[发明专利]基于扩张状态观测器的电机伺服系统自适应鲁棒位置控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及电机伺服控制领域，具体而言涉及一种基于扩张状态观测器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众多优点，广泛应用于很多重要领域，如机床进给、机器人、火箭炮随动系统等。目前基于经典三环(电流环、速度环及位置环)控制的方法仍是工业及其它一些领域的主要方法，然而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，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，这些模型不确定性包括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、随温度及磨损而变化的液压弹性模量、粘性摩擦系数等。其他的不确定性，如外干扰、泄漏、摩擦等都不能精确建模，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恶化期望的控制性能，甚至会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。在所建立的数学模型比较准确的情况下，反馈线性化控制方法可以保证系统的高性能，但在实际应用中精确建立系统的数学模型比较困难。滑模控制方法简单实用且对系统的外部干扰有一定的鲁棒性，但是通常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，而且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，从而使系统的性能恶化。自适应鲁棒控制方法针对系统中的参数不确定性，设计恰当的在线估计策略对其进行估计；对可能发生的外干扰等不确定性非线性，通过提高非线性反馈增益对其进行抑制进而提升系统性能。由于大的非线性反馈增益往往导致设计的保守性(即高增益反馈)，从而使其在工程使用中有一定困难。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会引起跟踪性能恶化，甚至出现不稳定现象。因此如何恰当地处理传统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(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)和不确定性非线性(如外干扰及未建模动态等)。这些不确定性的存在，可能会使基于系统名义模型所设计的控制器出现性能降阶等现象。

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。

3、当系统中存在大的扰动时基于一般的自适应鲁棒控制器存在高增益反馈现象。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，通过大的非线性反馈增益控制予以抑制进而提升系统性能。然而大的增益反馈可能激发系统的高频动态降低系统的跟踪性能，甚至导致系统不稳定。

发明内容

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当存在大的扰动时基于一般的自适应鲁棒控制器会出现高增益反馈现象问题，本发明的目的在于提出一种基于扩张状态观测器的电机伺服系统自适应鲁棒位置控制方法与系统。

本发明的上述目的通过独立权利要求的技术特征实现，从属权利要求以另选或有利的方式发展独立权利要求的技术特征。

为达成上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种基于扩张状态观测器的电机伺服系统自适应鲁棒位置控制方法，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、配置扩张状态观测器对电机伺服系统的不确定性进行估计；

步骤4、配置基于扩张状态观测器的电机伺服系统自适应鲁棒位置控制器；以及

步骤5、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。

根据本发明的改进，还提出一种基于扩张状态观测器的电机伺服系统自适应鲁棒位置控制系统，该系统包括第一单元、第二单元、第三单元、第四单元以及第五单元，其中：

第一单元，用于建立电机伺服系统数学模型；

第二单元，用于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；

第三单元，用于配置扩张状态观测器对电机伺服系统的不确定性进行估计；