CN101446803A

CN101446803A - 伺服跟踪系统控制器

Info

Publication number: CN101446803A
Application number: CNA2008102372516A
Authority: CN
Inventors: 陈勇; 吕霞付; 罗萍; 李焕功; 祝天瑞
Original assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Current assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Priority date: 2008-12-25
Filing date: 2008-12-25
Publication date: 2009-06-03
Anticipated expiration: 2028-12-25
Also published as: CN101446803B

Abstract

本发明提供一种性能更高的伺服跟踪系统控制器，包括位置控制环路，对被控对象进行伺服跟踪控制，所述速度控制环路包括可调控制器，用于对被控对象进行控制；参考模型，接收期望电压，输出理想状态下被控对象的理想速度；速度环反馈模块，获取被控对象的实际速度并输出；速度环运算器，接收所述理想速度和实际速度进行代数和运算，输出速度误差；以及自适应机构，接收所述期望电压和速度误差，根据速度误差对期望电压进行修正，获得期望输出电压并输出，并根据自适应律对可调控制器的控制参数进行调节；本发明能使伺服控制系统动态响应速度加快，避免被控对象各环节参数发生变化或受到非线性干扰影响，且动态超调、震荡减小。

Description

伺服跟踪系统控制器

技术领域

本发明涉及伺服技术领域，具体涉及一种伺服跟踪系统控制器。

背景技术

伺服跟踪系统控制器的硬件结构由：控制器，逻辑电路，逆变电路，放大器，伺服电机，保护电路等组成。在硬件组成一定的条件下，控制方法的优劣将直接影响伺服跟踪系统的响应速度和跟踪精度。

参见图1，现在伺服跟踪系统控制器主要由以下三部分构成：位置环，速度环和电流环。图中：s为拉普拉斯变换中的复变量，L_a为电机每相绕组的自感，R_a为每相绕组的电阻(不考虑两相之间的互感)，i为每相的定子相绕组电流，K_m＝C_TΦ_δ，其中：C_T为电机的转矩常数，Φ_δ为每极磁通量，T_e为电机的转矩，J为电机的转动惯量，ω为电机转动的角速度，θ为电机转过的角度，a为电流反馈的传递系数，K_g为速度反馈的传递系数。

速度环是一个重要的环节，它的主要作用是提高系统刚度，增大系统的阻尼系数来提高系统的动态跟踪能力以及抑制环内干扰，体现了伺服系统的动态响应速度。速度环现在主要采用PI控制或者模拟PID控制，PID控制原理简单，适应性和鲁棒性强，在早期应用较广，其控制效果基本能满足要求。但是PID参数整定方法复杂，在生产现场或复杂工况下容易受到干扰，控制参数经常整定不良，虽然能对给定实现跟踪，但是在响应速度和跟踪精度上误差较大，满足不了特殊场合高速度、高精度的要求；

位置环体现了伺服系统的稳态跟踪精度，是系统性能的反映。现在速度环主要采用计算机系统实现的数字PID控制；控制算法通常为位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。由于参数不能在线整定，确定的控制参数仅是针对整个系统性能(响应速度、过渡时间)的折中方案。当位置误差及其变化率变化时，不能根据这两个参量的变化对系统实现实时参数整定，达不到实时最优控制，控制性能得不到进一步提高。

电流环构成电枢电流负反馈，以减小电源电压波动的影响，提高控制力矩的线性度，同时防止功率转换电路以及被控对象(电动机)过电流。电流环通常采用比较简单的比例控制或PI控制，以此保证被控对象(电动机)的快速响应。

