[发明专利]一种用于伺服电机指定时间吸引的数字重复控制器设计方法

说明书

一种伺服电机指定时间吸引的数字重复控制器设计方法，给定模块产生周期参考信号，构造周期反馈环节；在一种指定时间吸引律中引入等效扰动补偿，利用干扰观测器对等效扰动进行估计；构建理想误差动态(带干扰抑制作用的吸引律)，并依据理想误差动态设计控制器，将当前计算得到的信号作为伺服系统的输入；具体的控制器参数整定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吸引域、单调减区域、绝对吸引层、稳态误差带和最大收敛步数的计算公式。本发明提供的指定时间吸引重复控制器，能够实现对干扰信号周期成分的完全抑制，并且抑制其非周期成分的影响。

技术领域

本发明涉及一种指定时间吸引的重复控制器设计方法，可用于伺服电机重复跟踪控制， 也适用于其它周期运行工业过程。

背景技术

工业场合中存在大量跟踪周期参考信号下的控制系统，例如执行往复作业的伺服电机、 硬盘驱动伺服系统、正弦交变电力电子系统等。目前的重复控制技术主要集中于基于内模原 理的频域分析与设计方法，该方法将外部作用信号的动力学模型植入控制器中，构成一种高 精度反馈控制系统。内模原理指出，任何一个能抵消外部扰动或跟踪参考输入信号的反馈控 制系统，其反馈回路必须包含一个与外部输入信号相同的动态模型。为完全消除外部扰动对 控制系统性能的影响，并使系统实现对任意形式参考输入信号的无稳态误差的跟踪。对于连 续的时间系统，重复控制器构造周期信号内模其中T_C为参考信号的周期，它是一 个含周期时延的正反馈环节。不考虑参考信号的具体形式，只要给定初始段信号，内 模输出就会对输入信号逐周期累加，重复输出与上周期相同的信号，形成参考信号。连续重 复控制器频域设计采用这种连续内模。实际中采用周期对称参考信号下的电机计算机控制技 术，系统多是以离散方式实现。本发明中的数字重复控制器设计是通过采样来实现信号的离 散化。取采样周期为T_s，使得参考信号周期为采样周期的整数倍，记每个周期在的采样点个 数为N，即T_C＝NT_s。这样，离散周期信号内模为离散内模的计算复杂程度主要取 决于采样周期T_s，实现离散周期内模时所需内存量正比于N。如果T_s取得过大，系统控制精 度降低；取得过小，内模的阶次将会增加。

通常的吸引律能反映误差衰减特性，吸引律方法是一种直接利用跟踪误差、使得跟踪误 差按预定吸引方式收敛的控制系统设计方法，且控制器设计更为直接、简洁。从已发表文献 看，现有的有限时间收敛吸引律形式并不多，发掘新颖的吸引律形式对于不断改进收敛性能、 逐渐丰富这种设计方法是重要的。吸引律方法直接采用跟踪误差信号，无需定义切换函数， 控制器设计更为直接、简洁。吸引律反映了不考虑扰动时期望的系统误差动态特性；在存在 干扰的情形下，直接依据吸引律导致的控制器无法实现。可将干扰抑制措施“嵌入”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离散时间控制器， 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。吸 引律方法有别于离散滑模控制的趋近律方法。两者的主要区别表现在：吸引律方法将跟踪误 差取代切换函数、原点取代切换面；趋近律方法要求有限时间达到切换面，而吸引律方法要 求有限时间达到原点；吸引律方法设计的闭环系统仍具有关于参数漂移和外部干扰的鲁棒性 能，只是滑模控制注重滑模运动的不变性，而吸引律方法追求系统稳态的不变性。以吸引律 方法设计重复控制器时，刻画跟踪误差瞬态和稳态行为的指标可由理想误差动态给出，具体 有下述五个指标：吸引域、稳态误差带、绝对吸引层、单调递减区域以及跟踪误差首次进入 稳态误差带所需的最大收敛步数。实际上，五个指标的具体取值依赖于控制器参数，控制器 参数不同，五个指标的取值也不同。一旦给定理想误差动态形式，可预先给出四个指标的具 体表达式，用于控制器参数整定。目前已发表的吸引律方法中，主要指标依赖于等效干扰信 号的界。有效抑制干扰、减小等效干扰信号的界是吸引律方法亟待解决的难题。

发明内容