[发明专利]位置闭环系统最小幅相差跟踪法

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于无测速元件的伺服系统及其最小幅相差跟踪方法，其构建了速度闭环，增加系统的刚度（阻尼）。

背景技术

近年来，随着我国在航空航天、武器研制等领域取得的卓越成就，以及在其他各个工业领域的高速发展，高精度伺服系统已经起着举足轻重的作用。“高频响、高精度、超低速”是研制高精度伺服系统的核心关键要素，其中“高频响”代表了伺服系统跟踪高频信号的能力；“高精度”反映了系统跟踪指令信号的准确程度；“超低速”，体现了系统的低速平稳性。

影响高精度伺服系统性能的因素包括很多非线性因素和不确定性因素，比如机械摩擦、参数漂移、电磁干扰、轴系间力矩耦合、安装产生的力矩不平衡等。对高精度伺服系统“两高一低”指标的实现影响较大，因此，提高系统的控制刚度和非线性因素的抑制能力从而减小这些不利因素对系统带来危害的研究工作是十分有意义的。

通常伺服系统采取三环结构的PID控制方法，由内到外依次是电流环、速度环和位置环。电流环的作用是使电枢电流严格跟随电流指令的变化，从而准确控制电机输出力矩，有效抑制电子噪声、反电动势等干扰的影响。速度环的作用是提高系统的刚度来抑制系统的非线性因素和外部扰动。位置环的作用是提高系统的控制精度。这种经典的控制方法不足以达到高精度伺服系统的性能要求，采取复合控制方法已经成为当今控制系统的发展趋势。

发明内容

本发明人提出了一种先进的最小幅相差跟踪控制方法，进行了相关的实验验证，证明了该方法对机械摩擦、轴系间力矩耦合、不平衡力矩等非线性因素具有较强的抑制能力，减小了伺服系统的幅差和相差，提高了伺服系统的跟踪精度。

本发明涉及一种应用于无测速元件的伺服系统，通过软件方法构建了速度闭环，增加系统的刚度（阻尼）；采用位置指令差分的方法实现了一阶前馈，控制系统的相移；构建一种电流环扰动观测器，实现了对系统非线性扰动的有效抑制；调整位置和速度控制器参数，减小跟踪幅差。在系统指标频宽范围内，可达到跟踪信号幅差绝对值小于1%、相位滞后小于1°的“双一”跟踪指标；低速特性尤其明显，可实现0.00001°、0.025Hz超小信号不失真动态跟踪。本发明可以广泛地应用于高精度控制的武器系统、工业及民用系统，对其系统性能具有明显的提升作用。

根据本发明的一个方面，提供了一种基于位置闭环系统的最小幅相差跟踪方法，其特征在于包括：用一个位置环控制器接收一个位置误差，并产生一个速度指令；用一个位置前馈控制器接收一个位置指令，并产生一个位置前馈输出信号；用一个速度环控制器接收一个速度偏差信号，并产生一个速度环控制输出信号；用一个电流环扰动观测器接收一个电流环给定信号和一个控制对象的位置输出信号，产生一个干扰补偿信号；用一个第一加法器，用于把所述控制对象的位置输出反馈和所述位置闭环系统所接收到的一个位置指令相减，生成所述位置误差；；用一个第二加法器，用于对所述位置前馈输出信号、所述位置控制器输出与差分运算得到的速度信号相运算，从而得到所述速度偏差；用一个第三加法器，用于把所述速度环输出和扰动观测器产生的所述干扰补偿信号相减，产生电流环给定信号。

根据本发明的另一个方面，提供了一种位置闭环系统，其特征在于包括：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；一个位置前馈控制器，用于接收一个位置指令，并产生一个位置前馈输出信号；一个速度环控制器，用于接收一个速度偏差信号，并产生一个速度环控制输出信号；一个电流环扰动观测器，用于接收一个电流环给定信号和一个控制对象的位置输出信号，产生一个干扰补偿信号；一个第一加法器，用于把所述控制对象的位置输出反馈和所述位置闭环系统所接收到的一个位置指令相减，生成所述位置误差；一个第二加法器，用于对所述位置前馈输出信号、所述位置控制器输出与差分运算得到的速度信号相运算，从而得到所述速度偏差；一个第三加法器，用于把所述速度环输出和扰动观测器产生的所述干扰补偿信号相减，产生电流环给定信号。

根据本发明的一个进一步的方面，上述位置前馈控制器进一步包括：一个微分器，用于微分位置指令，产生一个速度信号；一个比例控制器，用于速度信号的调节，产生一个位置前馈输出信号。

根据本发明的一个进一步的方面，上述扰动观测器进一步包括：一个电流闭环系统名义模型逆的运算器，用于接收所述位置输出，并产生一个运算器输出信号；一个加法器，用于电流环给定信号与电流环闭环系统名义模型逆的运算器输出信号相减，产生加法器输出信号；一个低通滤波器，用于接收加法器输出信号，产生干扰补偿信号；