发明内容

有鉴于此，为了解决上述问题，本发明提供一种性能更高的伺服跟踪系统控制器。

本发明的目的是这样实现的：伺服跟踪系统控制器，包括位置控制环路，对被控对象进行伺服跟踪控制，所述速度控制环路包括：

可调控制器，用于对被控对象进行控制；

参考模型，接收期望电压，输出理想状态下被控对象的理想速度；

速度环反馈模块，获取被控对象的实际速度并输出；

速度环运算器，接收所述理想速度和实际速度进行代数和运算，输出速度误差；以及

自适应机构，接收所述期望电压和速度误差，根据速度误差对期望电压进行修正，获得期望输出电压并输出，并根据自适应律对可调控制器的控制参数进行调节。

进一步，所述伺服跟踪系统控制器还包括电流控制环路，所述电流控制环路包括：

电流环反馈模块，获取被控对象的输出电流并输出根据所述输出电流换算的反馈电压；

电流环运算器，接收期望输出电压和反馈电压进行代数和运算，输出电压误差；以及

电流校正模块，接收期望输出电压与电压误差，输出最终输出电压到被控对象；

进一步，所述电流校正模块采用比例控制法，根据电压误差对期望输出电压进行修正，运算获得最终输出电压；

进一步，所述伺服跟踪系统控制器还包括位置控制环路，所述位置控制环路包括：

位置给定输入模块，输出一个给定位置；

位置环反馈模块，获取被控对象实际位置，并输出；

位置环运算器，接收给定位置和实际位置进行代数和运算，输出位置误差；以及

位置校正模块，接收给定位置和位置误差，输出期望电压；

进一步，位置校正模块通过模糊PID控制，根据给定位置和位置误差，运算获得期望电压；

进一步，所述位置校正模块包括：

PID控制器，接收位置误差，输出与位置误差相关的第一控制量；

时间积分运算器，接收位置误差，运算获得位置误差变化率；

二维模糊控制器，接收位置误差和位置误差变化率，输出跟位置误差和位置误差相关的第二控制量；以及

电压运算器，接收第一控制量与第二控制量进行代数和运算，输出期望电压。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：速度采用模型参考自适应控制，参考模型实际就是一个理想的控制系统，其动态响应速度，稳态跟踪精度均为理想技术指标，能使系统动态响应速度加快，避免被控对象各环节参数发生变化或受到非线性干扰影响，且动态超调、震荡减小；在进一步的技术方案中，电流控制环路采用比例控制，能保证伺服控制系统的快速响应，减小电源电压波动的影响，提高控制力矩的线性度，同时防止功率转换电路以及电动机(被控对象)过电流；在更进一步的技术方案中，位置采用模糊PID控制，根据位置的误差以及位置误差的变化率这两个参量的变化对数字PID输出的控制量进行实时调整，可以进一步提高系统的跟踪效果，使伺服控制系统成为无差模糊系统。

本发明的其他优点、目标，和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述：

图1示出了现有的伺服跟踪系统控制器的结构示意图；

图2示出了本发明的伺服跟踪系统控制器的结构示意图；

图3示出了本发明的伺服跟踪系统控制器中速度控制环路的结构示意图；

图4示出了本发明的伺服跟踪系统控制器中位置控制环路的结构示意图。

具体实施方式

以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

参见图2，本实施例的伺服跟踪系统控制器，包括位置控制环路1、速度控制环路2和电流控制环路3，对被控对象(图中未示出)进行伺服跟踪控制。

参见图2，所述位置控制环路1包括：

位置给定输入模块11，输出一个给定位置p₁；

位置环反馈模块12，获取被控对象实际位置p₂，并输出；

位置环运算器13，接收给定位置p₁和实际位置p₂进行代数和运算，输出位置误差p₃，p₃＝p₂-p₁；以及

位置校正模块14，接收给定位置p₁和位置误差p₃，输出期望电压u；最佳的，所述位置校正模块14通过模糊PID控制，根据给定位置p₁和位置误差p₃，运算获得期望电压；参见图4，所述位置校正模块14包括：

PID控制器141，接收位置误差，输出一个控制量u_p；

时间积分运算器142，接收位置误差e，运算获得位置误差变化率ec；

二维模糊控制器143，接收位置误差e和位置误差变化率ec，输出一个控制量u_f；以及

电压运算器144，接收u_p与u_f进行代数和运算，输出期望电压u。

PID模糊控制技术在现有技术中常用于速度控制环路，因此本领域技术人员均可实施，在此不再赘述。

所述速度控制环路2包括：

参考模型21，接收期望电压u，输出理想状态下被控对象的理想速度s₁；

速度环反馈模块22，获取被控对象的实际速度s₂并输出；

速度环运算器23，接收所述理想速度s₁和实际速度s₂进行代数和运算，输出速度误差s₃，s₃＝s₂-s₁；

参见图3，速度校正模块24，包括：

可调控制器241，用于对被控对象进行控制；

自适应机构242，接收所述期望电压u和速度误差s₃，根据速度误差s₃对期望电压u进行修正，获得期望输出电压u₁并输出，并根据自适应律对可调控制器241的控制参数进行调节。

所述电流控制环路3包括：

电流环反馈模块31，获取被控对象的输出电流i并输出根据所述输出电流换算的反馈电压u₂；

电流环运算器32，接收期望输出电压u₁和反馈电压u₂进行代数和运算，输出电压误差u₃，u₃＝u₂-u₁；以及

电流校正模块33，接收期望输出电压u₁与电压误差u₃，运算获得最终输出电压u₄；该运算方法可采用现有技术中的运算方法，最佳的，为了保证系统的快速响应，减小电源电压波动的影响，提高控制力矩的线性度，同时防止功率转换电路以及被控对象(电动机)过电流，电流校正模块33不宜使用复杂的控制规律，因此采用比例控制法进行运算，最佳比例系数为9。

