一种抑制谐振的自抗扰控制器及其设计方法技术

本发明专利技术提供一种抑制谐振的自抗扰控制器及其设计方法，能够解决柔性传动环节引发的谐振问题。该自抗扰控制器包括电机速度环、电机位置环和负载位置环，能够有效对电机和负载位置进行控制，抑制谐振现象的发生，使系统的输出获得良好的动态响应；并且，该自抗扰控制器对柔性传动环节的刚性系数的变化不敏感，具有很好的鲁棒性，适合工程应用。使用本发明专利技术方法设计的自抗扰控制器不仅可以用于抑制谐振的产生，还可以扩展至其他的控制领域，比如抑制间隙非线性等，具有普遍应用效果。

【技术实现步骤摘要】
一种抑制谐振的自抗扰控制器及其设计方法
本专利技术属于高精度伺服控制、机器人控制等具有类似柔性环节的自动控制领域，涉及一种抑制谐振的自抗扰控制器及其设计方法。
技术介绍
在自动控制系统内部，任何材料的刚性都是有限的，所以系统中不可避免地存在柔性传动环节。以伺服系统为例，执行机构与被控对象之间的连接传动装置都不是理想的刚性环节，都存在一定弹性。在这种系统中，柔性传动环节不可避免地成为影响系统控制的最主要因素，由于柔性环节的存在，会使系统输出的动态响应变差出现谐振，甚至使系统变得发散即不稳定。对于柔性环节的存在引发谐振的处理方法大致可以分为两大类：主动方式和被动方式。被动方式其中一种是重新设计机械结构，选择刚性更强的机械结构以此来提高系统的谐振频率，使其位于闭环带宽之外，这样就不会引发机械谐振，但是这种方法的成本代价较高；主动方式则是不改变系统的机械结构与控制结构，在系统中加入补偿装置，通常是串解陷波滤波器，以此来滤除固定的谐振频率分量，从而来达到抑制机械谐振的目的。但此种方法有很明显的两个缺点，第一个是很难获得实际被控对象的精确模型，也就很难获得系统的谐振频率；第二是对系统变化的鲁棒性很差，而实际的系统的又是在不断发生变化的，这些变化都会导致谐振频率的改变。主动方式是通过控制理论和方法的应用，主要包括基于电机或负载侧传感器的谐振抑制和基于状态观测器方法的谐振抑制。柔性传动环节对于控制性能的影响主要是由于柔性环节的存在会在原有刚性模型的基础上引入了一个阻尼很小的二阶震荡环节，当二阶震荡环节的谐振频率位于系统的闭环带宽以内，就会容易引发谐振，系统输出的动态响应就会变差，动态过程会出现震荡严重时系统甚至会变得不稳定。随着近年来控制理论的快速发展，越来越多的控制算法应用于谐振的抑制。传统的控制算法利用被控对象的信息进行反馈控制，根据选取反馈的被控对象的信息的不同分为全闭环反馈和半闭环反馈。半闭环反馈是指利用电机的信息进行反馈，采用此种反馈是只能对电机位置进行有效控制，负载位置不能得到很好的控制；全闭环反馈是利用负载的信息进行反馈，也只是对负载位置进行有效控制，电机的位置还是不能得到有效控制。除了传统的控制算法外也有很多高级的控制算法应用于谐振的抑制，如最优控制、H无穷和基于模型的预测等高级控制算法，但这些控制算法都需要能够得到系统精确的数学模型才能获得较好的控制效果，但实际的系统中想要获得较为精确地数学模型往往是很难的，并且系统的模型由于很多的因素也是会不断发生变化的。自抗扰控制技术是中科院韩京清研究员提出的一种非线性鲁棒控制技术，能够估计系统总扰动，其中的总扰动既包括了系统外部的干扰，也包括系统内部参数变化而引起的不确定性，基于扩张状态观测器，将系统的模型参数当作内部扰动，并与外部扰动一起作为总扰动进行观测，估计扰动后通过状态反馈在控制器中进行补偿，使系统近似于积分串联型的理想形式并进行控制器设计，无需建立精确的系统模型，理论分析可行，实际也取得了广泛应用。自抗扰控制对非线性，大时滞，强不确定性控制对象的鲁棒性和适应性。因此，目前亟需一种能够抑制谐振的自抗扰控制器，能够应用自抗扰控制技术解决柔性传动环节引发的谐振问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供一种抑制谐振的自抗扰控制器及其设计方法，能够解决柔性传动环节引发的谐振问题。为达到上述目的，本专利技术的技术方案为：一种抑制谐振的自抗扰控制器，被控对象为二惯量系统，其主动盘为电机，从动盘为负载。自抗扰控制器包括电机速度环、电机位置环和负载位置环。电机速度环，以负载位置环ESO观测出的实际负载速度作为输入，用于控制电机速度跟踪实际负载速度。负载位置环的期望输入为期望负载位置，用于控制负载的实际位置达到所述期望负载位置；负载位置环同时对实际负载位置和实际负载速度进行观测，并分别送入电机位置环和电机速度环。电机位置环的期望输入为负载位置环ESO观测出的实际负载位置，用于控制电机位置跟踪负载的位置与实际负载位置保持一致。进一步的，电机速度环包括电机速度环ESO和速度环误差控制律。电机速度环ESO的两个输入信号分别为被控对象的输入信号和被控对象的电机位置；电机速度环ESO的输出为观测实际电机速度。速度环误差控制律的输入信号为负载位置环ESO观测到的实际负载速度以及电机速度环ESO的输出，速度环误差控制律的输出为电机速度环控制量。进一步的，电机位置环包括电机位置环ESO和电机位置环误差控制律。电机位置环ESO用于观测实际电机位置并输出。电机位置环误差控制律的输入信号为负载位置环ESO输出的实际负载位置以及电机位置环ESO的输出，电机位置环误差控制律输出电机位置环控制量。进一步的，负载位置环包括负载位置环ESO和负载位置环误差控制律。负载位置环误差控制律的输入信号为期望负载位置r以及负载位置环ESO的输出，负载位置环误差控制律输出负载位置环控制量。一种抑制谐振的自抗扰控制器的设计方法，设计方法包括如下步骤：S01、针对被控对象，依照牛顿第二定律建模，获得被控对象的微分方程，针对微分方程设计电机速度环，包括电机速度环ESO和速度环误差控制律。S02、针对被控对象和电机速度环，依照牛顿第二定律建模，得到被控对象的新的微分方程，针对新的微分方程设计电机位置环，包括电机位置环ESO和电机位置环误差控制律。S03、针对被控对象、电机速度环和电机位置环，依照牛顿第二定律建模，得到被控对象的再次更新的微分方程，针对再次更新的微分方程设计负载位置环，包括负载位置环ESO和负载位置环误差控制律。有益效果：本专利技术提出的三环自抗扰控制器能够有效对电机和负载位置进行控制，抑制谐振现象的发生，使系统的输出获得良好的动态响应；并且，本专利技术对柔性传动环节的刚性系数的变化不敏感，具有很好的鲁棒性，适合工程应用。使用本专利技术方法设计的自抗扰控制器不仅可以用于抑制谐振的产生，还可以扩展至其他的控制领域，比如抑制间隙非线性等，具有普遍应用效果。附图说明图1为二惯量系统模型图；图2为三环自抗扰控制器图；图3为电机与负载位置响应(双环)图；图4为电机与负载位置响应(三环)图；图5为电机与负载位置响应(三环，2JL)图；图6为电机与负载速度响应(三环，2JL)图；图7为电机与负载位置响应(双环，2JL)图；图8为电机与负载位置响应局部放大图(双环，2JL)图；图9为电机与负载速度响应(双环，2JL)图；图10为电机与负载位置响应(三环，0.5ks)图；图11为电机与负载速度响应(三环，0.5ks)图；图12为三环自抗扰控制器位置响应实验曲线图；图13为三环自抗扰控制器位置响应实验曲线(1.5JL)图；图14为三环自抗扰控制器位置响应实验曲线(0.5ks)图。具体实施方式下面结合附图并举实施例，对本专利技术进行详细描述。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种抑制谐振的自抗扰控制器，其特征在于，被控对象为二惯量系统，其主动盘为电机，从动盘为负载；/n所述自抗扰控制器包括电机速度环、电机位置环和负载位置环；/n所述电机速度环，以负载位置环ESO观测出的实际负载速度作为输入，用于控制电机速度跟踪所述实际负载速度；/n所述负载位置环的期望输入为期望负载位置，用于控制负载的实际位置达到所述期望负载位置；所述负载位置环同时对实际负载位置和实际负载速度进行观测，并分别送入电机位置环和电机速度环；/n所述电机位置环的期望输入为负载位置环ESO观测出的实际负载位置，用于控制电机位置跟踪负载的位置与所述实际负载位置保持一致。/n

