CN110086400A - 一种机电伺服系统非线性变增益控制方法和系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种机电伺服系统非线性变增益控制系统，该控制系统由控制驱动器和被控对象两部分组成，所述被控对象包括依次顺序连接的伺服电机、作动器以及喷管，伺服电机分别连接电流传感器和旋转变压器，作动器连接旋转变压器。本申请还提供一种控制方法，包括位置环控制方法、速度环控制方法以及电流环控制方法三部分。本发明可以大大提高机电伺服控制的控制精度，提高负载非线性特性的适应度，降低了系统振荡。

Description

一种机电伺服系统非线性变增益控制方法和系统

技术领域

本发明涉及机电伺服系统控制技术领域，尤其涉及一种机电伺服系统非线性变增益控制方法和系统。

背景技术

随着现今电力电子水平不断的提高，机电伺服系统以其高精度、高稳定性以及较好的测试性和维护性，被广泛应用在航天伺服领域中，成为了不可或缺的重要方案之一。然而，目前对机电伺服系统的控制主要是对伺服电机的位置环和速度环进行PID恒定参数调节，这种调节方式虽然可以实现对伺服电机的控制，但是控制精度低，负载适应性低，稳定性差，不能满足较为复杂的航天伺服负载系统的使用。

采用PI线性控制方程，但线性开关线方程并不一定是最佳的，导致被控对象要经过多次反复切换才能收敛于原点，从而产生抖振问题。

由机电伺服系统和负载系统组成综合系统中的摩擦会影响机电伺服系统的控制精度，甚至严重降低机电伺服系统的性能，并且摩擦力的表现形式较为复杂，普通的PID恒定参数控制方法中由于控制增益过高或过低可能导致其存在一定的抖振现象，影响实际应用，这已成了急需解决的技术问题。

发明内容

本发明公开一种机电伺服系统非线性变增益控制方法和系统，通过采用“位置环”、“速度坏”及“电流环”的“三环”控制方式，同时作用以改善系统的精度。在以上“三环”控制的“位置环”中采用了“PID调节器+性能补偿+陷波滤波动态补偿”的控制方法，“速度环”采用了PI调节器，“电流环”采用PI调节器结合反电势补偿及电阻补偿的控制方法。

本申请是通过如下技术方案实现的：

一种机电伺服系统非线性变增益控制系统，该控制系统由控制驱动器和被控对象两部分组成，

所述被控对象包括依次顺序连接的伺服电机、作动器以及喷管，伺服电机分别连接电流传感器和旋转变压器，作动器连接旋转变压器；

所述控制驱动器包括位置环控制单元、速度环控制单元、电流环控制单元以及第一积分器、第二积分器和第三积分器；

位置环控制单元通过第二积分器与速度环控制单元相连，速度环控制单元通过第三积分器与电流环控制单元相连；

所述位置环控制单元包括位置环PID、陷波滤波器、旋变转换系数、性能补偿环节，所述旋变转换系数与所述旋转变压器相连，性能补偿环节的输出与第一积分器的一路输入相连；

依次顺序连接的位置环PID和陷波滤波器与依次顺序连接的旋变转换系数和性能补偿环节共同构成了位置环主闭环。

进一步的，所述旋转变压器的输出端与第二积分器的一路输入相连。

进一步的，所述位置环控制单元经由第一积分器接收来自外部的总线控制指令给定输入，并向外部输出线位移摆角输出和线位移输出。

进一步的，所述电流传感器的输出端与第三积分器的一路输入相连。

进一步的，所述电流环控制单元的输出端连接所述被控对象中的所述伺服电机。

一种机电伺服系统非线性变增益控制方法，应用于如权利要求1至5之一所述的控制系统中，该控制方法包括位置环控制方法、速度环控制方法以及电流环控制方法三部分，

所述位置环控制方法具体包括：所述位置环控制单元采用伺服电机的旋转变压器作为位移反馈测量元件，参与位置环闭环控制，由旋转变压器测量得到电机转角，经减速比、丝杠导程折算后得到线位移值L，并将计算得到的线位移值输入旋变转换系数G₅；

