基于命令滤波反步法的双电机离散同步控制方法及系统技术方案

本发明专利技术属于双电机同步驱动伺服系统控制技术领域，公开了一种基于命令滤波反步法的双电机离散同步控制方法及系统

【技术实现步骤摘要】
基于命令滤波反步法的双电机离散同步控制方法及系统


[0001]本专利技术属于双电机同步驱动伺服系统控制
，特别涉及一种基于命令滤波反步法的双电机离散同步控制方法及系统
。

技术介绍

[0002]近年来，伺服电机系统广泛应用于制造业
、
农业及航天等
，在高性能电驱动应用中受到越来越多的关注
。
伺服电机的控制精度高，抗过载能力强，能够实现位置
、
速度和扭矩的闭环控制，可以将电压信号转换成扭矩和速度来驱动控制对象，同时伺服电机低速运行平稳，低速运行时不会发生步进电机的步进运行现象，克服了步进电机失步的问题
。
伺服电机的转子速度由输入信号控制，可以快速响应
。
但是在实际工况中由于存在着诸多的未知扰动，会严重的影响伺服电机的控制精度和响应速度，因此诸多学者致力于研究如何提高伺服电机的抗干扰能力和控制效果
。
[0003]为了使系统获得优良的控制性能，实现伺服电机高精度控制，专家学者提出多种先进控制方法，如滑模变结构控制
、
自适应控制
、
反步控制
、
鲁棒控制以及模糊控制等
。
其中将命令滤波反步法与其他先进控制方法相结合已成为控制领域的研究热点
。
在传统反步法对双电机进行控制设计中，虚拟控制函数较为复杂，存在计算爆炸等问题，且出现的未知非线性函数无法处理，不论在仿真实验还是实际落地上都存在一定的困难
。
>针对以上情况，命令滤波技术和模糊自适应技术的引入使得反步法在对控制律进行设计中既能克服计算爆炸，又能将未知非线性函数进行逼近，从而克服传统反步法的缺陷
。
以反步法为基础，结合动态面技术与模糊逻辑系统，设计了动态面模糊离散速度调节器，减轻了控制器设计的复杂性和计算负担，克服了系统高阶非线性和外部负载扰动问题
。
[0004]然而现有离散研究多集中于单电机驱动的伺服系统
。
单个电机的功率和惯量是有限的，有时不足以驱动大惯量负载
。
因此在许多情况下，为了满足高功率
、
大惯量和高性能的要求，负载由两个电机同时驱动
。
在调速或位置跟踪控制任务中，期望两个电机在保持相同速度的同时追踪命令信号
。
然而，目前仍然存在一些影响双电机离散伺服系统控制性能的因素，例如两个电机之间的参数差异
、
多电机带来的多轴摩擦动态
、
未建模动态以及由系统不确定性和干扰引起的转矩扰动等
。
在上述因素影响下，实现双电机系统的离散高跟踪性能控制是一个巨大的挑战
。

