基于高階滑模微分器的電機(jī)間接自適應(yīng)魯棒輸出反饋控制方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于高階滑模微分器的電機(jī)間接自適應(yīng)魯棒輸出反饋控制方法，該方法的實(shí)現(xiàn)包括以下步驟：步驟一、建立電機(jī)位置伺服系統(tǒng)模型；步驟二、設(shè)計(jì)基于高階滑模微分器的電機(jī)間接自適應(yīng)魯棒輸出反饋控制器；步驟三、通過(guò)調(diào)節(jié)基于有限時(shí)間干擾估計(jì)的魯棒控制器中的參數(shù)，使得系統(tǒng)滿足控制性能指標(biāo)。本發(fā)明提出的基于高階滑膜微分器的電機(jī)間接自適應(yīng)魯棒輸出反饋控制方法，針對(duì)電機(jī)位置伺服系統(tǒng)的特點(diǎn)，建立了電機(jī)位置伺服系統(tǒng)模型；設(shè)計(jì)的基于高階滑模微分器的電機(jī)間接自適應(yīng)魯棒輸出反饋控制器，對(duì)系統(tǒng)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)并用于控制器設(shè)計(jì)，避免了測(cè)量噪聲對(duì)控制器的影響同時(shí)，能有效解決電機(jī)伺服系統(tǒng)中存在的參數(shù)不確定性和不確定非線性問(wèn)題。
【專利說(shuō)明】基于高階滑模微分器的電機(jī)間接自適應(yīng)魯棒輸出反饋控制 方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種控制方法，具體設(shè)及一種電機(jī)位置伺服系統(tǒng)的間接自適應(yīng)魯椿輸 出反饋控制方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 直線電機(jī)將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械能，不需要任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)裝 置。具有起動(dòng)推力大、傳動(dòng)剛度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、定位精度高、行程長(zhǎng)度不受限制等優(yōu)點(diǎn)，因 而在工業(yè)中被廣泛應(yīng)用。
[0003] 然而，為電機(jī)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)高性能的控制器是不容易的，因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員很可能會(huì) 遇到很多的模型不確定性，包括參數(shù)不確定性和不確定非線性等未建模的非線性。該些不 確定性因素可能會(huì)嚴(yán)重惡化能夠取得的控制性能，從而導(dǎo)致低控制精度，極限環(huán)震蕩，甚至 不穩(wěn)定性。對(duì)于已知的非線性，可W通過(guò)反饋線性化技術(shù)處理。但是，無(wú)論動(dòng)態(tài)非線性和參 數(shù)識(shí)別的如何準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，都不可能得到實(shí)際非線性系統(tǒng)的整個(gè)非線性行為和確切的 參數(shù)，進(jìn)而進(jìn)行完美的補(bǔ)償。始終存在著不能夠用明確的函數(shù)來(lái)模擬的參數(shù)偏差和未建模 非線性。
[0004] 為了提高電機(jī)系統(tǒng)的跟蹤性能，許多先進(jìn)的非線性控制器應(yīng)用到電機(jī)系統(tǒng)控制 中，如魯椿自適應(yīng)控制，自適應(yīng)魯椿控制（ARC)，滑?？刂频?。
[0005] 然而，所有上述方法均基于全狀態(tài)反饋開(kāi)展控制器設(shè)計(jì)，在運(yùn)動(dòng)控制中，不僅需要 位置信號(hào)，還需要速度和/或加速度信號(hào)。但在許多實(shí)際系統(tǒng)中，受機(jī)械結(jié)構(gòu)、體積、重量 及成本限制，往往僅位置信息可知。此外，即便速度及加速度信號(hào)可W獲得，也存在嚴(yán)重的 測(cè)量噪聲，進(jìn)而惡化全狀態(tài)反饋控制器可W獲得的性能。非線性控制應(yīng)用中所存在的該些 實(shí)際問(wèn)題，導(dǎo)致了 PID控制至今在電機(jī)控制領(lǐng)域仍處于主導(dǎo)地位。但是，在現(xiàn)代工業(yè)時(shí)代的 新需求下，PID越來(lái)越難W滿足日益追求的高性能控制。因此，迫切需要設(shè)計(jì)非線性輸出反 饋控制策略。在線性系統(tǒng)中，該個(gè)問(wèn)題可W利用分離設(shè)計(jì)原則解決，即對(duì)可觀可控的線性系 統(tǒng)，分別設(shè)計(jì)狀態(tài)反饋控制器和狀態(tài)觀測(cè)器就可W獲得系統(tǒng)的輸出反饋控制器。但在非線 性系統(tǒng)，由于分離原則不再成立，利用輸出反饋實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的鎮(zhèn)定問(wèn)題就是一個(gè)非常困難問(wèn) 題，近年來(lái)，非線性系統(tǒng)的輸出反饋鎮(zhèn)定問(wèn)題得到了廣泛的關(guān)注。只有系統(tǒng)輸出是可量測(cè)的 條件下如何實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的鎮(zhèn)定是控制理論一個(gè)重要的問(wèn)題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明在只有位置狀態(tài)已知的情況下，針對(duì)電機(jī)位置伺服系統(tǒng)中同時(shí)存在的參數(shù) 確定性和不確定非線性問(wèn)題，提出一種基于高階滑模微分器的電機(jī)間接自適應(yīng)魯椿輸出反 饋控制方法。
