基于高阶滑模微分器的电机间接自适应鲁棒输出反馈控制方法
【专利摘要】本发明提供一种基于高阶滑模微分器的电机间接自适应鲁棒输出反馈控制方法，该方法的实现包括以下步骤：步骤一、建立电机位置伺服系统模型；步骤二、设计基于高阶滑模微分器的电机间接自适应鲁棒输出反馈控制器；步骤三、通过调节基于有限时间干扰估计的鲁棒控制器中的参数，使得系统满足控制性能指标。本发明提出的基于高阶滑膜微分器的电机间接自适应鲁棒输出反馈控制方法，针对电机位置伺服系统的特点，建立了电机位置伺服系统模型；设计的基于高阶滑模微分器的电机间接自适应鲁棒输出反馈控制器，对系统系统状态进行估计并用于控制器设计，避免了测量噪声对控制器的影响同时，能有效解决电机伺服系统中存在的参数不确定性和不确定非线性问题。
【专利说明】基于高阶滑模微分器的电机间接自适应鲁棒输出反馈控制 方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种控制方法，具体设及一种电机位置伺服系统的间接自适应鲁椿输 出反馈控制方法。
【背景技术】
[0002] 直线电机将电能直接转换成直线运动机械能，不需要任何中间转换机构的传动装 置。具有起动推力大、传动刚度高、动态响应快、定位精度高、行程长度不受限制等优点，因 而在工业中被广泛应用。
[0003] 然而，为电机伺服系统设计高性能的控制器是不容易的，因为设计人员很可能会 遇到很多的模型不确定性，包括参数不确定性和不确定非线性等未建模的非线性。该些不 确定性因素可能会严重恶化能够取得的控制性能，从而导致低控制精度，极限环震荡，甚至 不稳定性。对于已知的非线性，可W通过反馈线性化技术处理。但是，无论动态非线性和参 数识别的如何准确的数学模型，都不可能得到实际非线性系统的整个非线性行为和确切的 参数，进而进行完美的补偿。始终存在着不能够用明确的函数来模拟的参数偏差和未建模 非线性。
[0004] 为了提高电机系统的跟踪性能，许多先进的非线性控制器应用到电机系统控制 中，如鲁椿自适应控制，自适应鲁椿控制（ARC)，滑模控制等。
[0005] 然而，所有上述方法均基于全状态反馈开展控制器设计，在运动控制中，不仅需要 位置信号，还需要速度和/或加速度信号。但在许多实际系统中，受机械结构、体积、重量 及成本限制，往往仅位置信息可知。此外，即便速度及加速度信号可W获得，也存在严重的 测量噪声，进而恶化全状态反馈控制器可W获得的性能。非线性控制应用中所存在的该些 实际问题，导致了 PID控制至今在电机控制领域仍处于主导地位。但是，在现代工业时代的 新需求下，PID越来越难W满足日益追求的高性能控制。因此，迫切需要设计非线性输出反 馈控制策略。在线性系统中，该个问题可W利用分离设计原则解决，即对可观可控的线性系 统，分别设计状态反馈控制器和状态观测器就可W获得系统的输出反馈控制器。但在非线 性系统，由于分离原则不再成立，利用输出反馈实现系统的镇定问题就是一个非常困难问 题，近年来，非线性系统的输出反馈镇定问题得到了广泛的关注。只有系统输出是可量测的 条件下如何实现控制系统的镇定是控制理论一个重要的问题。
【发明内容】
[0006] 本发明在只有位置状态已知的情况下，针对电机位置伺服系统中同时存在的参数 确定性和不确定非线性问题，提出一种基于高阶滑模微分器的电机间接自适应鲁椿输出反 馈控制方法。
[0007] 本发明的上述目的通过独立权利要求的技术特征实现，从属权利要求W另选或有 利的方式发展独立权利要求的技术特征。
[000引为达成上述目的，本发明提出一种基于高阶滑模微分器的电机间接自适应鲁椿输 出反馈控制方法，其实现包括W下步骤：
[0009] 步骤一、建立电机位置伺服系统模型
[0010] 根据牛顿第二定律，电机惯性负载的动力学模型方程为：
[00 川!ny 二 k fit - by -/{)，，文，t) (1)
[0012] 式中y表示角位移，m表示惯性负载，kf表示扭矩常数，u是系统控制输入，b代表 粘性摩擦系数，f代表其他未建模干扰，包括非线性摩擦，外部干扰W及未建模动态。
[0013] 把（1)式写成状态空间形式，如下：
[0014]
【权利要求】
1. 一种基于高阶滑模微分器的电机间接自适应鲁棒输出反馈控制方法，其特征在于， 该方法的实现包括以下步骤： 步骤一、建立电机位置伺服系统模型； 步骤二、设计基于高阶滑模微分器的电机间接自适应鲁棒输出反馈控制器；以及 步骤三、通过调节基于有限时间干扰估计的鲁棒控制器中的参数，使得系统满足控制 性能指标。
2. 根据权利要求1所述的基于高阶滑模微分器的电机间接自适应鲁棒输出反馈控制 方法，其特征在于，前述步骤一中电机位置伺服系统模型的构建包括以下步骤： 根据牛顿第二定律，电机惯性负载的动力学模型方程为：
式中y表示角位移，m表示惯性负载，1^表示扭矩常数，u是系统控制输入，b代表粘性 摩擦系数，f代表其他未建模干扰，包括非线性摩擦，外部干扰以及未建模动态。 把（1)式写成状态空间形式，如下：
其中Sd已知量。
3. 根据权利要求2所述的基于高阶滑模微分器的电机间接自适应鲁棒输出反馈控制 方法，其特征在于，前述步骤二中设计基于高阶滑模微分器的电机间接自适应鲁棒输出反 馈控制器，具体步骤如下： 步骤二（一）、带速率限制的投影自适应律结构 令S表示0的估计，3表示0的估计误差，即4 = 定义一个投影函数如下：
的内部和边界，％表示#e这I时的外单位法向量； 对于投影函数（5)式，在控制参数估计过程中，要用到预设的自适应限制速度，因而， 定义一个饱和函数如下：
其中4是一个预先设置的限制速率，下面的引理总结了参数估计算法的结构特性： 引理1:假设使用下面的投影型自适应律和预设的自适应限制速率4/更新估计参数A
其中T是自适应函数，r(t) >〇是连续的可微正对称自适应率矩阵，由此自适应律， 可得以下理想特性： pi)参数估计值总在已知有界的、集内，即对于任意t，总有命因而由假设1
步骤二（二）、构建电机的高阶滑模微分器，对系统未知状态进行估计 首先，系统模型（2)被重新转换成如下形式：
其中Xl，x2，x3分别表示输出位置、速度和加速度，名，毛，為分别为为Xl、x2、x3的估 计值，入〇，h，为设计参数；
方法，其特征在于，前述步骤三的实现包括：通过调节基于有限时间干扰估计的鲁棒控制器 中u的参数ki，k2,a，v，ApA2，，使得系统满足控制性能指标。
【文档编号】H02P21/00GK104485866SQ201410772954
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年12月15日 优先权日:2014年12月15日
【发明者】姚建勇, 徐张宝, 杨贵超 申请人:南京理工大学