所述速度环控制方法具体包括：伺服电机转速由旋转变压器解码后的角度值经微分后得到转速ω，并转换单位量纲为rpm后输入速度环PI，用于电机转速闭环控制；

所述电流环控制方法具体包括：I_q和I_d电流控制指令与反馈量得到的误差经电流控制器调整后，经Park反变换驱动电机，电机相电流经Clarke-Park变换后得到I_q和I_d作为电流反馈量，电流环控制单元采用PI调节器G₄，结合反电势补偿及电阻补偿的控制方法，闭环控制周期0.1ms。

进一步的，所述旋转变压器采用14位解码方式，所述线位移值采用如下公式计算：

其中，丝杠导程P_h、减速比n_c和旋变测量输入δ为已知量。

进一步的，位置环PID采用PID调节器G₁，闭环周期1ms，PID调节器G₁的传递函数采用如下公式计算：

其中位置环PID的输入量为总线控制指令θ，量纲为°，位置环PID的输出为速度环控制单元的输入ω，量纲为rpm；

所述转速ω采用如下公式计算：

其中转速ω的量纲为rpm，δ_t为本采样周期的旋变解码数，δ_t-1为上一采样周期的旋变解码数，dt为采样时间，量纲为s。

进一步的，速度环控制单元采用PI调节器G₃，闭环控制周期1ms，PI调节器G₃的传递函数采用如下公式计算：

速度环控制输入量为位置环输出ω，量纲为rpm，速度环控制器输出为电流环的输入I，量纲为A；

速度环比例系数采用非线性变增益控制方式，以位置环误差作为判别条件，速度环比例系数采用如下公式计算：

其中，E_p为位置环误差、K为速度环比例增益系数(基准系数)、K_pvd为速度环比例增益下限、K_pvu为速度换比例增益上限；

第二积分器为带有积分误差开关和饱和限幅的积分器，当速度误差|E_v|＜E_v0时积分器开启，积分器达到饱和限幅值后停止积分并保持积分器输出值。

进一步的，所述PI调节器G₄的传输函数采用如下公式计算：

电流环控制输入量为速度环控制输出I，量纲为A，电流环控制器输出为电机控制电压U，量纲为v。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)本发明给出了运载火箭用机电伺服系统速度闭环非线性变增益速度闭环控制方法，并成功应用于某型固体运载火箭上。提高机电伺服控制的控制精度，提高负载非线性特性的适应度，降低了系统振荡；

2)本发明可以大大提高机电伺服控制的控制精度，提高负载非线性特性的适应度，降低了系统振荡。

附图说明

图1为本发明的机电伺服系统非线性变增益控制系统的组成结构框图；

图2为本发明的机电伺服系统非线性变增益控制系统的功能组成框图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

下面将结合附图和实例对本发明作进一步的详细说明。

通过采用“位置环”、“速度环”及“电流环”的“三环”控制方式，同时为改善系统的精度，在以上“三环”控制的“位置环”中采用了“PID调节器+性能补偿+陷波滤波动态补偿”的控制方法，“速度环”采用了PI调节器，“电流环”采用PI调节器结合反电势补偿及电阻补偿的控制方法。

在位置环PID后增加陷波滤波器抑制综合谐振峰值，并综合考虑陷波环节对相位的影响，使其既起到抑制谐振的作用，同时在中频段不致引起过大的相位滞后，进而提高开环增益，改善系统的动态特性。通过仿真分析，伺服系统控制特性可满足动态特性需求。速度环采用PI调节器，其中比例控制部分中的比例系数采用非线性变增益控制方式，可以有针对性的对应负载非线性进行调整，实现机电伺服系统全任务周期的稳定和可靠。

