CN103312256A - 基于干扰观测器的伺服电机网络化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种基于干扰观测器的伺服电机网络化控制方法。包测量元件采集伺服电机的角位移和角速度，通过网络发送给干扰观测器和滑模控制器，干扰观测器同时读取控制量缓存器中储存的控制量历史值、估计出干扰大小并发送给滑模控制器，滑模控制器通过解算得到控制电压信号、并通过网络发送给伺服电机形成伺服电机的闭环网络控制。本发明针对存在外界干扰的伺服电机系统，通过网络连接实现了网络化控制，提高了系统的互操作性和灵活性等，且通过选取带历史控制输入的滑模函数，补偿了网络诱导时延，提高了系统的稳态性能，并通过干扰观测器的设计，实现了干扰的抑制，降低了系统抖振，提高了系统的动态性能。

Description

基于干扰观测器的伺服电机网络化控制方法

技术领域

本发明涉及的是一种滑模控制方法，主要是针对存在外界干扰的网络化伺服电机系统的离散滑模控制方法。

背景技术

随着计算机与网络技术的不断发展，自动化技术逐渐向网络化与信息化方向发展，网络控制系统(NCS)应运而生，其应用范围也越来越广，尤其在近年，网络控制在电机、航空航天等领域均得到了广泛关注。与传统点对点控制相比，NCS主要优点是连线少、易于实现资源共享和远程操作、成本低和扩展与维护方便等。但是信息通过网络传输伴随着时延及丢包等不确定因素的产生，因而增加了系统分析与设计的难度。

在网络控制系统的研究中，关于网络诱导时延的补偿控制仍是一个热点问题。经过对国内外现有技术的检索发现，在文献An improved stabilization method for linear time-delaysystems(IEEE TRANSACTIONS ON AUTOMATIC CONTROL,2002,47(11):1931-1937)中，针对具有时变时延和参数不确定的线性网络控制系统，提出了基于LMI方法的状态反馈控制方法。在文献A robust control approach to stabilization of networked control systems with shorttime-varying delays(ACTA AUTOMATICA SINICA,2010,36(1):87-91)中，针对一类线性短时延网络控制系统提出了鲁棒控制方法，在系统不存在外界干扰的时候获得了良好的控制效果。在文献“单输入网络化控制系统的时延补偿滑模控制(系统工程与电子技术，2006,28(8):1237-1239)”中，采用状态预估与滑模控制相结合的方法设计了一种网络控制系统时延补偿方法，该方法可用于时延大于一个采样周期的情况。上述文献虽然有效地补偿了网络时延带来的影响，但均没有考虑系统未知干扰的影响，限制了其实际应用，在文献“一类不确定性网络控制系统的滑模控制器设计(控制与决策，2006,21(10):1197-1200)”中，针对具有不确定性和外界干扰的网络控制系统设计了一种滑模控制方法，该方法对系统不确定性和有界外干扰以及网络诱导时延均有较好的鲁棒性，但所设计方法是基于连续时间系统，且在建模假设中，忽略了传感器到控制器的时延，具有一定的保守性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种针对存在外界干扰的网络化伺服电机系统的基于干扰观测器的伺服电机网络化控制方法。

本发明的目的是这样实现的：

包括测量元件2、干扰观测器5、滑模控制器9和控制量缓存器10，测量元件2采集伺服电机的角位移和角速度，通过网络发送给干扰观测器5和滑模控制器9，干扰观测器5同时读取控制量缓存器10中储存的控制量历史值、估计出干扰大小并发送给滑模控制器9，滑模控制器9通过解算得到控制电压信号、并通过网络发送给伺服电机1形成伺服电机的闭环网络控制。

本发明还可以包括：

1、所述干扰观测器5包括滑模函数计算器6、滑模函数存储器7和干扰递推器8，滑模函数计算器6通过得到的伺服电机角位移和角速度以及控制量历史值，计算出滑模函数值，并储存在滑模函数存储器7中，然后干扰递推器8通过读取储存在滑模函数存储器7中的滑模函数值递推得到干扰估计值。

2、所述测量元件2包括电机角位移传感器3和电机角速度传感器4，分别用于测量伺服电机1的角位移和角速度。

本发明的优点在于针对存在外界干扰的伺服电机系统，通过网络连接实现了网络化控制，提高了系统的互操作性和灵活性等，且通过选取带历史控制输入的滑模函数，补偿了网络诱导时延，提高了系统的稳态性能，并通过干扰观测器的设计，实现了干扰的抑制，降低了系统抖振，提高了系统的动态性能。

附图说明

图1为基于干扰观测器的伺服电机网络化控制系统总体结构图；

图2为伺服电机角位移和角速度响应曲线图；

图3为伺服电机控制输入电压信号曲线图；

图4为滑模函数响应曲线图；

图5为外界干扰及其估计曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行更详细地描述，但本实施例以本发明技术方案为前提，并不用于限制本发明。

如图1所示，本发明的基于干扰观测器的伺服电机网络控制系统包括测量元件2、干扰观测器5、滑模控制器9和控制量缓存器10。

由于网络控制系统本质上是离散时间系统，因此首先将在一个采样周期T内积分可得系统离散方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{k+1}=\mathrm{\Φ}{x}_k+{\mathrm{\Γ}}_0{u}_k+{\mathrm{\Γ}}_1{u}_{k-1}+\mathrm{\Γ}{\mathrm{\ξ}}_k\\ y_k=C{x}_k\end{array}\right.$

