[發明專利]一種用于伺服系統辨識與控制器設計的方法

有效

• 申請號: 202110284725.8
• 申請日: 2021-03-17
• 公開（公告）號: CN113110021B
• 公開（公告）日: 2022-06-14
• 發明（設計）人: 王孝洪;任連新;李永順;翟名揚;黃淇松;鄭立楷;吳春臺
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: G05B11/42
• 分類號: G05B11/42
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 李斌

本發明公開了一種用于伺服系統辨識與控制器設計的方法，包括以下步驟：根據其輸入輸出特征，假定伺服系統階數，取自回歸滑動平均模型描述伺服系統脈沖傳遞函數；對伺服系統輸入激勵信號；采集轉速控制器輸出的轉速反饋信號；辨識伺服系統脈沖傳遞函數中的系數；采用奇異值分解的形式作伺服系統初步降階，然后通過基于主導極點算法進行進一步降價，再基于內模原理作系統擴維；確定狀態觀測器極點并確認狀態觀測器有效性；設計并調節LQR控制器參數；校驗LQR控制器的控制效果。本發明基于內模原理的線性二次型控制，便于進行仿真和實現，成本低，并使原伺服系統達到比傳統PID控制器更好的性能指標。

技術領域

本發明屬于伺服驅動控制技術領域，具體涉及一種用于伺服系統辨識與控制器設計的方法。

背景技術

PID控制器是目前工業伺服控制系統中應用最廣泛的控制器。高速數控、半導體封裝設備和機器人的快速發展，對伺服系統的要求越來越高，漸漸使PID控制器不能很好處理多變量問題的缺陷暴露出來。另外，當對伺服系統運行品質有較高要求的情況下，為了提高伺服系統的性能，只能通過增加PID控制器的比例系數或者相應地減小積分時間常數。這樣會使幅頻特性曲線上移，此時伺服系統中一些高頻的不確定性特性幅值增加，繼而導致伺服系統穩定裕度降低，出現振蕩，甚至不穩定。從抑制高頻諧振的角度來看，PID控制器有很大的局限性。

相比較而言，線性二次型調節器(LQR)調節對象是現代控制理論中以狀態空間形式給出的線性系統，而目標函數為對象狀態和控制輸入的二次型函數。

基于內模原理的線性二次型控制是基于最優和魯棒控制理論的控制策略，不僅能提高系統的跟蹤性能，同時能抑制高頻動態性能，是較為理想的控制算法。但這類先進控制器的設計均基于較為精確的系統模型，因此被控對象模型的建立變得非常關鍵。

發明內容

本發明的主要目的在于克服現有技術的缺點與不足，提出一種用于伺服系統辨識與控制器設計的方法，結合了最小二乘法的遞推算法進行伺服系統辨識，降階等方式，配合完成控制器設計。

為了達到上述目的，本發明采用以下技術方案：

一種用于伺服系統辨識與控制器設計的方法，包括以下步驟：

S1、對工作在轉速、電流反饋控制的伺服系統，根據其輸入輸出特征，確定合適的辨識模型來描述伺服系統的脈沖傳遞函數并假定伺服系統階數；

S2、根據對建模時辨識精度的要求，施加激勵信號于伺服系統的轉速控制器輸入端；

S3、連續采集轉速控制器輸出的轉速反饋信號，用于構建樣本矩陣；

S4、利用最小二乘法，通過矩陣運算估計伺服系統模型參數并分離各個系數，得到所辨識伺服系統的高階模型；

S5、對伺服系統的高階模型進行降階，再對降階后的伺服系統模型擴增維數；

S6、為擴維后的伺服系統模型設計狀態觀測器；

S7、選取目標狀態，構成目標函數，設計并調節LQR控制器的參數；

S8、將得到的狀態觀測器參數和控制器參數代入原始的所辨識伺服系統的高階模型，校驗LQR控制器的控制效果；如果沒達到控制指標，返回至步驟S7，重新設計并調節參數；如果達到控制指標，則結束。

進一步的，所述辨識模型具體為自回歸滑動平均模型；

所述描述伺服系統的脈沖傳遞函數具體為，采用自回歸滑動平均模型描述伺服系統的脈沖傳遞函數，即：

y(k)＝-a₀y(k-1)-...-a_ny(k-n)+b₀u(k-1)+...+b_nu(k-n)