[發明專利]基于神經網絡的伺服控制系統及方法

無效

• 申請號: 200910236904.3
• 申請日: 2009-10-27
• 公開（公告）號: CN102053628A
• 公開（公告）日: 2011-05-11
• 發明（設計）人: 扈宏杰;王林;戰平;王希洋;呂博
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G05D3/12
• 分類號: G05D3/12;G05B13/02
• 代理公司: 北京金恒聯合知識產權代理事務所 11324
• 代理人: 李強

技術領域

本發明涉及一種基于神經網絡的伺服控制系統及方法。

技術背景

伺服系統是復雜的機電控制系統，其本質可以視為一個由電動機拖動的的位置閉環控制系統，其在國民生產和國防建設中起著重要的作用。由于其在各領域中占有十分重要的地位，所以對其性能的要求也不斷提高，尤其在國防軍事和航空航天等尖端領域。從當前國內外伺服系統總的發展趨勢可以看出，“高頻響、超低速、高精度”是其主要發展方向。其中，“高頻響”是反映伺服系統跟蹤高頻信號的能力，即在位置指令信號不斷變化時系統的跟蹤能力。“超低速”，是反映系統的低速平穩性，影響低速特性的主要因素是機械摩擦，必須采用一定的控制方法對摩擦進行補償。“高精度”是指系統跟蹤指令信號的準確程度。

存在于伺服系統中的機械摩擦、電路參數的飄移、軸系間的力矩耦合、環境干擾、以及軸系間的不垂直度或不交度而引起的系統負載力矩的不平衡、機械裝置剛度不足而引起的機械變形、負載的波動以及電機本身的齒槽效應等許多非線性的、不確定性等因素，給伺服系統的控制造成了很多困難，對系統的精度影響很大。因此，消除這些干擾源引起的擾動并克服各種非線性因素對系統帶來的影響是實現伺服系統高精度控制的關鍵。

經典的伺服系統設計一般采用傳統的“三環”結構的PID控制方法(參見圖3)，由內到外是電流環、速度環和位置環。電流環和速度環的作用是提高系統的剛度來抑制系統的非線性及外部擾動，控制系統的精度由位置環來保證。但這種傳統控制方法的適應性差，在系統受擾的情況下控制精度低，不適合高精度控制的場合。而本發明能夠很好的抑制系統的參數攝動、摩擦干擾和負載變化帶來的擾動；在對象的非線性和不確定性較強的情況下也可以正常運行，極大的提高了伺服系統的控制精度。

發明內容

為了提高伺服系統的控制精度，特別是提高伺服系統在存在非線性和不確定性以及系統的參數攝動、摩擦干擾和負載變化等干擾情況下的控制精度，本發明提出了一種基于神經網絡的控制方法和系統。

本發明實現了對伺服系統的非線性補償和干擾抑制，提高了伺服系統的跟蹤精度。本發明是在傳統的控制方法的基礎上加入了神經網絡自適應控制的方法，極大的提高了系統的魯棒性，使系統對各種干擾都能夠進行快速有效的抑制，達到極高的控制精度。并且基于Lyapunov穩定性理論的自適應控制算法確保了該方法的穩定性。另外，在速度環精確參考模型的基礎上，位置環控制器的設計也變得非常的簡單，使整個系統的設計工作變得相當方便，易于在工程實際中實施。

根據本發明的一個方面，提供了一種位置伺服系統，包括：

一個位置環控制器，用于接收一個位置誤差，并產生一個速度指令；

一個自適應控制器，用于接收所述速度指令、一個模型誤差和一個伺服對象速度信號，并產生一個自適應控制器輸出；

一個參考模型，用于接收所述速度指令并產生一個參考模型輸出；

一個神經網絡控制器，用于接收所述模型誤差、和所述模型誤差的微分，并輸出一個神經網絡控制器輸出；

一個魯棒項部分，用于接收所述模型誤差信號，并產生一個魯棒項輸出；

一個微分器，用于接收所述模型誤差，并產生所述模型誤差的微分；

一個伺服執行裝置，用于在所述控制信號的控制下，進行伺服操作。

根據本發明的一個具體實施例，上述位置伺服系統進一步包括：

一個位置檢測裝置，用于檢測所述位置伺服系統的伺服對象的位置，并生成一個控制對象位置輸出；

一個速度檢測裝置，用于檢測所述位置伺服系統的伺服對象的速度，從而生成所述伺服對象速度信號；

一個第一加法器，用于把所述控制對象位置輸出和所述位置伺服系統所接收到的一個位置指令相減，從而生成所述位置誤差；

一個第二加法器，用于把所述自適應控制器輸出、所述神經網絡控制器輸出和所述魯棒項輸出相加，從而產生所述控制信號；

一個第三加法器，用于把所述伺服對象速度與所述參考模型輸出相減，從而生成所述模型誤差。