其中：x∈Rⁿ是状态向量，u∈R是输入向量，y∈R是输出向量，Φ=e^AT，

A,B和C是连续系统系数矩阵，ξ_k表示系统的外部干扰，下标k表示第k个采样周期，即kT时刻。

测量元件2采集伺服电机的角位移θ(记为x₁)和角速度v(记为x₂)(系统状态记为x=[x₁   x₂]^T)，通过网络发送给干扰观测器5和滑模控制器9，干扰观测器5同时读取控制量缓存器10中储存的控制量历史值u_k-1，通过递推的方法得到干扰估计值

并发送给滑模控制器9，然后滑模控制器9通过解算得到控制电压信号u_k，并通过网络发送给伺服电机1，形成伺服电机的闭环网络控制系统。控制律设计为：

$u_k=-{\widehat{\mathrm{\ξ}}}_k-{\left(\mathrm{H\Γ}\right)}^{-1}[H(\mathrm{\Φ}-I)x_k+\mathrm{\λsat}\left(\frac{s_k}{\mathrm{\φ}}\right)]$

其中：H,λ,φ为控制器参数，I为单位阵，饱和函数为 $\mathrm{sat}\left(\frac{s_k}{\mathrm{\&phi;}}\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& s_k\&GreaterEqual;\mathrm{\&phi;}\\ \frac{s_k}{\mathrm{\&phi;}}& {|s}_k|<\mathrm{\&phi;}\\ -1& s_k\&le;-\mathrm{\&phi;}\end{array}\right..$

测量元件2包括电机角位移传感器3和电机角速度传感器4，分别用于测量伺服电机1的角位移θ(即x₁)和角速度v(即x₂)。

干扰观测器5包括滑模函数计算器6、滑模函数存储器7和干扰递推器8。滑模函数计算器6通过收到的伺服电机角位移θ和角速度v以及控制量历史值u_k-1，计算出滑模函数值s_k=Hx_k+HΓ₁u_k-1，并储存在滑模函数存储器7中，然后干扰递推器8通过读取储存在滑模函数存储器7中的滑模函数值递推得到干扰估计值，干扰估计律为：

${\widehat{\mathrm{\&xi;}}}_k={\widehat{\mathrm{\&xi;}}}_{k-1}+{\left(\mathrm{H\&Gamma;}\right)}^{-1}[s_k-s_{k-1}+\mathrm{\&lambda;sat}\left(\frac{s_{k-1}}{\mathrm{\&phi;}}\right)]$

其中：H,λ,φ为控制器参数，干扰估计初值为0，sat(□)为饱和函数。

本发明采用某伺服电机的数学模型进行仿真验证，该电机开环传递函数为

外界干扰为ξ(t)=0.5sin(2πt)，采样周期为T=10ms，最大网络诱导时延为τ=5ms，可通过在控制器和执行器端设置缓冲区使时延固定为5ms。系统初始状态为x₀=[1   1]^T，使用网络控制系统仿真平台TrueTime搭建该伺服系统的网络环境，其中网络类型选Ethernet，丢包率设为0。

离散化系统相关参数为：

$\mathrm{\&Phi;}=\left[\begin{array}{cc}1& 0.0091\\ 0& 0.8187\end{array}\right],$ ${\mathrm{\&Gamma;}}_0=\left[\begin{array}{c}0.0077\\ 3.0452\end{array}\right],$ ${\mathrm{\&Gamma;}}_1=\left[\begin{array}{c}0.0222\\ 2.7554\end{array}\right],$ $\mathrm{\&Gamma;}=\left[\begin{array}{c}0.0300\\ 5.8006\end{array}\right].$

控制器参数为：

H=[0.6  0.01]，λ=0.0015，φ=0.002。

仿真效果见图2-5。

通过对仿真曲线和数据分析后可以看出，在本发明的基于干扰观测器的滑模控制律作用下，系统状态克服了网络诱导时延和系统外界未知干扰的影响，快速地稳定到平衡点，且整个控制过程没有抖振。仿真结果表明，本发明通过滑模控制与干扰观测器相结合，使存在外界干扰的网络化伺服电机系统具有全局渐进收敛性，在补偿网络诱导时延的同时实现了干扰的抑制，提高了系统的动态性能和稳态精度。

Claims (3)

1.一种基于干扰观测器的伺服电机网络化控制方法，其特征是：包括测量元件(2)、干扰观测器(5)、滑模控制器(9)和控制量缓存器(10)，测量元件(2)采集伺服电机的角位移和角速度，通过网络发送给干扰观测器(5)和滑模控制器(9)，干扰观测器(5)同时读取控制量缓存器(10)中储存的控制量历史值、估计出干扰大小并发送给滑模控制器(9)，滑模控制器(9)通过解算得到控制电压信号、并通过网络发送给伺服电机(1)形成伺服电机的闭环网络控制。

2.根据权利要求1所述的基于干扰观测器的伺服电机网络化控制方法，其特征是：所述干扰观测器(5)包括滑模函数计算器(6)、滑模函数存储器(7)和干扰递推器(8)，滑模函数计算器(6)通过得到的伺服电机角位移和角速度以及控制量历史值，计算出滑模函数值，并储存在滑模函数存储器(7)中，然后干扰递推器(8)通过读取储存在滑模函数存储器(7)中的滑模函数值递推得到干扰估计值。

3.根据权利要求1或2所述的基于干扰观测器的伺服电机网络化控制方法，其特征是：所述测量元件(2)包括电机角位移传感器(3)和电机角速度传感器(4)，分别用于测量伺服电机(1)的角位移和角速度。

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