基于极值控制的伺服系统输入补偿方法技术方案

基于极值控制的伺服系统输入补偿方法，涉及控制系统优化领域。是为了解决伺服系统在正弦信号的输入条件下，传统的控制器设计方法对系统的带宽提升有限，在高频正弦输入信号下会有很大幅值衰减与相位滞后的问题。本发明专利技术利用极值搜索控制方法对伺服系统的输入进行补偿以达到在正弦输入条件下提高系统跟踪性能的目的。方法的整体结构是在原有的闭环伺服控制系统外加入补偿网络，补偿方式为叠加与原正弦输入相同频率幅值的余弦信号，并对正余弦信号分别给予不同的权值，权值通过极值控制方法得到，以补偿后的输入信号作为系统新的输入来得到理想的输出。本发明专利技术适用于控制系统优化场合。

Input compensation method of servo system based on extremum control

The input compensation method of servo system based on extremum control relates to the field of control system optimization. In order to solve the servo system in the input sinusoidal signal, the controller design method of traditional Co. to enhance the bandwidth of the system, the high frequency sinusoidal input signal will have a large amplitude attenuation and phase lag problem. The present invention uses extremum search control method to compensate the input of servo system in order to improve the tracking performance of the system. The overall structure of the method is to join the compensation network in the original closed-loop servo control system, compensation for the cosine signal superimposed with the original sine input of the same frequency and amplitude, and the cosine signal were given different weights, the weights obtained by the extremum control method to compensate the input signal as the output input to the new system get the ideal. The invention is suitable for the control system optimization occasion.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及控制系统优化领域，具体涉及一种基于极值控制的伺服系统输入补偿技术。
技术介绍
极值控制方法是一种不基于模型的自适应控制方法，对控制条件的要求较低，不会受到参数不确定性或参数未知的影响，具有原理简单，计算量小等优点。这种控制方法是用于搜索并保持系统(或函数)极值的方法。简单来说，就是当系统输出与系统输入之间存在最大值或最小值关系，系统的输出可以用某种代价函数表示时，运用极值搜索控制可以在没有准确知道或者不知晓待搜索系统的结构或者数学表达时，对系统输入进行极值搜索，当待搜索的系统输入变量到达极值点时，即可以使系统的输出取得最大值或最小值。在实际控制系统中，由于控制系统参数时变以及不确定性的特点，使得参考量与输出量之间的函数关系很难被知晓，这时采用极值控制方法可以较好地获得期望的目标。目前，极值控制方法在国内外都得到了较为广泛的应用，主要应用在过程控制、太阳能电池阵列管理以及水利和风能发电时涡轮机叶片角度的调节等领域。在伺服系统设计中，频带宽度是系统性能的主要体现。高频响对于良好实时地跟踪系统的输入信号有着重要的意义，特别是需要较高的动态性能时，伺服系统能否具有良好的跟踪性能显得尤为重要。在伺服系统设计中，比较常规的方式是采用串联校正的方法提高系统的频响，还有就是采用复合控制，即局部反馈与前馈相结合的方式，但这些方法需要基于控制系统的模型来进行设计，同时它们对于伺服系统跟踪性能的提升也是十分有限的。考虑到极值搜索控制方法是一种不基于模型的自适应控制方法，能够有效的解决寻优问题，所以可以利用极值控制方法来辅助设计控制系统，完成在正弦输入条件下提高伺服系统跟踪性能的任务。
