一种含磁滞补偿的电机伺服系统预设性能跟踪控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种控制方法，特别是一种含磁滞补偿的电机伺服系统预设性能跟踪 控制方法。
【背景技术】
[0002] 电机伺服系统具有响应速度快、加速性能好、维护方便及能源获取方便等突出优 点，在工业领域得到了广泛的应用，如转台、工业机械手、电动汽车等。随着相关领域的蓬勃 发展，工程设计的性能指标也越来越苛刻，对于电机伺服系统新型控制器的需求开始变得 迫切。然而电机伺服系统中广泛存在诸多模型不确定性，包括参数不确定性（如负载力、随 温度及磨损变化的摩擦特性参数等）和不确定非线性（如非线性摩擦、非线性磁滞等），这 些都给工程设计人员带来很大的困难，从而制约着相关领域的发展。
[0003] 针对电机伺服系统以上诸多复杂问题，相关学者开展了大量的研究工作，也推进 着电机伺服控制技术的向前发展。自适应控制对于系统模型中的可参数化部分，可以有效 的估计并实现一定的模型补偿，然而对于不可参数化部分，自适应控制无能为力，并且对于 存在较强外干扰的场合，自适应控制常常面临发散的危险，这一定程度上限制了其在高精 度跟踪控制场合的适用性；滑膜控制方法简单，且对于存在有界干扰的系统可以实现渐进 的跟踪控制，然而滑膜控制器中不连续符号函数所带来的颤振现象，易导致系统控制性能 的衰减，且滑模控制常常以高增益反馈为代价，极易激发系统的高频未建模动态，造成系统 失稳，现有的改善滑膜抖动措施的控制方法较少且复杂；神经网络控制针对不确定非线性， 可以实现较好的参数化估计，并且通过回归器的合适选取，估计误差可任意小，然而神经网 络的计算量较大，与电机伺服系统的高响应速度特性存在冲突，导致其在实际工程的应用 出现瓶颈。
[0004] 对实际中时常面临的预设性能要求，现有的控制方法却较少提交。所谓预设性能 需求是指，伺服系统的跟踪性能不仅需要满足一定的稳态指标，而且跟踪误差的收敛速度、 超调量等重要指标，也存在预先设定的界限。此外，伺服电机中普遍存在磁滞非线性现象， 虽然其对系统稳定性不构成严重威胁，但是却极易导致系统在低频段的相位滞后，影响控 制器的最终性能。
[0005] 总的来说，现有电机伺服系统控制技术的不足之处主要有以下几点：（1)对于系 统的预设性能关注较少。当工程实际中对于系统存在预设性能需求时，如何在控制器设计 中融合进这些预设需求，现有的控制方法中也很少提及，这在一定程度上限制了现有控制 方法的适用性，此外系统运行初始时刻执行器所表现出来的瞬态特性，对系统的后续运行 稳定性影响很大，现有的电机伺服系统控制设计中大多只关注稳态性能，即稳态跟踪精度 和稳定性，这显然使得控制的设计不够充分；（2)未考虑磁滞非线性。磁滞非线性作为电机 的固有特性，在控制器设计中如果不加以考虑，却极易导致系统在低频段的相位滞后，影响 控制器的最佳性能；（3)高增益反馈。这在传统滑膜控制器设计中较为明显，以不确定项的 最大上界作为负反馈来减小跟踪误差，在存在设计保守性的同时，容易激发系统高频未建 模动态，造成系统失稳。
【发明内容】
[0006] 为了克服现有技术存在的问题，本发明提供一种充分考虑预设性能需求、系统磁 滞非线性和存在高增益反馈的含磁滞补偿的电机伺服系统预设性能跟踪控制方法。
[0007] -种含磁滞补偿的电机伺服系统预设性能跟踪控制方法，包括以下步骤：
[0008] 步骤1，建立含磁滞的电机伺服系统模型，具体方法为：
[0009] 步骤1. 1，建立电机伺服系统的动力学方程
【主权项】
1. 一种含磁滞补偿的电机伺服系统预设性能跟踪控制方法，其特征在于，包括以下步 骤： 步骤1，建立含磁滞的电机伺服系统模型； 步骤2,设计含磁滞补偿的预设性能跟踪控制方法； 步骤3,设计系统参数，满足系统跟踪误差最小。
2. 根据权利要求1所述的含磁滞补偿的电机伺服系统预设性能跟踪控制方法，其特征 在于，步骤1中系统模型建立方法为： 步骤1. 1，建立电机伺服系统的动力学方程
公式（3)中m为惯性负载，h为电压力矩常数，cU为未建模干扰项，y，j和夕分别为系 统位置、速度和加速度信号，为摩擦项，u为有效控制输入； 公式（4)中c为磁滞特性参数，v(t)为t时刻控制器的输出控制量，d(v)为由非线性 磁滞产生的有界干扰； 公式（5)中1'1，1'2，1'3为表征摩擦特性的权重因子， 81，82,83为不同摩擦部分的形状因 子； 步骤1. 2,定义状态变量
|则动力学方程转化为：
公式（6)中 9 !=cki/m, 9 2 =r/m, 9 3=r2/m, 9 4=r3/m,A= (!〇)+(!" (x2)= tanh(SiX2)_tanh(s2x2)，f2 (x2) =tanh(s3x2) 〇
3. 根据权利要求1所述的含磁滞补偿的电机伺服系统预设性能跟踪控制方法，其特征 在于，步骤2的具体过程如下： 步骤2.1，定义预设性能函数
公式（10)跟踪误差e=Xl-xld，xld为系统跟踪的位置指令，其需满足以下性能指标
公式（7)中j和孑为正的可设计参数，P(t)为正的递增光滑函数， 对公式（10)求反函数可得
步骤2.2,定义辅助误差量，则由公式（6)和公式（11)得
步骤2. 3,对公式（14)作如下改进：
? 步骤2. 4,设计控制律，确定实际控制器输入V，控制律为：
公式（16)中\表示模型补偿控制器，vs表示鲁棒控制器，vsl为线性鲁棒反馈项，vs2为 非线性鲁棒反馈项：
表示系统各未知参数估计值，g表示参数自适应律， r表示自适应回归参数矩阵，
表示基于指令的参数回归 器，匕为正的反馈增益，e为可设计参数； 步骤2. 5,定义李亚普诺夫函数如下：
步骤2. 6,定义矩阵A
4.根据权利要求3所述的含磁滞补偿的电机伺服系统预设性能跟踪控制方法，其特征 在于，系统参数包括ki，k2,e，立，孑，其设计要求满足矩阵A为正定矩阵，且跟踪误差e最 小。
【专利摘要】本发明提供一种含磁滞补偿的电机伺服系统预设性能跟踪控制方法，包括以下步骤：步骤1，建立含磁滞的电机伺服系统模型；步骤2，设计含磁滞补偿的预设性能跟踪控制方法；步骤3，设计系统参数，满足系统跟踪误差最小。本发明选用电机伺服系统作为研究对象，同时考虑了系统参数不确定性、非线性摩擦特性、未建模外干扰以及磁滞非线性，设计了优良的跟踪控制器，建立了包含线性项和有界干扰项的磁滞模型，便于进行控制器设计；且针对系统参数不确定性和未建模干扰项，采用自适应鲁棒控制方法，实现了较好的参数估计和鲁棒有界稳定。
【IPC分类】G05B13-04
【公开号】CN104570733
【申请号】CN201410778146
【发明人】董振乐, 姚建勇, 马大为, 胡健
【申请人】南京理工大学
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2014年12月15日