图1为本发明的机电伺服系统非线性变增益控制系统的组成结构框图。

该机电伺服系统非线性变增益控制系统由控制驱动器和被控对象两部分组成，

所述控制驱动器包括位置环控制单元、速度环控制单元、电流环控制单元以及第一积分器、第二积分器和第三积分器；

位置环控制单元通过第二积分器与速度环控制单元相连，速度环控制单元通过第三积分器与电流环控制单元相连；

所述被控对象包括依次顺序连接的伺服电机、作动器以及喷管，伺服电机分别连接电流传感器和旋转变压器，作动器连接旋转变压器；

所述位置环控制单元包括位置环PID、陷波滤波器、旋变转换系数、性能补偿环节，所述旋变转换系数与所述旋转变压器相连，性能补偿环节的输出与第一积分器的一路输入相连；

依次顺序连接的位置环PID和陷波滤波器与依次顺序连接的旋变转换系数和性能补偿环节共同构成了位置环主闭环；

所述旋转变压器的输出端与第二积分器的一路输入相连；

所述位置环控制单元经由第一积分器接收来自外部的总线控制指令给定输入，并向外部输出线位移摆角输出和线位移输出；

所述电流传感器的输出端与第三积分器的一路输入相连；

所述电流环控制单元的输出端连接所述被控对象中的所述伺服电机。

图2为本发明的机电伺服系统非线性变增益控制系统的功能组成框图。

机电伺服系统非线性变增益控制系统通过采用“位置环”、“速度环”及“电流环”的“三环”控制方式，同时为改善系统的精度，在以上“三环”控制的“位置环”中采用了“PID调节器+性能补偿+陷波滤波动态补偿”的控制方法，“速度环”采用了PI调节器，“电流环”采用PI调节器结合反电势补偿及电阻补偿的控制方法。

(1)位置环控制

位置环主闭环采用旋变测量换算得到线位移，在经过性能补偿环节调整量纲后，作为闭环反馈量，参与闭环控制，旋转变压器测量值作为寻零和测量使用。

性能补偿环节中的系数G₆采用三阶多项式计算，该系数为初始参数，实际使用参数需根据负载特性和使用工况进行参数修订。

采用伺服电机的旋转变压器作为位移反馈测量元件，充当了通常旋转变压器的作用，参与位置环闭环控制，由旋转变压器测量得到电机转角，经减速比、丝杠导程折算后得到线位移值L(单位mm)，并将计算得到的线位移值输入旋变转换系数G₅。

所述旋转变压器采用14位解码方式，所述线位移值采用如下公式(1)计算：

其中，丝杠导程P_h、减速比n_c和旋变测量输入δ为已知量。

上述旋转变压器所采用的14位解码方式，即16384(即2¹⁴)码对应电机转子转一周，即360°转角。

位置环PID采用PID调节器G₁，闭环周期1ms。PID调节器G₁的传递函数采用如下公式(3)：

其中位置环PID的输入量为总线控制指令θ，量纲为°，位置环PID的输出为速度环控制单元的输入ω，并设置限幅值ω_m，ω_m为位置环输出ω的最大限制值，为一设定值，为公式(3)的约束条件ω≤ω_m，量纲为rpm；

(2)速度环控制

伺服电机转速由旋转变压器解码后的角度值经微分后得到转速，并转换单位量纲为rpm后输入速度环PI，用于电机转速闭环控制，转速ω采用如下公式计算：

其中ω为转速，量纲为rpm，δ_t为本采样周期的旋变解码数，δ_t-1为上一采样周期的旋变解码数，dt为采样时间，量纲为s。

速度反馈量由旋变反馈转角差分得到。速度环控制单元采用PI调节器G₃，闭环控制周期1ms；PI调节器G₃的传递函数采用如下公式计算：

速度环控制输入量为位置环输出ω，量纲为rpm，速度环控制器输出为电流环的输入I，量纲为A；

其中，速度环比例系数采用非线性变增益控制方式，以位置环误差作为判别条件，速度环比例系数采用如下公式计算：

其中，E_p为位置环误差、K为速度环比例增益系数(基准系数)、K_pvd为速度环比例增益下限、K_pvu为速度换比例增益上限。

第二积分器为带有积分误差开关和饱和限幅的积分器。当速度误差|E_v|＜E_v0，E_v为经伺服电机旋转变压器测量得到速度值与速度环输入速度值之差(简称速度误差)，E_v0为预先设定的速度误差的最大值，时积分器开启，积分器达到饱和限幅值后停止积分并保持积分器输出值。

(3)电流环控制：

I_q和I_d电流控制指令与电流反馈量得到的误差经电流控制器调整后，经Park反变换驱动电机，所述电流反馈量为电机相电流经Clarke-Park变换后得到I_q和I_d作为电流反馈量。