技术实现思路
本专利技术是为了解决伺服系统在正弦信号的输入条件下，传统的控制器设计方法对系统的带宽提升有限，在高频正弦输入信号下会有很大幅值衰减与相位滞后的问题，从而提供一种基于极值控制的伺服系统输入补偿方法。基于极值控制的伺服系统输入补偿方法，该方法的流程为：步骤一、将原始正弦输入信号和补偿余弦输入信号分别与其各自对应的权值相乘，得到两路初始输入信号；步骤二、将步骤一获得的两路输入信号相加，获得总输入信号；将总输入信号输入伺服系统，并经伺服系统处理后输出，获得输出信号；步骤三、将步骤二所述的输出信号提取包络线后作为极值控制的输入信号，并将所述输入信号与扰动信号的幅值一起进行极值控制，得到补偿输入权值的试探估计值；步骤四、重复执行步骤一至三的过程，直至伺服系统的输信号出与原始输入信号的差值为0，将此输出信号作为理想的输出信号，完成基于极值控制的伺服系统输入补偿。将步骤二所述的输出信号提取包络线后作为极值控制的输入信号，具体方法为：提取伺服系统的总输入信号和输出信号，获得偏差信号p的幅值，将原偏差信号p滞后T/4得到变换后的信号q，T为正弦输入信号的周期；计算同样随时间变化的即得到信号p的包络线，记为m，作为极值搜索控制理想的代价函数，该代价函数即为：极值控制的输入信号。步骤三中，将所述输入信号与扰动信号幅值一起进行极值控制，得到补偿输入权值的试探估计值，具体方法为：采用两路极值搜索过程分别搜索正弦输入信号和补偿余弦输入信号的权值；每一路极值搜索过程均为：步骤三一、将极值控制的输入信号经高通滤波器滤波，获得滤波后信号；步骤三二、将解调信号sin(ωt)与步骤三一所述的滤波后信号相乘，得到梯度信息；其中ω为解调信号角频率；步骤三三、将步骤三二所述的梯度信息通过积分器进行处理，获得积分处理后信号；步骤三四、将步骤三三获得的积分处理后信号与扰动信号作和，获得估计的极值点，将该极值点作为补偿输入权值的试探估计值。步骤三中，扰动信号的幅值的获得方法为：根据步骤三提取包络线，将包络信号当前值与包络信号最大值做比，将包络信号限制在0到1之间，然后通过非线性变换：a＝f(u)＝B(1-e-Cu)获得随包络信号变化的扰动信号的幅值；其中B、C为预先设定的常值；u是将包络信号限制在0-1之间的值。本专利技术利用极值搜索控制方法，对伺服系统的输入进行补偿以达到在正弦输入条件下提高系统跟踪性能的目的。方法是在伺服系统的原正弦输入基础上进行补偿，补偿方式为叠加相同频率幅值的余弦信号，并对正余弦信号分别给予不同的权值，权值通过极值控制方法得到，以补偿后的输入信号作为系统新的输入来得到理想的输出。本专利技术所使用的极值控制方法无需知晓控制系统的具体模型，所以在理论上可以对任意频率的正弦输入信号进行补偿，从而使输出能够很好的跟踪输入信号。本专利技术在进行补偿后，系统输出信号的幅值和相位与输入信号一致，即很好地跟踪了输入信号。附图说明图1是本专利技术的基于极值控制的伺服系统输入补偿原理示意图；其中：符号代表相加关系，代表相乘关系，Ar sin(ωrt)为系统的正弦输入信号，Ar cos(ωrt)为补偿的余弦信号，Ar为输入信号幅值，ωr为输入信号角频率，k1,k2为积分增益，h1,h2为高通滤波器截止频率，ω1,ω2为扰动信号角频率，a为扰动信号幅值，T为输入信号周期，B与C为待设计的常数值，p,q,m,u为方法的中间过程变量，s为拉普拉斯变换算子；图2是本专利技术实施例的伺服控制系统在10Hz正弦输入下未加入本专利技术所提出极值控制方法的输入输出对比示意图；图3是本专利技术实施例的伺服控制系统在10Hz正弦输入下应用本专利技术所提出补偿方法的输入输出对比示意图；图4是本专利技术实施例的输入输出偏差包络信号变化曲线示意图；图5是本专利技术实施例的补偿权值变化曲线示意图。