CN116470802A - 一种振镜电机系统的抗干扰复合控制策略 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种振镜电机系统的抗干扰复合控制策略，包括根据振镜电机系统的电流环中位置角控制器传输的模拟信号与振镜反馈的模拟信号之间的误差信号，通过电流环控制器的PID算法进行电流矫正；建立振镜电机系统的动态数学模型，确定由参数不确定性和外部引起的扰动项；在位置环控制中设计有限时间状态观测器来估计振镜电机系统中的扰动项；根据振镜电机系统在位置环控制设计二阶超螺旋滑模控制器；将二阶超螺旋滑模控制其和有限时间状态观测器相结合。本发明通过设计控制器结合了超螺旋滑膜控制器和一个有限时间扩张状态观测器，解决对匹配不确定性的过高估计，提高滑模控制中滑动变量的收敛性。

Description

一种振镜电机系统的抗干扰复合控制策略

技术领域

本发明涉及振镜电机控制系统技术领域，具体为一种振镜电机系统的抗干扰复合控制策略。

背景技术

振镜电机的一种通过控制电流大小来控制偏转角度的一致电机，振镜的基本原理是通电线圈在磁场中产生力矩,但与旋转电机不同,其转子上通过机械纽簧或电子的方法加有复位力矩,大小与转子偏离平衡位置的角度成正比,当线圈通以一定的电流而转子发生偏转到一定的角度时,电磁力矩与回复力矩大小相等,故不能像普通电机一样旋转,只能偏转,偏转角与电流成正比,与电流计一样,在工业、医疗等行业应用很广。振镜电机的控制策略主要分为：模糊PID控制、自抗扰控制、滑膜控制、神经网络控制，其中模糊PID控制是目前国内外研究和应用较多的振镜电机控制策略。基于三闭环控制策略的数字式振镜电机控制系统，基于滑膜控制器的控制方案，完成振镜系统的高速与高精度运行。

为了在振镜电机控制系统运行过程中实现对位置的高精度控制，高性能的振镜电机控制系统必须具有良好的动态速度跟踪性能和抗扰动能力。在传统的振镜电机控制系统中通常采用PI(比例积分)控制器来对电机进行控制，但是，由于未建模的动力学中参数、摩擦力和负载等变化因素，使得振镜电机控制系统中存在着大量的干扰和不确定性，而PI(比例积分)控制的启动响应速度慢，抗干扰能力差，很难迅速地限制这些干扰，维持电机的稳定运转。为解决上述问题，复合控制已逐渐成为振镜电机控制领域的研究热点，该控制技术优点是系统存在外界干扰的情况下依然表现出良好的抗扰动特性和较好的转速收敛特性。

而目前在通过复合控制的方法控制振镜电机的运行过程中，外界扰动仍会会影响控制系统的快速性和稳定性，若控制器不考虑相应的前馈控制设计对闭环系统进行补偿，则会造成闭环系统的性能下降。

为此，提出一种振镜电机系统的抗干扰复合控制策略。

发明内容

本发明的目的在于提供一种振镜电机系统的抗干扰复合控制策略，以解决上述背景技术中提出的外界扰动仍会会影响控制系统的快速性和稳定性，若控制器不考虑相应的前馈控制设计对闭环系统进行补偿，则会造成闭环系统的性能下降的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种振镜电机系统的抗干扰复合控制策略，步骤1：根据振镜电机系统的电流环中位置角控制器传输的模拟信号与振镜反馈的模拟信号之间的误差信号，通过电流环控制器的PID算法进行电流矫正；

步骤2：建立振镜电机系统的动态数学模型，确定由参数不确定性和外部引起的扰动项；

步骤3：在位置环控制中设计有限时间状态观测器来估计振镜电机系统中的扰动项；

步骤4：根据振镜电机系统在位置环控制设计二阶超螺旋滑模控制器；

步骤5：将二阶超螺旋滑模控制其和有限时间状态观测器相结合。

优选的，所述步骤1中给出功率放大器的传递函数如下：

G_p＝K_a

所述PID算法如下：

式中，K_a为比例系数，K_i为积分系数，K_d为微分系数。

优选的，所述步骤2建立振镜电机的动态数学模型

其中，θ为电机位置角度，K_i为振镜电机扭矩常数，K_e反电动势常数，J为转动惯量，L为电感，R_a为电阻，U_a为振镜电机控制电压，T_e为反电动势常数；

由于振镜电机的电感相比于电阻，电感值过小，所以令电感指为零得到

优选的，令考虑到忽略电感等造成的系统模型的不准确性，令b₀为b的估计值，b₁为其补偿值。此外，令/>f₀为系统内部扰动/>f₁为系统外部扰动，f＝f₀+f₁为系统总扰动，其中：

a、设计控制器令x₁＝θ，把方程改写为如下状态方程式：

b、考虑总扰动f，令x₃＝f，将扩展成如下状态方程式：

c、考虑振镜电机系统受到內部扰动和外部扰动，根据b所得的状态方程，设计连续有限时间状态观测器来估计总扰动f，得到如下状态方程式：

其中，为x₁的观测误差，/>为位置环角度输出观测，/>β₁＞0，β₂＞0，β₃＞0,/>sig^p(x)＝diag[|x₁|^psgn(x₁),...,|x_n|^psgn(x_n)]^T,p≥0,sgn(·)为符号函数。