电流环控制单元采用PI调节器G₄，结合反电势补偿及电阻补偿的控制方法，闭环控制周期0.1ms；PI调节器G₄的传输函数采用如下公式计算：

电流环控制输入量为速度环控制输出I，量纲为A，电流环控制器输出为电机控制电压U，量纲为v。

本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件完成，所述程序可以存储于计算机可读存储介质中，如只读存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现，相应地，上述实施例中的各模块/单元可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。本发明不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。

需要说明的是，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种机电伺服系统非线性变增益控制系统，该控制系统由控制驱动器和被控对象两部分组成，其特征在于：

所述被控对象包括依次顺序连接的伺服电机、作动器以及喷管，伺服电机分别连接电流传感器和旋转变压器，作动器连接旋转变压器；

所述控制驱动器包括位置环控制单元、速度环控制单元、电流环控制单元以及第一积分器、第二积分器和第三积分器；

位置环控制单元通过第二积分器与速度环控制单元相连，速度环控制单元通过第三积分器与电流环控制单元相连；

所述位置环控制单元包括位置环PID、陷波滤波器、旋变转换系数、性能补偿环节，所述旋变转换系数与所述旋转变压器相连，性能补偿环节的输出与第一积分器的一路输入相连；

依次顺序连接的位置环PID和陷波滤波器与依次顺序连接的旋变转换系数和性能补偿环节共同构成了位置环主闭环。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述旋转变压器的输出端与第二积分器的一路输入相连。

3.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述位置环控制单元经由第一积分器接收来自外部的总线控制指令给定输入，并向外部输出线位移摆角输出和线位移输出。

4.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述电流传感器的输出端与第三积分器的一路输入相连。

5.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述电流环控制单元的输出端连接所述被控对象中的所述伺服电机。

6.一种机电伺服系统非线性变增益控制方法，应用于如权利要求1至5之一所述的控制系统中，该控制方法包括位置环控制方法、速度环控制方法以及电流环控制方法三部分，其特征在于：

所述位置环控制方法具体包括：所述位置环控制单元采用伺服电机的旋转变压器作为位移反馈测量元件，参与位置环闭环控制，由旋转变压器测量得到电机转角，经减速比、丝杠导程折算后得到线位移值L，并将计算得到的线位移值输入旋变转换系数G₅；

所述速度环控制方法具体包括：伺服电机转速由旋转变压器解码后的角度值经微分后得到转速ω，并转换单位量纲为rpm后输入速度环PI，用于电机转速闭环控制；

所述电流环控制方法具体包括：I_q和I_d电流控制指令与反馈量得到的误差经电流控制器调整后，经Park反变换驱动电机，电机相电流经Clarke-Park变换后得到I_q和I_d作为电流反馈量，电流环控制单元采用PI调节器G₄，结合反电势补偿及电阻补偿的控制方法，闭环控制周期0.1ms。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述旋转变压器采用14位解码方式，所述线位移值采用如下公式计算：

其中，丝杠导程P_h、减速比n_c和旋变测量输入δ为已知量。

8.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于：

位置环PID采用PID调节器G₁，闭环周期1ms，PID调节器G₁的传递函数采用如下公式计算：

其中位置环PID的输入量为总线控制指令θ，量纲为°，位置环PID的输出为速度环控制单元的输入ω，量纲为rpm；

所述转速ω采用如下公式计算：

其中转速ω的量纲为rpm，δ_t为本采样周期的旋变解码数，δ_t-1为上一采样周期的旋变解码数，dt为采样时间，量纲为s。

9.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于：

速度环控制单元采用PI调节器G₃，闭环控制周期1ms，PI调节器G₃的传递函数采用如下公式计算：

速度环控制输入量为位置环输出ω，量纲为rpm，速度环控制器输出为电流环的输入I，量纲为A；

速度环比例系数采用非线性变增益控制方式，以位置环误差作为判别条件，速度环比例系数采用如下公式计算：

其中，E_p为位置环误差、K为速度环比例增益系数(基准系数)、K_pvd为速度环比例增益下限、K_pvu为速度换比例增益上限；

第二积分器为带有积分误差开关和饱和限幅的积分器，当速度误差|E_v|＜E_v0时积分器开启，积分器达到饱和限幅值后停止积分并保持积分器输出值。

10.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于：

所述PI调节器G₄的传输函数采用如下公式计算：

电流环控制输入量为速度环控制输出I，量纲为A，电流环控制器输出为电机控制电压U，量纲为v。