具体实施方式具体实施方式一、结合图1至4说明本具体实施方式，本专利技术主要针对伺服系统的输入信号为正弦信号这一情况，补偿输入，提高系统的跟踪性能。本专利技术实施方式的主要思想是将幅相控制与极值控制相结合，幅相控制用于补偿输入信号，而极值控制来提供幅相控制所需要的权值。在伺服系统中，当系统的输入信号为正弦信号时，对于信号频率为ωr的输入信号来说，由于带宽的限制，输出信号往往会有一定的相位滞后以及幅值上的误差，且输入信号的频率越大，相位滞后与幅值的变化越明显。假设输入信号为：r＝Ar sin(ωrt)其中Ar和ω分别是输入信号的幅值和角频率，所以系统的输出可以表示为：Ay和分别对应输出信号的幅值和相位滞后。若希望系统的输出与输入信号在幅值和相位上保持一致，需要将系统输入信号的相位提前相角并同时改变幅值，设补偿后系统的输入值为r*，其幅值为A*，令：因为对于固定的正弦输入信号来说A*,均为常数，所以使：r*＝w1sin(ωrt)+w2cos(ωrt)其中：由上式可以看出，对于不同频率和幅值的输入信号可以取一组相应的权值w1和w2来间接调整r*，因此设计一个补偿网络，该网络的输入分别为正弦信号和频率相同的余弦信号，对两个输入信号分别进行加权，加权后的和作为系统新的输入，使系统的输出对于新的输入的响应与系统期望的输出保持一致，而权值通过极值搜索控制得到。下面结合附图1说明基于极值控制的伺服系统输入补偿方法的具体实施方式。方法的整体结构是在原有的闭环伺服控制系统外加入补偿网络。从附图1中可以看到，整个系统框图可以分为五个部分：1)、补偿输入部分。该部分由原始正弦输入信号与补偿余弦输入信号以及各自对应的权值组成，输入的正余弦信号幅值和频率相同，与各自权值本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于极值控制的伺服系统输入补偿方法，其特征是：该方法的流程为：步骤一、将原始正弦输入信号和补偿余弦输入信号分别与其各自对应的权值相乘，得到两路初始输入信号；步骤二、将步骤一获得的两路输入信号相加，获得总输入信号；将总输入信号输入伺服系统，并经伺服系统处理后输出，获得输出信号；步骤三、将步骤二所述的输出信号提取包络线后作为极值控制的输入信号，并将所述输入信号与扰动信号的幅值一起进行极值控制，得到补偿输入权值的试探估计值；步骤四、重复执行步骤一至三的过程，直至伺服系统的输信号出与原始输入信号的差值为0，将此输出信号作为理想的输出信号，完成基于极值控制的伺服系统输入补偿。

【技术特征摘要】
1.基于极值控制的伺服系统输入补偿方法，其特征是：该方法的流程为：步骤一、将原始正弦输入信号和补偿余弦输入信号分别与其各自对应的权值相乘，得到两路初始输入信号；步骤二、将步骤一获得的两路输入信号相加，获得总输入信号；将总输入信号输入伺服系统，并经伺服系统处理后输出，获得输出信号；步骤三、将步骤二所述的输出信号提取包络线后作为极值控制的输入信号，并将所述输入信号与扰动信号的幅值一起进行极值控制，得到补偿输入权值的试探估计值；步骤四、重复执行步骤一至三的过程，直至伺服系统的输信号出与原始输入信号的差值为0，将此输出信号作为理想的输出信号，完成基于极值控制的伺服系统输入补偿。2.根据权利要求1所述的基于极值控制的伺服系统输入补偿方法，其特征在于步骤一中，原始正弦信号和补偿余弦输入信号的幅值、频率均相同。3.根据权利要求1所述的基于极值控制的伺服系统输入补偿方法，其特征在于步骤二中，总输入信号经伺服系统处理，具体包括伺服系统的原控制器与被控对象，控制器包含但不限于串联校正和前馈控制。4.根据权利要求1所述的基于极值控制的伺服系统输入补偿方法，其特征在于步骤三中，将步骤二所述的输出信号提取包络线后作为极值控制的输入信号，具体方法为：提取伺服系统的总输入信号和输出信号，获得偏差信号p的幅值，将原偏差信号p滞后T/4得到变换后的信号q，T为正弦输入信号的周期；计算同样随时间变化的即得到信号p的包络线，作为极值搜索控制理想的代价函数，该代价函数即为：极值控制的输入信号。5.根据权利要求1所述的基于极值控制的伺服系统输入补偿方法，其特征在于步骤三中，将所述输入信号与扰动信号幅值一起进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈松林，何宗儒，杨宝庆，马杰，霍鑫，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23