伺服电机的变结构双自由度智能集成控制方法技术

本发明专利技术公开了一种伺服电机的变结构双自由度智能集成控制方法，包括伺服系统、主控制器和补偿控制器，主控制器由Bang-Bang控制器、解析模糊控制器和PI控制器组成；在电机工作的不同误差区段，三个子控制器分工、协作输出独立控制信号或综合控制信号，并与补偿控制器输出的信号进行叠加后对电机进行控制。本发明专利技术的有益技术效果是：克服了结构单一的主控制器的不足，使跟踪性和抗干扰性同时达到更高的要求，充分发挥了各个子控制器的优点；两个子控制器之间的输出采用模糊“软切换”平滑过渡，改善了主控制器的性能，大大加快了补偿控制器的收敛速度，增强对干扰的抑制能力。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种伺服电机的控制技术，尤其涉及一种伺服电机的变结构双自由度 智能集成控制方法。
技术介绍
伺服系统的应用遍及社会各领域，交流伺服控制系统正成为伺服技术的主流；对 交流伺服系统的控制有两项重要的技术指标跟踪性和抗干扰性。跟踪性是指在系统稳定 的前提下，伺服系统对外加的指令信号有很好的跟踪能力，尽量与指令信号保持一致，能及 时、准确地复现指令信号；抗干扰性是指伺服系统在受到干扰使原始状态受到破坏后，如何 快速抑制状态继续恶化并尽量恢复到原始状态的能力。干扰是造成伺服系统性能下降的主 要因素，而影响伺服系统性能的干扰因素多种多样负载转矩扰动、摩擦扰动、参数变化扰 动、纹波转矩扰动、谐波扰动等。特别是在微进给、精加工的数控机床中，一个很微小的扰动 往往会导致加工产品表面出现明显的划痕，从而降低产品质量，甚至使产品报废。理想的伺服系统，要求其既能对给定指令信号具有良好的跟踪性能，又要对干扰 有强的抑制能力。对单自由度的PID控制而言，其控制器在整定参数时往往要兼顾信号的 跟踪和扰动抑制两种性能，只能采取折衷的方式，难以两全其美。即使是采用了基于神经网 络辨识的单神经元PID控制，但究其本质，仍属于单自由度的控制，存在着先天性不足。双 自由度控制通过对给定输入响应的主控制器和对抑制扰动响应的补偿控制器进行相互独 立的设计，可以解决跟踪性和抗干扰性之间的矛盾。在实际系统中，由于伺服电机的数学模 型具有非线性、强耦合、时变的特点，并且各种干扰是随机、多样的，往往无法精确得到被控 系统的数学模型，给系统的控制增添了难度。当采用非智能双自由度控制时，其控制器的参 数不能随被控制对象的参数变化而变化，将会带来控制性能的下降。目前，研究者正通过双自由度控制与智能控制相结合的方法来解决此问题。模糊 控制和神经网络控制均属于智能控制的范畴，具有不依赖被控对象数学模型的优点，能很 好地克服系统中模型参数变化、非线性、干扰等不确定因素的影响。因此，在各种智能控制 方法的基础上，取长补短，开发出双自由度的智能综合集成控制系统，这是伺服电机控制的 发展方向。双自由度智能控制器的结构和算法直接影响着控制效果，对其控制器结构的深入 研究是当前工作中的一个重点。参考信号前馈型双自由度控制是一种典型的控制结构。图 1是现有技术中的一种基于神经网络给定补偿双自由度伺服控制的原理图，该方案能对跟 踪和干扰分别进行控制。神经网络NNl用于对被控伺服电机对象进行逆向建模；神经网络 NN2与神经网络NNl具有相同的结构和联接权值，用以作为给定补偿控制器，两者仅输入输 出量不同。由附图说明图1可知，顕1可以同时对干扰进行辨识，并且NN2会随之发生变化构成自适 应的前馈环节，从而达到对扰动的抑制。在现有的双自由度伺服控制系统方案中，对给定输入响应的主控制器通常采用常 规PID控制器，或者采用其它形式的单一控制器。由于在高性能或一些特殊性能的伺服控制系统中，对跟踪性和抗干扰性两项指标的要求都非常高。必须站在更高层次上考虑一些 更为细微的因素对伺服控制性能的影响，因此需要对以下两个问题作进一步的深入研究(1)跟踪性方面在最为严峻的阶跃指令信号输入情况下，是可以将跟踪性指标 进一步细化为动态性(快速跟踪)和稳态性(精确定位)两个方面的。伺服系统对快速跟 踪和精确定位的要求很高，二者又发生在不同的时域，而且具有矛盾性，若使用结构单一的 主控制器常常会顾此失彼。(2)抗干扰性方面用神经网络进行补偿控制，当遇到干扰时，其最大的缺点就是 过渡过程较慢，恢复至稳态的时间较长。如何加快神经网络补偿控制器的收敛速度，使其在 遇到干扰时，缩短过渡时间，迅速恢复至稳态，彻底地将干扰消除，增强对干扰抑制能力，这 是双自由度伺服智能控制系统需要解决的又一问题。
