[发明专利]基于特征模型的前馈与离散二阶滑模复合控制系统及方法

说明书

本发明公开了一种基于特征模型的前馈与离散二阶滑模复合控制系统及方法，系统包括位置控制器、多电机伺服系统、特征参数辨识模块以及Kalman滤波器。方法包括：建立多电机伺服系统特征模型，采用含遗忘因子的递推最小二乘法进行特征参数辨识；采用前馈控制与基于特征模型的离散二阶滑模控制器复合作为多电机伺服系统的位置控制器；构建基于特征模型的Kalman滤波器；将滤波后的输出作为反馈信号，输入至基于特征模型的离散二阶滑模控制器；重复上述过程直至位置输出达到所需结果。本发明将前馈控制与离散二阶滑模控制相结合，并利用Kalman滤波器对非线性环节和测量噪声进行滤波，能消除噪声对系统控制的影响，有效提高特征参数的辨识精度，增强系统的动态性能和跟踪效果。

技术领域

本发明属于多电机伺服控制领域，特别是一种基于特征模型的前馈与离散二阶滑模复合控制系统及方法。

背景技术

目前，全球现代化军事能力不断提高，各种武器系统跟踪目标向着更快速度、更强机动性以及不可预知的方向发展。在此发展特点下，诸如新动能武器电磁炮、万发速射炮等新型的武器装备被研制出来。这些武器装备需要根据机动目标的不同状态，考虑系统惯量或是负载随时可能发生变化的情况，实现对机动目标的快速以及高精度跟踪锁定。在此控制需求下，武器装备的伺服系统设计和控制面临着新的挑战。

为了实现对机动目标的快速精准打击，武器装备伺服系统常为大功率驱动系统，且惯量变化较大。但是受到技术条件的限制，目前大多数高性能交流伺服电机的功率达到一定程度后很难再实现突破，故而单个高性能交流伺服电机要满足大功率武器伺服系统快速、高精度的控制需求较为困难。在此情况下，多电机驱动的控制方法被提出。多个电机驱动首先解决了驱动功率不足的问题，并且相对于单电机伺服系统而言，多电机伺服系统的控制性能也更加优越。另外，多电机同步驱动的方法也有利于解决单电机存在的齿隙非线性问题，提高系统的控制精度。目前，多电机伺服系统不仅在武器装备领域中应用广泛，在工业生产领域也有很多应用，例如精密数控加工设备、工业机器人等。

多电机伺服系统是一个高阶的、强耦合的复杂非线性系统，想要对此类复杂系统进行精确建模具有一定的难度。并且若所建模型阶数高、结构复杂，也不利于控制器设计和实际工程应用。因此如何建立起便于控制律设计的结构简单且精确的系统模型有待进一步的研究。吴宏鑫院士等人在文献《基于特征模型的智能自适应控制》提出的特征建模理论，根据系统的动力学特征、控制性能等要求，可以将复杂系统压缩为一个低阶时变差分方程表示的特征模型，模型的高阶信息被压缩在特征模型的参数中，目前已广泛应用于航空航天、机器人控制、工业控制等领域。该方法可解决参数不确定复杂对象难以建模以及设计低阶控制器的难题，为系统建模与智能控制提供了一种新的理论与方法。上述文献《基于特征模型的智能自适应控制》中提出了基于特征模型的黄金分割+逻辑积分控制算法，但在伺服系统的控制中，并不能很好地削弱摩擦、齿隙等非线性环节，存在位置被控量抖动的缺陷；此外，文献中提出特征参数的辨识方法，但该方法未考虑测量噪声的缺陷，辨识精度不高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能消除噪声、提高特征参数的辨识精度、增强系统的动态性能和跟踪效果的多电机伺服系统控制系统。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于特征模型的前馈与离散二阶滑模复合控制系统，包括位置控制器、多电机伺服系统、特征参数辨识模块以及Kalman滤波器；

所述位置控制器包括前馈控制器、基于特征模型的离散二阶滑模控制器；其中前馈控制器，用于对多电机伺服系统进行位置控制，其输入为给定位置设定值θ_r，输出为前馈控制量；基于特征模型的离散二阶滑模控制器，用于对多电机伺服系统进行位置控制，其输入为给定位置设定值θ_r与Kalman滤波输出值之差、以及辨识参数f₁、f₂、g₀；前馈控制器的输出和基于特征模型的离散二阶滑模控制器的输出相叠加获得u(t)，并送入至多电机伺服系统、特征参数辨识模块；