[0007] 本發(fā)明的上述目的通過(guò)獨(dú)立權(quán)利要求的技術(shù)特征實(shí)現(xiàn)，從屬權(quán)利要求W另選或有 利的方式發(fā)展獨(dú)立權(quán)利要求的技術(shù)特征。
[000引為達(dá)成上述目的，本發(fā)明提出一種基于高階滑模微分器的電機(jī)間接自適應(yīng)魯椿輸 出反饋控制方法，其實(shí)現(xiàn)包括W下步驟：
[0009] 步驟一、建立電機(jī)位置伺服系統(tǒng)模型
[0010] 根據(jù)牛頓第二定律，電機(jī)慣性負(fù)載的動(dòng)力學(xué)模型方程為：
[00 川!ny 二 k fit - by -/{)，，文，t) (1)
[0012] 式中y表示角位移，m表示慣性負(fù)載，kf表示扭矩常數(shù)，u是系統(tǒng)控制輸入，b代表 粘性摩擦系數(shù)，f代表其他未建模干擾，包括非線性摩擦，外部干擾W及未建模動(dòng)態(tài)。
[0013] 把（1)式寫(xiě)成狀態(tài)空間形式，如下：
[0014]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于高階滑模微分器的電機(jī)間接自適應(yīng)魯棒輸出反饋控制方法，其特征在于， 該方法的實(shí)現(xiàn)包括以下步驟： 步驟一、建立電機(jī)位置伺服系統(tǒng)模型； 步驟二、設(shè)計(jì)基于高階滑模微分器的電機(jī)間接自適應(yīng)魯棒輸出反饋控制器；以及 步驟三、通過(guò)調(diào)節(jié)基于有限時(shí)間干擾估計(jì)的魯棒控制器中的參數(shù)，使得系統(tǒng)滿足控制 性能指標(biāo)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于高階滑模微分器的電機(jī)間接自適應(yīng)魯棒輸出反饋控制 方法，其特征在于，前述步驟一中電機(jī)位置伺服系統(tǒng)模型的構(gòu)建包括以下步驟： 根據(jù)牛頓第二定律，電機(jī)慣性負(fù)載的動(dòng)力學(xué)模型方程為：
式中y表示角位移，m表示慣性負(fù)載，1^表示扭矩常數(shù)，u是系統(tǒng)控制輸入，b代表粘性 摩擦系數(shù)，f代表其他未建模干擾，包括非線性摩擦，外部干擾以及未建模動(dòng)態(tài)。 把（1)式寫(xiě)成狀態(tài)空間形式，如下：
其中Sd已知量。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于高階滑模微分器的電機(jī)間接自適應(yīng)魯棒輸出反饋控制 方法，其特征在于，前述步驟二中設(shè)計(jì)基于高階滑模微分器的電機(jī)間接自適應(yīng)魯棒輸出反 饋控制器，具體步驟如下： 步驟二（一）、帶速率限制的投影自適應(yīng)律結(jié)構(gòu) 令S表示0的估計(jì)，3表示0的估計(jì)誤差，即4 = 定義一個(gè)投影函數(shù)如下：
的內(nèi)部和邊界，％表示#e這I時(shí)的外單位法向量； 對(duì)于投影函數(shù)（5)式，在控制參數(shù)估計(jì)過(guò)程中，要用到預(yù)設(shè)的自適應(yīng)限制速度，因而， 定義一個(gè)飽和函數(shù)如下：
其中4是一個(gè)預(yù)先設(shè)置的限制速率，下面的引理總結(jié)了參數(shù)估計(jì)算法的結(jié)構(gòu)特性： 引理1:假設(shè)使用下面的投影型自適應(yīng)律和預(yù)設(shè)的自適應(yīng)限制速率4/更新估計(jì)參數(shù)A
其中T是自適應(yīng)函數(shù)，r(t) >〇是連續(xù)的可微正對(duì)稱自適應(yīng)率矩陣，由此自適應(yīng)律， 可得以下理想特性： pi)參數(shù)估計(jì)值總在已知有界的、集內(nèi)，即對(duì)于任意t，總有命因而由假設(shè)1
步驟二（二）、構(gòu)建電機(jī)的高階滑模微分器，對(duì)系統(tǒng)未知狀態(tài)進(jìn)行估計(jì) 首先，系統(tǒng)模型（2)被重新轉(zhuǎn)換成如下形式：
其中Xl，x2，x3分別表示輸出位置、速度和加速度，名，毛，為分別為為Xl、x2、x3的估 計(jì)值，入〇，h，為設(shè)計(jì)參數(shù)；

方法，其特征在于，前述步驟三的實(shí)現(xiàn)包括：通過(guò)調(diào)節(jié)基于有限時(shí)間干擾估計(jì)的魯棒控制器 中u的參數(shù)ki，k2,a，v，ApA2，，使得系統(tǒng)滿足控制性能指標(biāo)。
【文檔編號(hào)】H02P21/00GK104485866SQ201410772954
【公開(kāi)日】2015年4月1日 申請(qǐng)日期:2014年12月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月15日
【發(fā)明者】姚建勇, 徐張寶, 楊貴超 申請(qǐng)人:南京理工大學(xué)