[发明专利]具有时变输出约束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系统控制技术领域，具体而言涉及一种具有时变输出约束的电机伺服系统自适应鲁棒位置控制方法。

背景技术

电机伺服系统由于具有响应快、传动效率高、维护方便以及能源获取方便等突出优点，广泛应用于工业及国防等重要领域，如机床进给、火箭炮随动系统、机器人等。随着这些领域的快速发展，传统的基于线性理论的三环(电流环、速度环及位置环)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，包括参数不确定性(如负载质量的变化、随温度及磨损而变化的粘性摩擦系数等)以及不确定性非线性(如外干扰等)，这些不确定性的存在可能会严重恶化期望的控制性能，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不仅设计简单，而且可以保证系统的高性能，但是其要求所建立的系统数学模型必须非常准确，这在实际应用中难以得到保证。滑模控制方法简单实用且对系统的外干扰等有一定的鲁棒性，但是基于一般滑模控制的方法会引起滑模面的抖动，使所设计的控制器不连续，从而使系统的性能恶化，不利于在工程实际中应用。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。虽然这些控制方法可以提高位置跟踪精度，但是却不能任意约束位置跟踪误差的公差。然而，基于时变障碍Lyapunov函数的控制方法却能够对输出跟踪误差进行时变约束，并能够使输出的初始值为初始输出约束空间的任意值，具有更大的灵活性。因此，如何处理电机伺服系统中的模型不确定性并对其输出跟踪误差进行约束具有重要的研究意义。

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、随温度及磨损而变化的粘性摩擦系数以及电气增益等；不确定性非线性，如未建模动态及外干扰等。忽略不确定性的存在，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所设计的控制器不连续。基于传统的滑模控制方法容易引起滑模面的抖动从而使所设计的控制器不连续，使系统的跟踪性能恶化。

3.基于一般的自适应鲁棒控制方法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。

4.对同时存在参数不确定性和不确定性非线性的电机伺服系统不能任意约束输出跟踪误差的公差。

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所设计的控制器不连续、基于一般的自适应鲁棒控制方法存在高增益反馈现象以及对同时存在参数不确定性和不确定性非线性的电机伺服系统不能任意约束输出跟踪误差的公差的问题，提出一种具有时变输出约束的电机伺服系统自适应鲁棒位置控制方法。

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：

一种具有时变输出约束的电机伺服系统自适应鲁棒位置控制方法，该方法的实现包括以下步骤：

步骤1、建立电机位置伺服系统的数学模型；

步骤2、配置自适应律对电机位置伺服系统中的不确定性参数进行估计；

步骤3、配置具有时变输出约束的电机伺服系统自适应鲁棒位置控制器；

步骤4、通过参数设定使得电机伺服系统的位置输出准确地跟踪期望的位置指令，并且使得电机伺服系统的输入无抖动现象产生。

进一步的实施例中，前述步骤1建立电机位置伺服系统的数学模型，其实现包括以下步骤：

简化电机的电气动态为比例环节，将电机位置伺服系统的运动方程表达为：