[发明专利]一种输入受限时电机伺服系统渐进跟踪控制方法

说明书

本发明公开了一种输入受限时电机伺服系统渐进跟踪控制方法，属于机电伺服控制领域，控制方法原理示意图见摘要附图。该控制方法同时考虑了电机伺服系统参数不确定性、非线性摩擦特性、未建模外干扰以及输入受限，设计了较好的渐进跟踪控制器；针对系统参数不确定性，采用基于指令的参数回归器进行自适应律的设计，降低了状态噪声对参数估计过程的影响；针对非线性摩擦特性，采用连续可微摩擦模型，较好的逼近了摩擦中的Stribeck效应，改进了电机伺服系统的低速跟踪性能；针对未建模外干扰，采用基于误差符号积分的鲁棒控制器，实现了在干扰存在的情况下的渐进跟踪性能，同时避免了控制量的抖振；针对输入物理限制，利用双曲正切函数的固有性质，实现了对控制量幅值的有效规划，避免了因输入受限导致的控制器失效，同时保证渐进跟踪。

技术领域

本发明涉及一种控制方法，具体涉及一种输入受限时电机伺服系统渐进跟踪控制方法。

背景技术

电机伺服系统具有响应速度快、维护方便、传动效率高及能源获取方便等突出优点，在工业领域得到了广泛的应用，如电动汽车、机床进给、工业机械手等。近年来这些领域的蓬勃发展，迫切需要设计新型的电机伺服系统运动控制器，以满足越来越苛刻的性能指标需求。电机伺服系统存在诸多的模型不确定性，包括参数不确定性(如电气增益、随温度及磨损变化的摩擦特性参数等)和不确定非线性(如未建模外干扰、非线性摩擦、输入饱和等)，这些不确定性的存在，必然导致原有基于名义模型设计的控制器的性能衰减甚至导致系统不稳定。

针对电机伺服系统以上诸多复杂问题，先进控制策略的研究工作已大量开展，目前常用的控制方法有自适应、滑膜、自适应鲁棒、误差符号积分等。自适应控制对参数不确定性和不确定非线性中的可参数化部分，可以有效的估计并实现一定的模型补偿，然而对于不可参数化的不确定非线性项，自适应控制无能为力，这一定程度上限制了其在高精度跟踪控制场合的适用性；滑膜控制方法简单，且对于存在有界干扰的系统可以实现渐进的跟踪控制，然而滑膜控制器中不连续符号函数所带来的颤振现象，易导致系统控制性能的衰减，甚至容易激发系统的高频未建模动态，造成系统失稳，现有的改善滑膜抖动措施的控制方法较少且复杂；自适应鲁棒控制兼顾了系统的参数不确定性和不确定非线性，在工业领域得到了很多的较好的尝试，然而自适应鲁棒控制中的鲁棒项，其设计依赖所有不确定项的最大上界，这不可避免的存在高增益反馈的保守性，当外干扰逐渐增大时，这种保守型将愈发明显，此外在干扰存在的情况下，自适应鲁棒控制器只可实现有界稳定；误差符号积分鲁棒控制可以实现存在不确定非线性的情况下的渐进跟踪控制，在电动机械手上得到了很好的应用，而传统误差符号积分鲁棒控制器只能实现半全局稳定。此外，以上各控制方法，在应用时对于系统物理限制(如输入受限)并未充分考虑。

总的来说，现有电机伺服系统控制技术的不足之处主要有以下几点：

一、系统不确定非线性考虑不充分。这主要包括两方面，首先是系统的非线性摩擦项，以往的控制器设计中，大多只考虑系统粘性摩擦，而对于摩擦中存在的低速时的Stribeck效应并未考虑，这对于低速跟踪控制场合极为不利，此外，虽然LuGre摩擦模型中考虑了Stribeck效应，但相应的摩擦特性参数较难获取；其次是系统不可避免的外部干扰项，这必然导致所涉及控制器的性能降价；

二、未考虑实际物理限制。由于实际硬件条件或者其他特殊指标需求，系统的输入常常会有预设的幅值限制，这给原控制器的有效性带来很大的威胁，应该加以考虑；

三、高增益反馈。这在滑膜和自适应鲁棒的设计中都有一定的体现，以不确定项的最大上界作为反馈来减小跟踪误差，在存在设计保守性的同时，甚至容易激发系统高频未建模动态，造成系统失稳。

发明内容

本发明为解决现有电机伺服系统未充分考虑不确定非线性、系统实际物理限制和高增益反馈的问题，提出一种输入受限时电机伺服系统的渐进跟踪控制方法。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明的具体步骤如下：