以下对自适应律进行进一步说明，应当理解，以下说明并不能用于限制本发明：本实施例采用的是二阶系统，被控对象的传递函数为：

W_{p} (s) = \frac{k_{p} \cdot N_{p} (s)}{M_{p} (s)} = \frac{k_{p}}{s^{2} + a_{p 1} s + a_{p 0}}

M_p(s)和N_p(s)为n阶和m阶首一多项式，k_P(>0)为被控对象的增益，参数未知或慢时变。对象传递函数是严真和最小相位的。

参考模型的传递函数为：

W_{m} (s) = \frac{k_{m} \cdot N_{m} (s)}{M_{m} (s)} = \frac{k_{m}}{s^{2} + a_{m 1} s + a_{m 0}}

k_m为参考模型的增益，N_m(s)和M_m(s)是m阶和n阶的首一多项式。参考模型是稳定和最小相位的。

由于被控对象的相对阶为2(n-m＝2)，此时参考模型的相对阶数也是2，根据正实函数定义知，W_m(s)不具正实性。

由此，控制规律的设计步骤为：

(1)设计参考模型W_m(s)，使其与对象有相同阶及相对阶，且W_m(s)分子分母是稳定的多项式，并具有理想的动态性能。具体的，本实施例被控对象传递函数为：

W_{OPEN} (s) = \frac{0.264}{s (0.036 s + 1)};

参考模型的开环传递函数为：

W (s) = \frac{400}{s (s + 30)};

(2)选择L(s)＝s+a，使L(s)W_m(s)为正实函数；

(3)选择滤波器F(s)＝N_m(s)L(s)，构造辅助信号状态方程：

{\overset{\cdot}{v}}_{1} = {Gv}_{1} + bu,

{\overset{\cdot}{v}}_{2} = {Gv}_{2} + {by}_{r},

并使det(sI-G)＝F(s)＝N_m(s)L(s)；

(4)定义

θ^T＝[k₀ c^T d₀ d^T]，参数调节规律：

\overset{\cdot}{θ} = - {Γe}_{1} ζ

(Γ＝Γ^T>0)；

(5)控制规律为：

此时，增广状态误差方程和输出方程为：

\{\begin{matrix} \overset{\cdot}{e} = A_{c} e + L (s) b_{c} [\begin{matrix} \hat{θ^{T}} & ζ \end{matrix}] \\ e_{1} = h_{c}^{T} e \end{matrix};

相应的传递函数为：

W_{e} (s) = h_{c}^{T} {(sI - A_{c})}^{- 1} b_{c} L (s) = \frac{k_{p}}{k_{m}} W_{m} (s) L (s);

根据正实函数定理可知，存在正定对称矩阵P和半正定对称矩阵Q，使：

{PA}_{c} + A_{c}^{T} P = - Q;

b_{c}^{T} P = h_{c}^{T}

成立。参数调节规律：

\overset{\cdot}{θ} = - {Γe}_{1} ζ,

此时系统全局一致稳定。

自适应律中，e₁是可测量的；

为系统中的信号向量，是可知的；ζ也是可知的；θ^T为可调参数向量，Γ为正定对称矩阵，一般选为正定对角矩阵。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.伺服跟踪系统控制器，包括位置控制环路，对被控对象进行伺服跟踪控制，其特征在于：所述速度控制环路包括：

可调控制器，用于对被控对象进行控制；

速度环反馈模块，获取被控对象的实际速度并输出；

2.如权利要求1所述的伺服跟踪系统控制器，其特征在于：所述伺服跟踪系统控制器还包括电流控制环路，所述电流控制环路包括：

电流校正模块，接收期望输出电压与电压误差，输出最终输出电压到被控对象。

3.如权利要求2所述的伺服跟踪系统控制器，其特征在于：所述电流校正模块采用比例控制法，根据电压误差对期望输出电压进行修正，运算获得最终输出电压。

4.如权利要求1至3中任一项所述的伺服跟踪系统控制器，其特征在于：所述伺服跟踪系统控制器还包括位置控制环路，所述位置控制环路包括：

位置给定输入模块，输出一个给定位置；

位置环反馈模块，获取被控对象实际位置，并输出；

位置校正模块，接收给定位置和位置误差，输出期望电压。

5.如权利要求4所述的伺服跟踪系统控制器，其特征在于：位置校正模块通过模糊PID控制，根据给定位置和位置误差，运算获得期望电压。

6.如权利要求5所述的伺服跟踪系统控制器，其特征在于：所述位置校正模块包括：