[发明专利]一种采用等效扰动补偿的伺服系统无切换吸引重复控制方法

说明书

一种采用等效扰动补偿的伺服系统无切换吸引重复控制方法，给定模块产生周期性的参考信号，构造周期反馈环节，在无切换吸引律中引入等效扰动补偿，利用观测器对等效扰动进行估计；基于无切换吸引律构建理想误差动态，并依据理想误差动态设计控制器，将计算得到的信号作为伺服系统的控制输入；具体的控制器参数整定可依据表征系统收敛性能指标进行，且给出了表征跟踪误差收敛过程的单调减区域、绝对吸引层、稳态误差带边界以及跟踪误差首次进入稳态误差带最大步数的计算公式。本发明提供的带有等效扰动补偿的无切换吸引重复控制器，通过对等效扰动的估计，能够提高系统跟踪精度以及完全抑制周期扰动。

技术领域

本发明涉及基于等效扰动补偿的无切换吸引重复控制方法，该方法适用于周期位置伺服系统，也可用于其它含有周期运行过程的工业场合。

背景技术

目前重复控制技术主要以内模原理为核心，进行频域设计与分析。将控制信号作为一个内部系统的输出量，并在稳定的闭环系统中引入反馈环节；将误差信号的发生装置嵌入该内部系统的前向通道中作为正反馈信号。内模原理中的信号发生器赋予了重复控制器“记忆”功能，记忆功能体现在：通过系统的模型参数将上一周期的扰动信号转化为与输入、输出以及控制信号有关的组合信号。在控制器执行时，采用组合信号来弥补当前时刻系统受到的周期扰动，提高了系统的控制性能。因此重复控制技术被广泛应用在喷漆、搬运机器人以及磁盘驱动等要求执行重复、周期任务的领域中。

吸引律方法依赖误差而不依赖切换函数，控制过程不存在变结构的情况，控制器设计更为直接、简洁。通常的吸引律反映了不考虑扰动时期望的系统误差动态特性；对于存在干扰的情形，因为含有干扰项，无法实现直接依据吸引律设计的控制器。解决的办法是将干扰抑制措施“嵌入”原吸引律，构建具有扰动抑制作用的理想误差动态，依据构造的理想误差动态方程设计控制器。这样，闭环系统动态过程由理想误差动态所决定，且具有理想误差动态所表征的期望跟踪性能。

对于以吸引律方法设计数字控制器，通过离散化连续时间吸引律进行设计，刻画跟踪误差瞬态和稳态行为的性能指标可通过分析理想误差动态特性给出，具体有下述四个指标：绝对吸引层、单调递减区域、稳态误差带以及进入稳态误差带的最大步数。这些指标的具体取值依赖于控制器参数和等效干扰信号的界，因此，控制器参数和等效干扰信号的界不同，三个指标的取值也不同。一旦给定理想误差动态形式，可预先给出各项指标的具体表达式，用于指导控制器参数整定。

扩张状态观测器是一种典型的干扰观测器，扩张状态观测器(ESO)是自抗扰控制系统的核心单元，自抗扰控制(Active Disturbance Rejection Control,ADRC)是一种估计补偿不确定因素的控制技术，它的优点在于结合了PID控制技术与现代控制理论，在设计基于误差消除误差的控制器同时，又能描述系统的内部机理。借用状态观测方法，构造扩张状态(包括总体扰动作用)的状态观测器，其基本做法是将总体扰动(包括内扰和外扰)定义为新的状态，它不仅能够估计系统状态，还能估计系统模型中总体扰动的实时作用量，用于补偿扰动信号的影响。由于总体扰动囊括系统模型中的不确定性，大大简化了系统模型，控制增益也可看成已知的，便于控制器设计。

发明内容

为了克服现有无切换吸引重复控制方法的系统跟踪精度较低、无法抑制周期扰动的不足，本发明提供一种采用等效扰动补偿的伺服系统无切换吸引重复控制方法，为使得闭环系统具有预先设定的期望误差跟踪性能，依据无切换吸引构造的理想误差动态方程设计电机伺服重复控制器，在实现对周期干扰成分完全抑制的同时，考虑到扰动存在非周期成分，在闭环系统中引入扰动观测器，以便补偿非周期性干扰，进一步提高控制性能，使得电机伺服系统实现高速、高精度跟踪；本发明将影响系统输出的扰动作用扩张成新的变量，构造扰动观测器，这个扰动观测器不需要直接测量扰动信号，也无需知道扰动信号的具体模型，本发明具体给出稳态误差带、绝对吸引层、单调减区域以及跟踪误差首次进入稳态误差带所需最多步数四个指标的具体表达式，可用于指导控制器参数整定。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：