优选的，所述步骤4中设计二价超螺旋滑模控制器，具体包括以下步骤：

S1、设计线性滑模面，见如下状态方程式

s＝c_oe₁+e₂

其中，θ_d为振镜电机期望位置角度；

S2、设计超螺旋控制算法，见如下状态方程式

其中，k₁、k₂、k₃均为大于0的控制器增益。

优选的，所述步骤5中二阶超螺旋滑模控制其和有限时间状态观测器相结合，具体包括以下步骤

Sa、结合设计控制器所得状态方程式、计线性滑模面所得状态方程式和设计超螺旋控制算法所得状态方程式得出如下系统控制律方程式：

Sb、结合估计总扰动f的状态方程式和系统控制律方程式得到系统位置环控制器实际输出控制律方程式,见下式：

本发明在另一方面提出一种技术方案，一种振镜电机系统的抗干扰复合控制系统，所述系统包括：振镜电机系统、电流传感器、位置传感器、有限时间状态观测器和二价超螺旋滑模控制器；

所述位置传感器和电流电传感器均安装在振镜电机电流环输出端，通过位置传感器和电流传感器采样用来反馈振镜电机的位置θ和电流i；

所述有限时间状态观测器用于接受反馈振镜电机的位置θ和电流i，同时输出扰动估计值以及位置偏差量作为二价超螺旋滑模控制器的输入，利用前馈补偿技术，输出控制电压u以驱动振镜电机运行。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明通过设计控制器结合了超螺旋滑膜控制器和一个有限时间扩张状态观测器来处理振镜电机驱动控制系统中位置跟踪收敛及转速快速响应不够快和抗干扰性能弱的问题；一方面通过有限时间扩张状态观测器来估计了系统的集总扰动，另一方面，通过将传统的滑膜控制器转换为一种新型的超螺旋控制器，解决对匹配不确定性的过高估计，提高滑模控制中滑动变量的收敛性。

2、本发明通过在超螺旋算法和标准超螺旋转算法结构中建立了一个内部反馈机制，从而有效地调节滑动变量的动态行为，内部反馈产生的阻尼效应可以抑制超调，提高滑动变量的快速收敛性能，解决对匹配不确定性的过高估计，减弱抖振,从而有效地调节滑动变量的动态行为，内部反馈产生的阻尼效应可以抑制超调，提高滑动变量的快速收敛性能。此外，自适应增益计划可以在不知道不确定性上界的情况下有效地降低颤振振幅。对低速直流伺服系统进行了数值模拟和实验，验证了该方法的有效性和性能优势。

综上所述，本发明通过结构简洁、计算复杂度低的抗干扰复合控制弥补了传统的PMSM调速系统中动态跟踪性能和抗扰性性能的不足。

附图说明

图1为本发明的整体的流程框图；

图2为本发明整体控制框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1至图2，本发明提供一种振镜电机系统的抗干扰复合控制策略的技术方案：

一种振镜电机系统的抗干扰复合控制策略，具体包括

步骤1：根据振镜电机系统的电流环中位置角控制器传输的模拟信号与振镜反馈的模拟信号之间的误差信号，通过电流环控制器的PID算法进行电流矫正；

其中，给出功率放大器的传递函数如下：

G_p＝K_a

所述PID算法如下：

式中，K_a为比例系数，K_i为积分系数，K_d为微分系数。

本发明为了满足振镜控制系统在小型高速移动目标跟中保持高精度、高响应和高稳定性能。对振镜电机进行双闭环控制。

步骤2：建立振镜电机系统的动态数学模型，确定由参数不确定性和外部引起的扰动项；其中，

振镜电机的动态数学模型

其中，θ为电机位置角度，K_i为振镜电机扭矩常数，K_e反电动势常数，J为转动惯量，L为电感，R_a为电阻，U_a为振镜电机控制电压，T_e为反电动势常数；

由于振镜电机的电感相比于电阻，电感值过小，所以令电感指为零得到

以电流环作为振镜控制系统内环，位置环作为外环。电流环主要功能是来提高振镜控制系统的响应能力；位置环主要功能是消除振镜系统的稳态误差，增强其抗干扰能力和跟踪精度。在电流环设计PID算法对电流模拟信号进行矫正。

