[发明专利]位置伺服系统与方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于伺服系统的神经网络自适应控制方 法，用于伺服系统的高精度控制。

技术背景

伺服系统是复杂的机电控制系统，其本质可以视为一个由电 动机拖动的的位置闭环控制系统，其在国民生产和国防建设中 起着重要的作用。由于其在各领域中占有十分重要的地位，所 以对其性能的要求也不断提高，尤其在国防军事和航空航天等 尖端领域。从当前国内外伺服系统总的发展趋势可以看出， “高频响、超低速、高精度”是其主要发展方向。其中，“高 频响”是反映伺服系统跟踪高频信号的能力，即在位置指令信 号不断变化时系统的跟踪能力。“超低速”，是反映系统的低 速平稳性，影响低速特性的主要因素是机械摩擦，必须采用一 定的控制方法对摩擦进行补偿。“高精度”是指系统跟踪指令 信号的准确程度。

存在于伺服系统中的机械摩擦、电路参数的飘移、轴系间 的力矩耦合、环境干扰、以及轴系间的不垂直度或不交度而引 起的系统负载力矩的不平衡、机械装置刚度不足而引起的机械 变形、负载的波动以及电机本身的齿槽效应等许多非线性的、 不确定性等因素，给伺服系统的控制造成了很多困难，对系统 的精度影响很大。因此，消除这些干扰源引起的扰动并克服各 种非线性因素对系统带来的影响是实现伺服系统高精度控制的 关键。

经典的伺服系统设计一般采用传统的“三环”结构的PID 控制方法(参见图3)，由内到外是电流环、速度环和位置环。 电流环和速度环的作用是提高系统的刚度来抑制系统的非线性 及外部扰动，控制系统的精度由位置环来保证。但这种传统控 制方法的适应性差，在系统受扰的情况下控制精度低，不适合 高精度控制的场合。而本发明能够很好的抑制系统的参数摄 动、摩擦干扰和负载变化带来的扰动；在对象的非线性和不确 定性较强的情况下也可以正常运行，极大的提高了伺服系统的 控制精度。

发明内容

为了提高伺服系统的控制精度，特别是提高伺服系统在存在 非线性和不确定性以及系统的参数摄动、摩擦干扰和负载变化 等干扰情况下的控制精度，提出一种应用于伺服系统的神经网 络自适应控制方法。本发明实现了对伺服系统的非线性补偿和 干扰抑制，提高了伺服系统的跟踪精度。本发明是在传统的控 制方法的基础上加入了神经网络自适应控制的方法，极大的提 高了系统的鲁棒性，使系统对各种干扰都能够进行快速有效的 抑制，达到极高的控制精度。并且基于Lyapunov稳定性理论的 自适应控制算法确保了该方法的稳定性。另外，在速度环精确 参考模型的基础上，位置环控制器的设计也变得非常的简单， 使整个系统的设计工作变得相当方便，易于在工程实际中实 施。

根据本发明的一个方面，提供了一种位置伺服系统，包括： 一个位置环控制器，用于接收一个位置误差，并产生一个速度 指令；一个自适应控制器，用于接收所述速度指令、一个模型 误差和一个伺服对象速度信号，并产生一个自适应控制器输 出；一个神经网络控制器，用于接收所述伺服对象速度信号、 一个控制信号和所述模型误差，并输出一个神经网络控制器输 出；一个参考模型，用于接收所述速度指令并产生一个参考模 型输出；一个第一加法器，用于把所述自适应控制器输出和所 述神经网络控制器的输出相加，从而产生所述控制信号；一个 伺服执行装置，用于在所述控制信号的控制下，进行伺服操 作；一个速度检测装置，用于测量所述位置伺服系统的伺服对 象的速度，从而生成所述伺服对象速度信号；一个位置测量装 置，用于测量所述位置伺服系统的伺服对象的位置，并生成一 个控制对象位置输出；一个第二加法器，用于把所述所述伺服 对象速度与所述参考模型输出相减，从而生成所述模型误差； 一个第三加法器，用于把所述控制对象位置输出和所述位置伺 服系统所接收到的一个位置指令相减，从而生成所述位置误 差。