[發(fā)明專利]一種直流電機(jī)伺服系統(tǒng)的快速自適應(yīng)抗擾控制方法

有效

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• 申請日: 2020-12-14
• 公開（公告）號: CN112769364B
• 公開（公告）日: 2022-08-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 姚建勇;方靖荃
• 申請（專利權(quán)）人: 南京理工大學(xué)
• 主分類號: H02P21/13
• 分類號: H02P21/13;H02P21/14;H02P21/18
• 代理公司: 南京理工大學(xué)專利中心 32203
• 代理人: 朱沉雁

本發(fā)明公開了一種直流電機(jī)伺服系統(tǒng)的快速自適應(yīng)抗擾（FADRC）控制方法，針對直流電機(jī)伺服系統(tǒng)在參數(shù)不確定性和未建模干擾共同作用下的高精度運(yùn)動控制問題，提出了一種基于有限時(shí)間參數(shù)估計(jì)的快速自適應(yīng)抗擾控制(FADRC)方法。通過引入恰當(dāng)?shù)臑V波運(yùn)算，構(gòu)造了一種由跟蹤誤差、參數(shù)估計(jì)誤差和系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)誤差復(fù)合驅(qū)動的新型參數(shù)自適應(yīng)律，實(shí)現(xiàn)未知參數(shù)的在線快速更新。同時(shí)，設(shè)計(jì)擴(kuò)張狀態(tài)觀測器估計(jì)并補(bǔ)償未建模干擾，提升系統(tǒng)魯棒性。所提出的控制方法可保證快速的參數(shù)估計(jì)性能以及優(yōu)異的跟蹤控制效果。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及機(jī)電伺服控制技術(shù)，具體涉及一種直流電機(jī)伺服系統(tǒng)的快速自適應(yīng)抗擾(FADRC)控制方法。

背景技術(shù)

直流電機(jī)伺服系統(tǒng)在工業(yè)和國防領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，因此其高精度運(yùn)動控制問題一直是相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。直流伺服電機(jī)可以控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，可將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號控制，并能快速反應(yīng)，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機(jī)電時(shí)間常數(shù)小、線性度高、始動電壓等特性，可把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。然而由于實(shí)際系統(tǒng)存在諸多模型不確定性，包括參數(shù)不確定性和未建模干擾(如非線性摩擦等)，嚴(yán)重制約了系統(tǒng)控制性能的提升，給直流電機(jī)伺服系統(tǒng)的高精度運(yùn)動控制帶來了巨大挑戰(zhàn)。

為此，研究者們提出了各種不同的控制策略。具體地，通過參數(shù)自適應(yīng)律實(shí)現(xiàn)未知參數(shù)的在線更新，自適應(yīng)控制可有效處理系統(tǒng)參數(shù)不確定性。為同時(shí)處理系統(tǒng)參數(shù)不確定性與未建模干擾，姚斌等人提出了自適應(yīng)魯棒控制(ARC)，在理論上保證了給定的瞬態(tài)跟蹤性能和穩(wěn)態(tài)跟蹤精度，并且當(dāng)僅存在參數(shù)不確定性時(shí)，還可獲得漸近跟蹤。當(dāng)系統(tǒng)未建模干擾較強(qiáng)時(shí)，自適應(yīng)魯棒控制只能通過高反饋增益保證良好的控制效果，然而過高的反饋增益可能激發(fā)系統(tǒng)高頻動態(tài)進(jìn)而引起系統(tǒng)失穩(wěn)。韓京清在《自抗擾控制技術(shù)》一書中利用擴(kuò)張狀態(tài)觀測器(ESO)對廣義擾動進(jìn)行估計(jì)，實(shí)現(xiàn)在不需要太多系統(tǒng)模型信息的條件下的干擾補(bǔ)償。然而自抗擾控制(ADRC)未精確考慮系統(tǒng)的參數(shù)不確定性，當(dāng)系統(tǒng)模型不確定性主要來自不確定參數(shù)時(shí)，其控制性能往往弱于傳統(tǒng)自適應(yīng)控制。鄧文翔在《基于干擾觀測器的電液位置伺服系統(tǒng)跟蹤控制》一文中融合自適應(yīng)控制和基于干擾觀測的補(bǔ)償控制的特點(diǎn)，提出了一種基于模型的自抗擾自適應(yīng)控制方法(ADRAC)。所提出的控制器保留了兩種控制方法的優(yōu)勢的同時(shí)，克服了它們的性能缺陷。然而，由于該控制策略中參數(shù)自適應(yīng)律僅由跟蹤誤差和系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)誤差驅(qū)動，參數(shù)估計(jì)值收斂速度較慢，進(jìn)而導(dǎo)致較差的系統(tǒng)瞬態(tài)跟蹤性能。

基于以上考慮，針對直流電機(jī)伺服系統(tǒng)，提出了一種快速自適應(yīng)抗擾控制(FADRC)方法。通過引入恰當(dāng)?shù)臑V波運(yùn)算和輔助變量，構(gòu)造了一種由跟蹤誤差、參數(shù)估計(jì)誤差及狀態(tài)估計(jì)誤差復(fù)合驅(qū)動的新型參數(shù)自適應(yīng)律，并與擴(kuò)張狀態(tài)觀測器有效融合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)未知參數(shù)估計(jì)指數(shù)收斂的同時(shí)可主動補(bǔ)償系統(tǒng)未建模干擾。當(dāng)系統(tǒng)存在時(shí)變干擾時(shí)，所提出的控制方法可保證一致最終有界的跟蹤性能，當(dāng)系統(tǒng)只存在常值干擾時(shí)，還可獲得優(yōu)異的漸近跟蹤性能。此外，得益于新型快速參數(shù)自適應(yīng)律，系統(tǒng)的瞬態(tài)性能可獲得有效提升。針對直流電機(jī)伺服系統(tǒng)的仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提出的控制方法的有效性以及相比于現(xiàn)有方法的優(yōu)越性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種直流電機(jī)伺服系統(tǒng)的快速自適應(yīng)抗擾控制方法，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)未知參數(shù)估計(jì)指數(shù)收斂的同時(shí)可主動補(bǔ)償系統(tǒng)未建模干擾，獲得優(yōu)異的控制性能；

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種直流電機(jī)伺服系統(tǒng)的快速自適應(yīng)抗擾控制方法，包括以下步驟：

步驟1、建立直流電機(jī)伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，轉(zhuǎn)入步驟2。

步驟2、基于直流電機(jī)伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)快速自適應(yīng)抗擾控制器，轉(zhuǎn)入步驟3。

步驟3、運(yùn)用李雅普諾夫穩(wěn)定性理論進(jìn)行快速自適應(yīng)抗擾控制器穩(wěn)定性證明，得到系統(tǒng)穩(wěn)定的結(jié)果。