技术实现思路

[0005]针对目前双电机离散系统控制效果，电机的位置跟踪在反步法设计中推导复杂以及误差过大引起的安全事故等技术问题，本专利技术提出了一种基于命令滤波反步法的双电机离散同步控制方法，以实现对双电机离散系统进行有效的位置追踪控制
。
[0006]本专利技术为了实现上述目的，采用如下技术方案：
[0007]基于命令滤波反步法的双电机离散同步控制方法，包括如下步骤：
[0008]步骤
1.
针对双电机同步驱动伺服系统，建立双电机离散动力学系统数学模型，重
新定义变量，以简化双电机离散动力学系统数学模型；
[0009]步骤
2.
在步骤1的双电机离散动力学系统数学模型基础上，设计基于命令滤波反步法的双电机离散控制器，以对双电机离散系统进行控制；
[0010]步骤
3.
选取
Lyapunov
函数证明闭环系统的稳定性，以验证步骤2中设计的基于命令滤波反步法的双电机离散控制器的跟踪及同步性能；
[0011]步骤
4.
基于命令滤波反步法的双电机离散控制器实现对双电机离散系统位置追踪控制
。
[0012]优选的，双电机离散同步控制方法应用于双电机离散系统的位置追踪控制
。
[0013]优选的，双电机伺服系统中，电机与齿轮通过减速器相连接，使得负载以相同的速度运行
。
利用电机实际位置与给定的期望位置值之间的差值得到虚拟控制函数，并将虚拟控制函数输入到命令滤波器中产生滤波输出信号，该输出信号一方面作为双电机离散控制器的输入，另一方面产生误差补偿信号输入到双电机离散控制器中，通过双电机离散控制器进行电压控制，最终转换成双电机系统的各电机转子位置，达到双电机伺服系统的控制效果
。
[0014]此外，在基于命令滤波反步法的双电机离散同步控制方法的基础上，本专利技术还提出了一种与之相适应的基于命令滤波反步法的双电机离散同步控制系统，其采用如下技术方案：
[0015]基于命令滤波反步法的双电机离散同步控制系统，包括：
[0016]控制器设计模块，用于针对双电机同步驱动伺服系统，建立双电机离散动力学系统数学模型，重新定义变量，以简化双电机离散动力学系统数学模型；
[0017]控制器设计模块，用于在双电机离散动力学系统数学模型基础上，设计基于命令滤波反步法的双电机离散控制器，以对双电机离散系统进行控制；
[0018]稳定性评估模块，选取
Lyapunov
函数证明闭环系统的稳定性，以验证设计的基于命令滤波反步法的双电机离散控制器的跟踪及同步性能；
[0019]以及双电机离散系统位置追踪控制模块，用于基于命令滤波反步法的双电机离散控制器实现对双电机离散系统位置追踪控制
。
[0020]此外，在上述基于命令滤波反步法的双电机离散同步控制方法的基础上，本专利技术还提出了一种计算机设备，该计算机设备包括存储器和一个或多个处理器
。
[0021]所述存储器中存储有可执行代码，所述处理器执行所述可执行代码时，用于实现上面述及的基于命令滤波反步法的双电机离散同步控制方法的步骤
。
[0022]此外，在上述基于命令滤波反步法的双电机离散同步控制方法的基础上，本专利技术还提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序
。
该程序被处理器执行时，用于实现上面述及的基于命令滤波反步法的双电机离散同步控制方法的步骤
。
[0023]本专利技术具有如下优点：
[0024]如上所述，本专利技术述及了一种基于命令滤波反步法的双电机离散同步控制方法及系统
。
本专利技术针对双电机同步驱动伺服系统进行离散化建模，在忽略齿隙的影响下建立双电机离散模型和动力学方程，所设计的控制器更有利于实际应用
。
本专利技术结合离散命令滤波器，设计双电机命令滤波反步法，采用二阶滤波器处理虚拟函数，避免“计算爆炸”的问题，消除滤波误差，从而提高了双电机同步驱动伺服系统的控制精度
。
本专利技术利用神经网络
技术逼近多电机轴转矩等本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
基于命令滤波反步法的双电机离散同步控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤
1.
针对双电机同步驱动伺服系统，建立双电机离散动力学系统数学模型，重新定义变量，以简化双电机离散动力学系统数学模型；步骤
2.
在步骤1的双电机离散动力学系统数学模型基础上，设计基于命令滤波反步法的双电机离散控制器，以对双电机离散系统进行控制；步骤
3.
选取
Lyapunov
函数证明闭环系统的稳定性，以验证步骤2中设计的基于命令滤波反步法的双电机离散控制器的跟踪及同步性能；步骤
4.
基于命令滤波反步法的双电机离散控制器实现对双电机离散系统位置追踪控制
。2.
