的位置指令。


2.根据权利要求1所述的兼顾电流环动态的直流电机伺服系统渐近跟踪控制方法，其特征在于：所述步骤(1)：建立直流电机伺服系统的数学模型具体包括如下步骤：
根据牛顿第二定律并考虑电机的电流环动态，可得其运动方程和电流环动态方程分别为：



公式(1)中M为负载的转动惯量；y为负载的角位移；Ki为力矩放大系数；i和u分别为系统的控制电流和电压；B为粘性摩擦系数；L为电感系数；Ku为电气增益；Kf为电动势系数；d2(t)和d3(t)分别为负载动态通道和电流环动态通道的时变外干扰。
为了便于后续控制器的设计，选取状态矢量x为其中x1、x2、x3分别为负载的角位移、角速度以及与电流有关的变量，并定义未知参数集合θ＝[θ1,θ2,θ3]T＝[B/M,KiKf/(ML),R/L]T，则直流电机伺服系统的数学模型可以转化为如下状态方程形式：



公式(2)中，



h(x)＝KiKu/(ML)，D2(t)＝d2(t)/M，D3(t)＝Kid3(t)/(ML)；
控制目标：在考虑直流电机伺服系统电流环动态并同时遭受参数不确定性和时变扰动的工况下，设计非线性控制器使系统输出y＝x1渐近地跟踪期望的光滑指令yd＝x1d；
在进行控制器设计之前，首先给出以下引理和假设：
假设1：系统期望跟踪的指令信号x1d(t)是一阶连续可导的，且系统期望位置指令、速度指令都是有界的；
假设2：系统未知参数集θ满足：



公式(3)中θmax＝[θ1max,θ2max,θ3max]T和θmin＝[θ1min,θ2min,θ3min]T分别为θ的已知上界和下界；此外，存在正常数α2和α3使扰动满足：
α2＝supt≥0|D2(t)|,α3＝supt≥0|D3(t)|(4)
引理1：定义指令滤波器如下所示：



若对于任意时间t>0，输入信号χ1满足以及其中g1和g2为正常数，并且以及那么存在正常数0<ωf<1、ωc以及Δc使得以及有界；
引理2：对任意并且μ>0，以下不等式总是成立



公式(6)中


3.根据权利要求1所述的兼顾电流环动态的直流电机伺服系统渐近跟踪控制方法，其特征在于：所述步骤(2)：设计参数自适应律...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨贵超，洪荣晶，王华，陈捷，张浩，
申请(专利权)人：南京工大数控科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32