[發明專利]一種曲線軌跡跟蹤控制器的設計方法

在審

• 申請號: 201810558018.1
• 申請日: 2018-06-01
• 公開（公告）號: CN108762078A
• 公開（公告）日: 2018-11-06
• 發明（設計）人: 程國揚;滕召海
• 申請（專利權）人: 福州大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 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

本發明涉及一種曲線軌跡跟蹤的控制器設計方法，以期獲得準確的伺服跟蹤性能和魯棒性。根據目標軌跡信號構建軌跡生成器，生成與伺服系統模型狀態向量對應的穩態狀態值及輔助控制信號；把系統的未知擾動作為一個擴展狀態量納入伺服系統模型，得到增廣的伺服系統模型；根據增廣的伺服系統模型設計降階的擴展狀態觀測器，得到系統原狀態向量和未知擾動的估計值；根據軌跡生成器生成的穩態狀態值及輔助控制信號，設計軌跡跟蹤控制律；根據所述軌跡生成器、擴展狀態觀測器和軌跡跟蹤控制律，得到軌跡跟蹤控制器。本發明可實現在未知擾動的情況下，對機械臂、數控機床之類伺服機構進行平穩且準確的運動路徑跟蹤控制。

技術領域

本發明及工業伺服控制領域，具體涉及一種曲線軌跡跟蹤控制器的設計方法。

背景技術

定點位置調節和曲線軌跡跟蹤是工業伺服系統中最典型的兩類控制問題，通常既需要快速的響應，又要求較低的超調量，而且穩態時的靜差要盡量小。迄今，在點對點的位置伺服控制系統中，國內外工業界和科研機構已經投入了大量的研究，產生了各種控制方案。這些定點控制方案，如果直接用來跟蹤一個曲線軌跡信號，通常會產生一個明顯的相位滯后，無法實現準確的軌跡跟蹤。目前，在曲線軌跡的跟蹤控制方面，主要有兩種處理方式：一是采用PID控制，但PID控制算法需對軌跡跟蹤的誤差量提取微分信號，可能引起噪聲放大，降低系統的魯棒性；PID控制在給定的帶寬范圍內不能同時實現快速響應與低超調，且易產生所謂的積分器飽和現象(Integrator windup)。第二種方式是采用分段擬合控制，即把曲線軌跡分割成一系列線段，然后針對每個線段采用現有的點對點控制技術，軌跡跟蹤的準確性不但依賴于所采用的定點控制技術，也與軌跡的分段數目有關，分段越密，則跟蹤的準確性可能越高，但整個處理流程越繁瑣。

發明內容

有鑒于此，本發明的目的在于提供一種曲線軌跡跟蹤控制器的設計方法，可實現在未知負載條件下對目標軌跡的準確跟蹤。

為實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種曲線軌跡跟蹤控制器的設計方法，其特征在于：包括以下步驟：

步驟S1：根據目標軌跡信號構建軌跡生成器，生成與伺服系統模型狀態向量對應的穩態狀態值及輔助控制信號；

步驟S2：把系統的未知擾動作為一個擴展狀態量納入伺服系統模型，得到增廣的伺服系統模型；根據增廣的伺服系統模型設計降階的擴展狀態觀測器，得到系統原狀態向量和未知擾動的估計值；

步驟S3:根據軌跡生成器生成的穩態狀態值及輔助控制信號，設計軌跡跟蹤控制律；

步驟S4:根據所述軌跡生成器、降階的擴展狀態觀測器和軌跡跟蹤控制律，得到軌跡跟蹤控制器。

進一步的，所述的伺服系統模型為：

其中，x,u,y,h,d分別是系統Σ_P的狀態量，控制輸入，測量輸出，受控輸出和未知擾動；表示x對時間的一階導數，x₀是系統狀態量的初始值；A,B,C₁,C₂,E是預設維度的常數矩陣；sat(u)是最大幅值為u_max的飽和限幅函數；

進一步的，所述軌跡生成器構建具體為：

步驟S11:設計輔助系統模型為：

其中，x_e，u_e，r_g分別表示輔助系統Σ_aux的狀態向量、控制輸入和輸出信號；x_e0是Σ_aux的初始狀態值；A，B，C₂是伺服系統Σ_P的模型矩陣；