一种基于扩张状态观测器的二质量系统命令滤波控制负载轨迹跟踪方法技术方案

本发明专利技术属于伺服系统负载轨迹跟踪技术领域，涉及一种基于扩张状态观测器的命令滤波跟踪控制，包括以下步骤：建立二质量伺服系统的动力学模型与状态方程，初始化系统状态和系统参数；通过扩张状态观测器估计负载端信息量、电机端信息量以及总扰动；引入命令滤波控制算法近似得到了虚拟控制律的导数，抑制了反步法中存在的微分爆炸问题，设计了虚拟控制函数与负载跟踪控制器。该方法实现了对系统状态和不确定模型的有效估计，使系统具有快速性、稳定性与准确性，抗干扰能力强，能够实现良好的负载跟踪效果。载跟踪效果。载跟踪效果。

【技术实现步骤摘要】
一种基于扩张状态观测器的二质量系统命令滤波控制负载轨迹跟踪方法

：
[0001]本专利技术属于伺服系统负载轨迹跟踪
，具体涉及一种基于扩张状态观测器的二质量系统命令滤波控制负载轨迹跟踪方法。

技术介绍
：
[0002]在现代工业不断发展的过程中，二质量伺服系统被广泛应用于雷达、造纸机和医疗设备等。在实际运行中，二质量伺服系统往往存在状态不易测量、模型不确定、参数摄动和易受到外部未知干扰等因素，实际生产中对二质量伺服系统的响应速度和精确性也越来越高，因此，设计出合理的负载跟踪控制器，使得系统具有快速性、稳定性和准确性尤为重要。例如中国专利CN104698844A提出一种液压位置伺服系统的不确定性补偿的滑模控制方法，包括以下步骤：首先建立液压位置伺服系统的数学模型；然后分别设计不匹配和匹配干扰观测器；其次设计基于不匹配和匹配干扰观测器的滑模控制器步骤；最后根据李雅普诺夫稳定性原理证明系统全局渐近稳定。在实际生产中，滑模控制容易产生持续性的抖振，对系统寿命有影响。中国专利CN104345640A提供一种输入受限时电机伺服系统渐进跟踪控制方法及控制系统，控制系统包括第一模块和第二模块，其中第一模块用于建立电机伺服系统模型，第二模块用于设计输入受限渐进跟踪控制器，最后，选择合理的设计参数,，使得系统在输入受限情况下实现渐进跟踪控制。
[0003]反步设计法是一种递归设计方法，反步设计法的基本思想是将复杂的非线性系统分成不超过系统阶数的子系统，然后为每个子系统设计部分李雅普诺夫函数和中间虛拟控制一直“后退”到整个系统，将它们集成起来完成整个控制律的设计。中国专利CN111781829A提出了一种用于转台伺服系统齿隙补偿的神经网络控制方法，针对工业机器人伺服系统负载的速度信息难以测量的问题，设计了速度观测器对速度信息进行估计；利用RBF神经网络来逼近系统中的非线性部分，结合反步控制技术，设计出了虚拟控制律、自适应律和RBF神经网络反步控制器。该控制方法中需要考虑神经网络的层数，控制器参数较多。
[0004]现有技术还存在一些问题，如二质量系统中存在外部未知干扰以及模型不确定的问题。

