[发明专利]一种用于伺服系统控制的滑模扰动观测器的设计方法

摘要

本发明提供一种用于伺服系统控制的滑模扰动观测器的设计方法，针对伺服系统低速时的摩擦干扰问题并且考虑系统建模的误差和不确定性问题。使用普通直流电机模型，将扰动观测器与滑模变结构控制相结合，设计滑模扰动观测器。首先利用扰动观测器去观测摩擦力矩的大小，然后根据得到的摩擦力矩设计滑模控制器。对摩擦力矩的观测可以减少滑模控制器的切换项增益，减少抖振现象。通过滑模扰动观测器实现低速伺服系统对死区、爬行、自振荡等非线性现象的抑制，减弱了对建模精度的要求，且具有良好的鲁棒性。

主权项

1.一种用于伺服系统控制的滑模扰动观测器的设计方法，其特征在于，步骤如下：(1)首先建立伺服系统的状态方程如下：其中，状态变量x1表示转角，x2表示转速，Ce是电机的反电动势系数，u是控制输入，Ku是PWM驱动器的放大系数，Km是力矩系数，J是转动惯量，R是电枢电阻，Tf表示摩擦干扰力矩；(2)设计滑模控制率r表示给定信号，角位置和角速度的跟踪误差分别是e＝r‑x1                 (2)设计切换函数s其中c表示切换面的参数，c越大，使系统的响应速度越快，但稳定性会受到影响；采用指数趋近律其中ε>0，k>0，ε是等速趋近项系数，k是指数趋近项系数，都需要人为适当选取，结合式(1)和(4)得根据式(5)(6)得到控制率u的表达式上式中除了摩擦力矩Tf外，其余物理量都是已知的，下面采用扰动观测器的方式来观测摩擦力矩；(3)根据直流电机的模型设计扰动观测器，扰动观测器的输出值是等效到伺服系统输入端的等效摩擦力矩的估计值下面的式子表示了它与其他物理量的关系，其中是电机转速，Gn^‑1(s)是被控对象名义传递函数的逆，U(s)是控制器的输出，Q(s)表示一个低通滤波器，其表达式选择为其中时间常数τ根据系统的带宽适当选取；将式(8)乘以系数之后得到真实摩擦力矩的估计值，最终结合式(7)和式(10)得到的控制率完成滑模扰动观测器的设计。