[發明專利]輸入飽和條件下超聲波電機伺服自適應控制系統及方法

有效

• 申請號: 201710268740.7
• 申請日: 2017-04-21
• 公開（公告）號: CN106877774B
• 公開（公告）日: 2019-06-07
• 發明（設計）人: 傅平
• 申請（專利權）人: 閩江學院
• 主分類號: H02P23/04
• 分類號: H02P23/04;H02P25/02
• 代理公司: 福州元創專利商標代理有限公司 35100
• 代理人: 蔡學俊

1.一種輸入飽和條件下超聲波電機伺服自適應控制系統，包括一基座、設于基座上的用于固定一超聲波電機的超聲波電機固定架，其特征在于：所述超聲波電機一側輸出軸與一光電編碼器相連接，另一側輸出軸與一飛輪慣性負載相連接；所述飛輪慣性負載的輸出軸經一聯軸器與一力矩傳感器相連接；所述光電編碼器的信號輸出端、所述力矩傳感器的信號輸出端分別接至一控制系統；

其中，所述的輸入飽和條件下超聲波電機伺服自適應控制系統還包括：所述控制器系統采用反步控制的控制方式，通過構建反步控制器，控制所述超聲波電機的電機轉子旋轉角度，再通過計算轉子的旋轉角度控制所述超聲波電機的速度；并通過李亞普諾夫穩定性定理構建用于表征反步控制參數強健性學習法則的李亞普諾夫函數；

其中，所述超聲波電機的驅動系統的動態方程為：

其中，A_p＝-B/J,B_P＝J/K_t＞0,C_P＝-1/J；B為阻尼系數，J為轉動慣量，K_t為電流因子，T_f(v)為摩擦阻力力矩，T_L為負載力矩，U(t)是電機的輸出力矩，θ_r(t)為通過光電編碼器測量得到的位置信號；

記系統的參數均已知，外力干擾、交叉耦合干擾和摩擦力均為零，則電機的標準模型為：

其中，A_n為A_p的標準值，B_n為B_P的標準值；

若產生不確定項，則系統的動態方程為：

其中，D(t)為總集不確定項，C_n為C_P的標準值，ΔA，ΔB、ΔC為微小變化量，并記為：

令所述總集不確定項的邊界為已知，|D(t)|≤ρ，ρ為預設正常數項；

將非線性系統動力學表示為：

其中，x表示位置信號；a_i為未知常數和控制增益參數，Y_i是已知的連續性或非線性函數，w是控制輸入，x₁(t)＝x(t)，x_n＝x^(n-1)，a＝[-a₁,a₂,L,-a_r]^T，Y＝[Y₁,Y₂,L,Y_r]^T；b是一個未知常數，c為常數，θ＝bc；表示有界的外部干擾，u₀、w₀為u、w的初始值，u為回滯系統的輸出，d(t)為擾動項；

u(w(t))∈R，輸入飽和為：

其中，u_M是u(t)的飽和界限；

令系統有界輸入有界輸出穩定，通過反步自適應控制律w(t)使得閉環系統全局穩定，跟蹤誤差y(t)-y_r(t)通過參數進行調整；

則所述非線性系統動力學表示為：

y＝x₁

其中，a＝[-a₁,-a₂,...,-a_r]^T，Y＝[Y₁,Y₂,...,Y_r]^T；x表示位置信號；

為了補償飽和度的影響，構造以下系統以產生信號λ(t)＝[λ₁,...,λ_n]^T：

其中，c_i是正的常數，λ₁表示待構造系統的信號1；λ₂表示待構造系統的信號2；λ_i表示待構造系統的信號i；Δu＝u(w)-w，進行以下坐標變化：

z₁＝y-y_r-λ₁

其中，i＝2,3,...,n，α_i-1是要確定的第i步虛擬控制；y表示系統的實際輸出值；y_r表示系統的位置設定值；

為了避免電機中出現不可預期的不確定項，所述反步控制器采用反步控制方法對系統進行伺服控制，所述反步控制器所采用的反步控制通過如下步驟實現：

步驟S1：令：

構建虛擬控制律α₁為：

α₁＝-c₁(x₁-y_r)；

其中，c₁＞1/2是正設計參數；

構建李雅普諾夫函數函數V₁為：

且V₁的導數為：

其中，

步驟Si，i＝2,...,n-1：令：

構建虛擬控制律α_i：

其中，c_i是設計的正參數，滿足c₁＞1，i＝2,...,n-1，則：

構建李雅普諾夫函數函數V_i為：

且V_i的導數為：

其中，

步驟Sn：對于i＝n，則：

構建自適應控制律w為：

其中，c_n是滿足c_n＞1/2的正設計參數，是a的估計；

該參數的更新規律為：

其中，Γ是正定矩陣；

構建李亞普諾夫函數V：

其中，

且V的導數為

其中，a表示需要確定的虛擬控制；表示a的估計值。

2.根據權利要求1所述的輸入飽和條件下超聲波電機伺服自適應控制系統，其特征在于：所述控制系統包括超聲波電機驅動控制電路；所述超聲波電機驅動控制電路包括控制芯片電路和驅動芯片電路；所述光電編碼器的信號輸出端與所述控制芯片電路的輸入端相連接；所述控制芯片電路的輸出端與所述驅動芯片電路的輸入端相連接，以驅動所述驅動芯片電路；所述驅動芯片電路的驅動頻率調節信號輸出端和驅動半橋電路調節信號輸出端分別與所述超聲波電機的輸入端相連接。