技术实现思路
：
[0005]为了克服现有技术的上述缺点，本专利技术提出一种基于扩张状态观测器的二质量系统命令滤波控制负载轨迹跟踪方法，基于反步控制技术，将扩张状态观测器和命令滤波器的结合，有效估计系统的状态，并且可以在反馈中补偿模型和外扰，有效实现负载跟踪，提高抗干扰能力。
[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种基于扩张状态观测器的二质量系统命令滤波控制负载轨迹跟踪方法，包括以下步骤：
[0007]S1、建立二质量伺服系统的动力学模型和状态方程，初始化系统状态和系统参数，过程如下：
[0008]S1.1设负载的期望位置为x
d
；
[0009]S1.2二质量伺服系统的动力学方程为
[0010][0011]式中，T
s
是柔性轴传递力矩，k
s
为力矩扭转系数，T
dm
,T
dl
分别为电机端未知外部扰动、负载端未知外部扰动，J
m
,J
l
分别为电机、负载的转动惯量，b
m
,b
l
分别为电机、负载的粘滞摩擦系数，θ
m
,θ
l
分别为电机、负载的角位移，分别为电机、负载的角速度，分别为电机、负载的角加速度，u为系统输入转矩，也就是本专利技术要设计的跟踪控制器；
[0012]S1.3选择系统状态变量为x1＝θ
l
，x3＝θ
m
，令则系统(1)的状态方程为
[0013][0014]其中x5＝1/J
l
(T
s
‑
b
l
x2‑
T
dl
)
‑
x3为负载端总扰动，x6＝1/J
m
(
‑
b
m
x4‑
T
s
‑
T
dm
)电机端总扰动，x5,x6视为扩张状态量，t为系统运行时间；
[0015]假设1：x5和x6都是未知且连续有界的；
[0016]S2、设计扩张状态观测器
[0017]定义观测误差为设计系统的扩张状态观测器为
[0018][0019]其中β1,β2,β3,β4,β5,β6为观测器增益，δ1,δ2为影响Fal函数滤波效果的常数，满足和5T≤δ
j
≤10T，j＝1,2，T为采样时间；两个Fal函数如下所示
[0020][0021][0022]根据式(2)和(3)可得，观测器的估计误差方程为
[0023][0024]选择合适的观测器增益β1,β2,β3,β4,β5,β6，观测误差可以在有限时间内收敛，例如：l
i
为大于0的已知常数；
[0025]S3、基于含有未知外部扰动的二质量伺服系统，设计基于扩张状态观测器的负载跟踪控制器，选择一阶命令滤波器逼近虚拟控制律的导数，递推设出三个虚拟控制律和负载跟踪控制律，完成负载轨迹跟踪；具体步骤如下：
[0026]S3.1命令滤波器描述
[0027]考虑一阶命令滤波器为
[0028][0029]其中ω为滤波器的设计参数，为滤波器的输入，为滤波器的状态，为滤波器的输出，用来估计
[0030]S3.2设计负载跟踪控制器u
[0031]定义跟踪误差为
[0032]e1＝x1‑
x
d (8)
[0033]e2＝x2‑
α
1 (9)
[0034]e3＝x3‑
α
2 (10)
[0035]e4＝x4‑
α
3 (11)
[0036]其中α1,α2,α3为虚拟控制律；
[0037]根据S3.1，引入命令滤波器来估计虚拟控制律的导数，即有
[0038][0039]其中ω
j
为设计参数，滤波误差为ε
j
为大于0的已知常数，j＝1,2,3；
[0040]Step1：对式(8)求导得
[0041][0042]设计虚拟控制律为
[0043][0044]Step2：对式(9)求导得
[0045][0046]设计虚拟控制律为
[0047][0048]Step3：对式(10)求导得
[0049][0050]设计虚拟控制律为
[0051][0052]Step4：对式(11)求导得
[0053][0054]设计跟踪控制器为
[0055][0056]u为式(1)中的输入转矩；式(14)，(16)，(18)和(20)中的k
i
为设计参数，i＝1,
…
,4；
[0057]S4本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于扩张状态观测器的二质量系统命令滤波控制负载轨迹跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、建立二质量伺服系统的动力学模型和状态方程，初始化系统状态和系统参数；S2、设计负载端和电机端的扩张状态观测器；S3、基于含有未知外部扰动的二质量伺服系统，设计基于扩张状态观测器的负载跟踪控制器，选择一阶命令滤波器逼近虚拟控制律的导数，递推设出三个虚拟控制率和负载跟踪控制律，完成负载轨迹跟踪。2.根据权利要求1所述的基于扩张状态观测器的二质量系统命令滤波控制负载轨迹跟踪方法，其特征在于，步骤S1具体过程如下：S1.1设负载的期望位置为x
d
；S1.2二质量伺服系统的动力学方程为：式中，T
s
是柔性轴传递力矩，k
s
为力矩扭转系数，T
dm
,T
dl
分别为电机端未知外部扰动、负载端未知外部扰动，J
m
,J
l
分别为电机、负载的转动惯量，b
m
,b
l
分别为电机、负载的粘滞摩擦系数，θ
m
,θ
l
分别为电机、负载的角位移，分别为电机、负载的角速度，分别为电机、负载的角加速度，u为系统输入转矩，也就是本发明要设计的跟踪控制器；S1.3选择系统状态变量为x1＝θ
l
，x3＝θ
m
，令则系统(1)的状态方程为其中x5＝1/J
l
(T
s
‑
b
l
x2‑
T
dl
)
‑
x3为负载端总扰动，x6＝1/J
m
(
‑
b
m
x4‑
T
s
‑
T
dm
)电机端总扰动，x5,x6视为扩张状态量...

【专利技术属性】
技术研发人员：王树波，党佳丽，
申请(专利权)人：青岛大学，
类型：发明
国别省市：