[发明专利]电机伺服系统自适应鲁棒位置控制方法与系统

说明书

技术领域

本发明涉及电机伺服控制领域，具体而言涉及一种具有渐进跟踪性能的电机伺服系统自适应鲁棒位置控制方法与系统。

背景技术

电机伺服系统由于具有响应快、传动效率高以及维护方便等突出优点，广泛应用于众多重要领域，如机床进给、火箭炮随动系统、飞行器舵面作动等。目前基于经典三环控制的方法仍是工业及国防领域的主要方法，其以线性控制理论为基础，由内向外逐层设计电流环(力矩环)、速度环及位置环，各环路的控制策略大都采用PID校正及其变型。随着这些领域的快速发展，传统的基于线性理论的三环控制方法已逐渐不能满足系统的高性能需求，迫切需要研究更加先进的控制方法。电机伺服系统存在诸多模型不确定性，包括结构不确定性(如随环境及工况等变化的参数不确定性等)以及非结构不确定性(如未建模摩擦、未建模动态、外干扰等)，这些不确定性因素可能会严重恶化期望的控制性能，产生极限环振荡甚至使基于系统名义模型所设计的控制器不稳定。

目前针对电机伺服系统的先进控制策略，有反馈线性化、滑模以及自适应鲁棒等控制方法。反馈线性化控制方法可以保证系统的高性能，但是要求所建立的数学模型必须非常准确，而在实际应用中难以精确建立系统的数学模型。滑模控制方法简单实用且对系统的不确定性有一定的鲁棒性，但是其不能对系统中存在参数等结构不确定性进行估计，当系统中存在大的参数等结构不确定性时将会使设计的控制器显得保守，而且基于一般滑模控制方法所设计的控制器往往不连续会引起滑模面的抖动，从而使系统的性能恶化。自适应控制器可以对存在大的参数变化的系统具有好的控制作用，然而当系统存在大的干扰时控制性能就会降低。自适应鲁棒控制方法主要基于系统的模型设计非线性控制器，针对参数不确定性，设计恰当的在线估计策略，以提高系统的跟踪性能；对可能发生的外干扰等不确定性非线性，通过强增益非线性反馈控制予以抑制进而提升系统性能。由于强增益非线性反馈控制往往导致较强的设计保守性(即高增益反馈)，在工程使用中有一定困难，因此在实际操作时往往以线性反馈取代非线性反馈，此时所设计的自适应鲁棒控制器实质是一个基于模型的自适应控制器。然而，当外干扰等非结构不确定性逐渐增大时，所设计的自适应鲁棒控制器的保守性就逐渐暴露出来，引起跟踪性能恶化，甚至出现不稳定现象。同时当存在大的扰动时一般的自适应鲁棒控制器难以保证系统的渐进跟踪性能(当时间趋于无穷时跟踪误差为零)。因此如何恰当地处理一般的自适应鲁棒控制器中存在的这些问题仍是研究的焦点。

总结来说，现有电机伺服系统的控制技术的不足之处主要有以下几点：

1.忽略系统的模型不确定性。电机伺服系统的模型不确定性主要有参数不确定性和不确定性非线性。参数不确定性包括负载质量的变化、电气增益、随温度及磨损而变化的粘性摩擦系数等；其他的不确定性，如外干扰等不能精确建模，这些不确定性称为不确定性非线性。不确定性的存在，可能会使基于系统名义模型所设计的控制器不稳定或者性能降阶。

2.基于传统的滑模的控制方法存在抖动现象。基于传统的滑模控制方法所设计的不连续控制器容易引起滑模面的抖动，从而使系统的跟踪性能恶化。

基于一般的自适应鲁棒控制器存在高增益反馈现象以及难以保证渐进跟踪性能。一般的自适应鲁棒控制器对可能发生的大的外干扰等不确定性非线性，通过强增益非线性反馈控制予以抑制进而提升系统性能。然而高增益反馈易受测量噪声影响且可能激发系统的高频动态进而降低系统的跟踪性能，甚至导致系统不稳定。同时当存在大的扰动时一般的自适应鲁棒控制器难以保证系统的渐进跟踪性能。

发明内容

本发明为解决现有电机伺服系统控制中存在被忽略的模型不确定性、基于传统的滑模的控制方法存在抖动现象和基于一般的自适应鲁棒控制器存在高增益反馈现象并当存在大的扰动时难以保证渐进跟踪性能的问题，提出一种具有渐进跟踪性能的电机伺服系统自适应鲁棒位置控制方法与系统。

为达成上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种具有渐进跟踪性能的电机伺服系统自适应鲁棒位置控制方法，其实现包括以下步骤：

步骤1、建立电机伺服系统数学模型；

步骤2、配置自适应律对电机伺服系统中的不确定性参数进行估计；

步骤3、配置具有渐进跟踪性能的电机伺服系统自适应鲁棒位置控制器；以及

步骤4、确定电机伺服系统中相关参数和函数使得电机伺服系统的位置输出准确地渐进跟踪期望的位置指令，并且使电机伺服系统的输入无抖动现象产生。

进一步的实施例中，前述方法的实施具体包括：

步骤1、建立电机伺服系统数学模型