一种直驱电机系统的鲁棒自适应控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种直驱电机系统的鲁棒自适应控制(RAC)方法，基于传统的自适应控制(AC)方法，通过设计非线性鲁棒控制律使得系统在同时存在参数不确定性和不确定性非线性的情况下的参数估计不受影响且获得渐近跟踪的性能。本发明专利技术公开的直驱电机系统的鲁棒自适应控制(RAC)方法可增强传统自适应控制对外负载干扰等不确定性非线性的鲁棒性，以获得更好的跟踪性能。

【技术实现步骤摘要】
一种直驱电机系统的鲁棒自适应控制方法
本专利技术涉及机电伺服控制
，主要涉及一种直驱电机系统的鲁棒自适应控制方法。
技术介绍
在现代工业生产中，许多先进的机械设备如数控机床、半导体加工设备及微电子制造设备等都广泛采用直驱电机系统来保证高速和高精度的加工过程。直驱电机(如旋转和直线电机)系统由于消除了与减速齿轮相关的一些机械传动问题如齿隙、强惯性载荷以及结构柔性等，而这些非线性问题都是影响系统性能的主要因素，其存在将会严重恶化控制性能，因此通过对直驱电机系统进行先进的控制器设计可以获得高精度的控制性能。然而，也正是由于缺少减速齿轮的作用，对直驱电机系统进行控制器设计时需要面临许多建模不确定性，如参数不确定性及外负载干扰等不确定性非线性，这些不确定性不再经过减速齿轮而是直接作用于驱动部件，这样同样会严重地恶化控制性能，导致极限环震荡甚至使系统失稳。因此探索先进的控制器设计方法来保证直驱电机系统的高精度控制性能仍是实际工程应用领域的迫切需求。针对直驱电机系统的的非线性控制问题，许多方法相继被提出。其中自适应控制(AC)方法对于处理参数不确定性问题是非常有效的方法，能够获得渐近跟踪的稳态性能。但是自适应控制器是基于系统不存在外负载干扰等不确定性非线性的前提假设进行设计的，理论上可以保证当系统期望值令满足持续激励(PE)条件时系统参数估计收敛到真值且系统获得渐进跟踪的性能。但是，大量研究表明当PE条件不满足时甚至很小的外负载干扰或测量噪声都能使系统参数估计发生漂移进而造成系统不稳定。而且，尽管在PE条件满足的情况下大的外负载干扰也能使系统跟踪误差逐渐增大直至系统失稳。而实际的电机系统都存在不确定性非线性，因此传统自适应控制方法在实际应用中并不能获得高精度的控制性能；作为一种鲁棒控制方法，经典滑模控制可以有效地处理任何有界的建模不确定性，并获得渐近跟踪的稳态性能。但是经典滑模控制所设计的不连续的控制器容易引起滑模面的颤振问题，从而恶化系统的跟踪性能。为此，许多研究对经典滑模控制进行了改进，如采用光滑连续的双曲正切函数替代不连续的标准符号函数。但是如此一来便丧失了渐近跟踪的稳态性能，只能获得有界的跟踪误差；为了同时解决参数不确定性和不确定性非线性的问题，自适应鲁棒控制(ARC)方法被提出，该控制方法在两种建模不确定性同时存在的情况下可以使系统获得确定的暂态和稳态性能，如要获得高精度跟踪性能则必须通过提高反馈增益以减小跟踪误差，然而过大的反馈增益将提高闭环系统的频宽，从而可能激发系统的高频动态使系统失稳。通过上述各种控制方法的优缺点分析，本专利技术基于传统的自适应控制方法，通过巧妙地设计非线性鲁棒控制律使得系统在同时存在参数不确定性和不确定性非线性的情况下的参数估计不受影响且获得渐近跟踪的性能，增强了传统自适应控制对外负载干扰等不确定性非线性的鲁棒性，获得了更好的跟踪性能。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种鲁棒性强、跟踪性能高的直驱电机系统的鲁棒自适应控制方法。为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：一种直驱电机系统的鲁棒自适应控制(RAC)方法，其实现包括以下步骤：步骤1、建立直驱电机系统的数学模型；步骤2、设计鲁棒自适应控制器；以及步骤3、鲁棒自适应控制器的性能分析。进一步地，前述的直驱电机系统的鲁棒自适应控制方法，基于传统的自适应控制(AC)方法，通过设计非线性鲁棒控制律使得系统在同时存在参数不确定性和不确定性非线性的情况下的参数估计不受影响且获得渐近跟踪的性能。该控制方法是针对如下问题提出的：传统的自适应控制器是基于系统不存在外负载干扰等不确定性非线性的前提假设进行设计的，理论上可以保证当系统期望值令满足持续激励(PE)条件时系统参数估计收敛到真值且系统获得渐进跟踪的性能。当持续激励条件不满足时甚至很小的外负载干扰或测量噪声都能使系统参数估计发生漂移进而造成系统不稳定，而且，尽管在持续激励条件满足的情况下，大的外负载干扰也能使系统跟踪误差逐渐增大直至系统失稳。所公开的控制方法增强了传统自适应控制对外负载干扰等不确定性非线性的鲁棒性，获得了更好的跟踪性能。本专利技术提出的直驱电机系统的鲁棒自适应控制方法，与现有技术相比，其显著优点在于：增强了传统自适应控制对外负载干扰等不确定性非线性的鲁棒性，使得系统在同时存在参数不确定性和不确定性非线性的情况下的参数估计不受影响且获得渐近跟踪的性能。下述仿真结果验证了其有效性。附图说明图1是本专利技术直驱电机系统的原理图。图2是本专利技术一实施方式直驱电机系统鲁棒自适应(RAC)控制方法的原理示意图。