技术实现思路
针对
技术介绍
中的问题，本专利技术提出了一种伺服电机的变结构双自由度智能集成 控制方法，包括伺服系统、为伺服系统提供跟踪性能的主控制器、为伺服系统提供抗干扰性 能的补偿控制器。其改进在于所述主控制器由三个子控制器组成，它们分别是Bang-Bang 控制器、解析模糊控制器和PI控制器，本文将这种三个子控制器结构的控制器定义为变结 构复合智能主控制器；针对电机工作时的不同误差区段，1)或者三个子控制器中的一者单 独输出独立控制信号。2)或者三个子控制器中的一者或两者输出控制信号a.只有一者输 出控制信号时与步骤1)的情况相同，该子控制器输出独立控制信号；b.有两者输出控制信 号时，对两个控制信号进行模糊综合，形成综合控制信号。3)子控制器输出的独立控制信号 或综合控制信号，与补偿控制器的输出信号进行叠加后作用于伺服系统，对电机进行控制。步骤1)中，不同误差区段之间无交叠区域；误差较大时，Bang-Bang控制器输出独 立控制信号；误差适中时，解析模糊控制器输出独立控制信号；误差较小时，PI控制器输出 独立控制信号；独立控制信号与补偿控制器的输出信号进行叠加后输出到伺服系统。步骤2、中，按误差大小顺次排列的各个误差区段在交界处有交叠区域；误差较大 但又不在交叠区域时，Bang-Bang控制器输出独立控制信号；误差适中但又不在交叠区域 时，解析模糊控制器输出独立控制信号；误差较小但又不在交叠区域时，PI控制器输出独 立控制信号；独立控制信号与补偿控制器的输出信号进行叠加后输出到伺服系统；误差处于较大区段与误差适中区段的交叠区域时，Bang-Bang控制器和解析模糊 控制器同时输出控制信号；误差处于适中区段与误差较小区段的交叠区域时，解析模糊控 制器和PI控制器同时输出控制信号；对来自两个子控制器的控制信号进行模糊综合，形成 综合控制信号，并将综合控制信号与补偿控制器的输出信号进行叠加后输出到伺服系统。划分误差区段时，以电机启动时的指令信号与实际位置信号的误差值el为分母，el以电机启动过程中的指令信号与实际位置信号的误差值e2为分子，按一XlOOy0所计算 出的百分比数值为依据，划分误差区域；步骤1)中的情况时，0 5%为误差较小的区段，PI控制器单独输出独立控制信 号；10% 20%为误差适中的区段，解析模糊控制器单独输出独立控制信号；20%以上为 误差较大的区段，Bang-Bang控制器单独输出独立控制信号；步骤2)中情况时，0 10%为误差较小的区段，5% 25%为误差适中的区段， 20%以上为误差较大的区段0 5%时，PI控制器单独输出独立控制信号；5% 10%时， 解析模糊控制器和PI控制器同时输出控制信号；10% 20%时，解析模糊控制器单独输 出独立控制信号；20% 25%时，Bang-Bang控制器和解析模糊控制器同时输出控制信号； 25%以上时，Bang-Bang控制器单独输出独立控制信号。前述的有两个子控制器同时输出控制信号的情况时，根据如下方法对两个子控制 器同时输出的控制信号进行模糊综合1)将两个子控制器所适用的误差区段的交叠区域等值划分为10个误差等级，10 个误差等级分别对应X = 0，1，2，3，4，5，6，7，8或9，在两个子控制器所适用的误差区段的交 叠区域，当误差处于该交叠区域内的最大值所在误差等级时，χ取9，当误差处于该交叠区 域内的最小值所在误差等级时，χ取0 ；根本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种伺服电机的变结构双自由度智能集成控制方法，包括伺服系统、为伺服系统提供跟踪性能的主控制器、为伺服系统提供抗干扰性能的补偿控制器，其特征在于：所述主控制器由三个子控制器组成，它们分别是Ｂａｎｇ－Ｂａｎｇ控制器、解析模糊控制器和ＰＩ控制器；针对电机工作时的不同误差区段，１）或者三个子控制器中的一者单独输出独立控制信号；２）或者三个子控制器中的一者或两者输出控制信号：ａ．只有一者输出控制信号时与步骤１）的情况相同，该子控制器输出独立控制信号；ｂ．有两者输出控制信号时，对两个控制信号进行模糊综合，形成综合控制信号；３）子控制器所输出的独立控制信号或综合控制信号，与补偿控制器输出的信号进行叠加后作用于伺服系统，对电机进行控制。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：徐凯，许强，
申请(专利权)人：重庆交通大学，
类型：发明
国别省市：85