【技术特征摘要】
1.一种抑制谐振的自抗扰控制器，其特征在于，被控对象为二惯量系统，其主动盘为电机，从动盘为负载；
所述自抗扰控制器包括电机速度环、电机位置环和负载位置环；
所述电机速度环，以负载位置环ESO观测出的实际负载速度作为输入，用于控制电机速度跟踪所述实际负载速度；
所述负载位置环的期望输入为期望负载位置，用于控制负载的实际位置达到所述期望负载位置；所述负载位置环同时对实际负载位置和实际负载速度进行观测，并分别送入电机位置环和电机速度环；
所述电机位置环的期望输入为负载位置环ESO观测出的实际负载位置，用于控制电机位置跟踪负载的位置与所述实际负载位置保持一致。


2.如权利要求1所述的一种抑制谐振的自抗扰控制器，其特征在于，所述电机速度环包括电机速度环ESO和速度环误差控制律；
电机速度环ESO的两个输入信号分别为被控对象的输入信号和被控对象的电机位置；电机速度环ESO的输出为观测实际电机速度；
速度环误差控制律的输入信号为负载位置环ESO观测到的实际负载速度以及电机速度环ESO的输出，所述速度环误差控制律的输出为电机速度环控制量。


3.如权利要求1所述的一种抑制谐振的自抗扰控制器，其特征在于，所述电机位置环包括电机位置环ESO和电机位置环误差控制律；
所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡涛，车康楠，陈杰，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11