根据权利要求1所述的基于命令滤波反步法的双电机离散同步控制方法，其特征在于，所述步骤1中，双电机离散动力学系统数学模型的公式如下：其中，电机参数组用字母
j
表示，
j
＝
1,2
；
θ
j
(k+1)、
θ
j
(k)
分别表示第
j
个电机在
k+1、k
时刻的角位置；
θ
L
(k+1)、
θ
L
(k)
分别表示在
k+1、k
时刻负载折合到电机侧的角位置；
w
j
(k+1)、w
j
(k)
分别表示第
j
个电机在
k+1、k
时刻的角速度；
w
L
(k+1)、w
L
(k)
分别表示在
k+1、k
时刻负载折合到电机侧的角速度；
Δ
t
为采样周期；
b
L
、b
j
为电机负载和第
j
个电机的粘滞摩擦系数；
J
L
为电感；
J
mj
为电机转动惯量；
K
L
为刚度系数；
K
Tj
为电磁转矩常数；
u
j
(k)
为第
j
个电机的控制电压，
F
mj
为系统的非线性扰动；选择状态变量如公式
(2)
所示：则双电机离散动力学系统数学模型表示如公式
(3)
所示：其中，
x3(k)
＝
x
31
(k)+x
32
(k)
，
x4(k)
＝
x
41
(k)+x
42
(k)
；
x
31
(k)
和
x
32
(k)
分别表示每个电机的角位置，
x
41
(k)
和
x
42
(k)
表示每个电机的角速度；
3.
根据权利要求2所述的基于命令滤波反步法的双电机离散同步控制方法，其特征在于，所述步骤2中，定义离散命令滤波器如公式
(4)
所示：其中，
α
l
(k)
为命令滤波器的输入信号，
l
＝
1,2
，3；为离散命令滤波器
k
时刻的输出信号，时刻的输出信号，为离散命令滤波器
k+1
时刻的输出信号；
η
n
和
ζ
均为正常数；对于所有
k≥1
，输入信号
|
α
l
(k+1)
‑
α
l
(k)|≤b1和
|
α
l
(k+2)
‑2α
l
(k+1)+
α
l
(k)|≤b2，
b1和
b2是正常数，对于任意
q
＞0，得到是有界的；其中，
α
i
(0)
表示
α
l
(k)
的初值；表示初值，表示的初值；表示的初值；步骤
2.1.
基于双电机离散动力学系统数学模型，设计基于命令滤波反步法的双电机离散控制器；根据反步法原理，定义系统误差变量
、
误差补偿信号如公式
(5)
和公式
(6)
所示：其中，
x
d
为给定的期望信号；
x
2,c
(k),x
3,c
(k),x
4,c
(k)
分别为
x2(k),x3(k),x4(k)
滤波后的期望虚拟信号，
e
m
(k)
为系统误差，
m
＝
1,2,3,4
；
e
4j
(k)
表示两个电机之间的系统误差，
e
s
(k)
表示两个电机之间的速度误差；其中，
ζ
m
(k)
为误差补偿信号，
v
m
(k)
为实际误差，
m
＝
1,2,3,4
；
v1(k)
为反步法推导第一步中实际误差，
v1(k+1)
为
k+1
时刻的实际误差；由公式
(3)
中第一个方程以及公式
(4)
和公式
(5)
得出：
v1(k+1)
＝
e1(k+1)
‑
ζ1(k+1)
＝
x1(k)+
Δ
t
x2(k)
‑
x
d
(k+1)
‑
ζ1(k+1)
ꢀꢀ
(7)
步骤
2.2.
选取
Lyapunov
函数求
V1(k)
的一阶差分
Δ
V1(k)
，得到：构造命令滤波器的输入信号
α1(k)
为虚拟控制函数和误差补偿信号
ζ1(k)
，
α1(k)
和
ζ1(k)
分别为公式
(9)
和
(10)
所示；
ζ1(k+1)
＝
Δ
t
[
ζ2(k)+x
2,c
(k)
‑
α1(k)+t1ζ1(k)]
ꢀꢀꢀ
(10)
式中：
|t1|≤1
；由公式
(8)
和公式
(9)
得到：由公式
(3)
中第二个方程以及式
(4)
和
(5)
得出：其中，
v2(k)
表示反步法推导第二步中的实际误差，
v2(k+1)
为
k+1
时刻的实际误差；步骤
2.3.
选取
Lyapunov
函数求
V2(k)
的一阶差分
Δ
V2(k)
，得到：构造命令滤波器的输入信号
α2(k)
为虚拟控制函数和补偿信号
ζ2(k)
，
α2(k)
和
ζ2(k)
分别为公式
(14)
和
(15)
所示：
ζ2(k+1)
＝
Δ
t
a0[
ζ3(k)+x
3,c
(k)
‑
α2(k)+t2ζ2(k)]
ꢀꢀꢀꢀ
(15)
式中：
|t2|≤1
；由公式
(14)
和
(15)
得到：其中，
v3(k)
表示反步法推导第三步中的实际误差，
v3(k+1)
为
k+1
时刻的实际误差；由公式
(3)
中第三个方程以及式
(4)
和式
(5)
得出
:
步骤
2.4.
选取
Lyapunov
函数求
V3(k)
的一阶差分
Δ
V...

【专利技术属性】
技术研发人员：于金鹏，王保防，蔡明洁，刘占杰，刘加朋，何建华，陈麦调，
申请(专利权)人：青岛海尔生物医疗股份有限公司，
类型：发明
国别省市：