图3是在工况1时RAC控制器作用下系统输出对期望指令的跟踪过程。图4是在工况1时RAC控制器作用下系统的跟踪误差随时间变化的曲线。图5是在工况1时RAC控制器和传统AC控制器作用下系统的跟踪误差对比曲线。图6是在工况1时RAC控制器作用下系统的参数估计随时间变化的曲线。图7是在工况1时AC控制器作用下系统的参数估计随时间变化的曲线。图8是在工况1时RAC控制器作用下直驱电机系统的控制输入随时间变化的曲线。图9是在工况2时RAC控制器作用下系统输出对期望指令的跟踪过程。图10是在工况2时RAC控制器作用下系统的跟踪误差随时间变化的曲线。图11是在工况2时RAC控制器和传统AC控制器作用下系统的跟踪误差对比曲线。图12是在工况2时RAC控制器作用下系统的参数估计随时间变化的曲线。图13是在工况2时AC控制器作用下系统的参数估计随时间变化的曲线。图14是在工况2时RAC控制器作用下直驱电机系统的控制输入随时间变化的曲线。具体实施方式下面结合附图及具体实施例对本专利技术作进一步详细说明。结合图1～2，本专利技术一种直驱电机系统的鲁棒自适应控制方法(不需要修改)，包括以下步骤：步骤1，建立直驱电机系统的数学模型；(1.1)本专利技术所考虑的直驱电机系统如图1所示，是通过配有商业电气驱动器的永磁直流电机直接驱动惯性负载。考虑到电磁时间常数比机械时间常数小得多，且电流环速度远大于速度环和位置环的响应速度，故可将电流环近似为比例环节。因此，根据牛顿第二定律，直驱电机系统的运动方程为：式(1)中m为惯性负载参数，ki为力矩放大系数，B为粘性摩擦系数，是其他未建模干扰，y为惯性负载的位移，u为系统的控制输入，t为时间变量。(1.2)定义状态变量：则式(1)运动方程转化为状态方程：式(2)中，θ1＝ki/m,θ2＝B/m,θ3＝dn是系统的未知参数，d(x,t)＝f(x,t)/m可认为是系统总的干扰，包括外负载干扰、未建模摩擦、未建模动态等；dn是总干扰的常值分量，是干扰与其常值分量的偏差；f(x,t)即为上述x1表示惯性负载的位移，x2表示惯性负载的速度。系统控制器的设计目标为：给定系统参考信号yd(t)＝x1d(t)，设计一个有界的控制输入u使系统输出y＝x1尽可能地跟踪系统的参考信号。系统控制器的设计目标为：给定系统参考信号，设计一个有界的控制输入u使系统输出尽可能地跟踪系统的参考信号；本实施例中，为便于控制器的设计，假设如下：假设1：系统参考指令信号x1d(t)是二阶连续的，且系统期望位置指令、速度指令及加速度指令都是有界的。系统不确定性非线性的大小范围已知，即式中δd为已知正常数。假设2：参数不确本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种直驱电机系统的鲁棒自适应控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、建立直驱电机系统的数学模型；步骤2、设计鲁棒自适应控制器；步骤3、鲁棒自适应控制器的性能分析。

【技术特征摘要】
1.一种直驱电机系统的鲁棒自适应控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、建立直驱电机系统的数学模型；步骤2、设计鲁棒自适应控制器；步骤3、鲁棒自适应控制器的性能分析；其中，步骤1所述建立直驱电机系统的数学模型，具体如下：(2.1)根据牛顿第二定律，直驱电机系统的运动方程为：式(1)中，m为惯性负载参数，ki为力矩放大系数，B为粘性摩擦系数，是其他未建模干扰项，y为惯性负载的位移，u为系统的控制输入，t为时间变量；(2.2)定义状态变量：则式(1)运动方程转化为状态方程：式(2)中，θ1,θ2,θ3为系统的未知参数，且θ1＝ki/m,θ2＝B/m,θ3＝dn，d(x,t)＝f(x,t)/m为系统总的干扰，包括外负载干扰、未建模摩擦、未建模动态；dn是总干扰的常值分量，是干扰与其常值分量的偏差，f(x,t)即为上述x1表示惯性负载的位移，x2表示惯性负载的速度；系统控制器的设计目标为：给定系统参考信号yd(t)＝x1d(t)，设计一个有界的控制输入u使系统输出y＝x1尽可能地跟踪系统的参考信号；假设如下：假设1：系统参考指令信号x1d(t)是二阶连续的，且系统期望位置指令、速度指令及加速度指令都是有界的；系统不确定性非线性的大小范围已知，即式中，δd为已知正常数；假设2：参数不确定性θ的大小范围已知，即式中θmin＝[θ1min,θ2min,θ3min]T,θmax＝[θ1max,θ2max,θ3max]T为向量θ的已知上下界；步骤2所述设计的鲁棒自适应控制器，步骤如下：(3.1)在进行控制器设计之前先给出参数自适应所采用的不连续的参数映射：令表示对系统未知参数θ的估计，为参数估计误差，即为确保自适应控制律的稳定性，基于系统的参数不确定性是有界的，即假设2，定义如下的参数自适应不连续映射：式中i＝1,2,3；τ为参数自适应函数，并在后续的控制器设计中给出其具体的形式；...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓文翔，姚建勇，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32