步骤3：在位置环控制中设计有限时间状态观测器来估计振镜电机系统中的扰动项；

令考虑到忽略电感等造成的系统模型的不准确性，令b₀为b的估计值，b₁为其补偿值。此外，令/>f₀为系统内部扰动/>f₁为系统外部扰动，f＝f₀+f₁为系统总扰动，其中：

a、设计控制器令x₁＝θ，把方程改写为如下状态方程式：

b、考虑总扰动f，令x₃＝f，将扩展成如下状态方程式：

c、考虑振镜电机系统受到內部扰动和外部扰动，根据b所得的状态方程，设计连续有限时间状态观测器来估计总扰动f，得到如下状态方程式：

其中，为x₁的观测误差，/>为位置环角度输出观测，/>β₁＞0，β₂＞0，β₃＞0,/>sig^p(x)＝diag[|x₁|^p sgn(x₁),...,|x_n|^p sgn(x_n)]^T,p≥0,sgn(·)为符号函数。

步骤4：根据振镜电机系统在位置环控制设计二阶超螺旋滑模控制器；

设计二价超螺旋滑模控制器，具体包括以下步骤：

S1、设计线性滑模面，见如下状态方程式

s＝c_oe₁+e₂

其中，θ_d为振镜电机期望位置角度；

S2、设计超螺旋控制算法，见如下状态方程式

其中，k₁、k₂、k₃均为大于0的控制器增益。

步骤5：将二阶超螺旋滑模控制其和有限时间状态观测器相结合；

Sa、结合设计控制器所得状态方程式、计线性滑模面所得状态方程式和设计超螺旋控制算法所得状态方程式得出如下系统控制律方程式：

Sb、结合估计总扰动f的状态方程式和系统控制律方程式得到系统位置环控制器实际输出控制律方程式,见下式：

在位置环通过结合有限时间状态观测器和二阶超螺旋滑模控制器的复合控制方法，该技术方案通过有限时间状态观测器对外部扰动和内部扰动进行观测，得到系统扰动的估计值，并将得到的估计值补偿到输入端对系统进行前馈控制，然后采用二阶超螺旋滑模控制器来减弱系统抖振，提高了系统的位置控制精度、快速性、抗扰动性能。

综上所述本方案与传统的滑模控制器相比，带有限时间扩展状态观测器的二阶滑模控制体现出的优势表现为：

1.滑模控制通常选择一个线性的滑动超平面，对振镜电机系统具有优良的控制性能，但是在传统的振镜滑模控制中，状态轨迹到达滑模面后，几乎无法严格按照滑模面向着平衡点滑动，而是在其两侧来回穿越，由此产生颤动即抖振，容易造成控制量的抖振影响系统的控制性能。而本发明中超螺旋算法在标准超螺旋转算法结构中建立了一个内部反馈机制，从而有效地调节滑动变量的动态行为。内部反馈产生的阻尼效应可以抑制超调，提高滑动变量的快速收敛性能，解决对匹配不确定性的过高估计，减弱抖振。

2.当振镜电机到达指定位置后，给系统一个外部力矩后普通滑模控制虽然能最终恢复到稳定状态，但是具有一定迟滞性。而本方案中加入了有限时间状态观测器，当有外力干扰时估计有限时间内的未知干扰能及时补偿到控制中，本发明中的有限时间扩展状态该观测器可以比现有的有限时间扩张状态观测器更快地估计未知干扰。本发明中有限时间扩展状态观测器结构更简洁，需要设计的参数更少，且不牺牲估计性能可以快速恢复到稳定值，提高了吊车系统的动态响应特性和抗干扰能力。

一种振镜电机系统的抗干扰复合控制系统，所述系统包括：振镜电机系统、电流传感器、位置传感器、有限时间状态观测器和二价超螺旋滑模控制器；

所述位置传感器和电流电传感器均安装在振镜电机电流环输出端，通过位置传感器和电流传感器采样用来反馈振镜电机的位置θ和电流i；

所述有限时间状态观测器用于接受反馈振镜电机的位置θ和电流i，同时输出扰动估计值以及位置偏差量作为二价超螺旋滑模控制器的输入，利用前馈补偿技术，输出控制电压u以驱动振镜电机运行。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种振镜电机系统的抗干扰复合控制策略，其特征在于,具体包括以下步骤：

步骤1：根据振镜电机系统的电流环中位置角控制器传输的模拟信号与振镜反馈的模拟信号之间的误差信号，通过电流环控制器的PID算法进行电流矫正；

步骤2：建立振镜电机系统的动态数学模型，确定由参数不确定性和外部引起的扰动项；

步骤3：在位置环控制中设计有限时间状态观测器来估计振镜电机系统中的扰动项；

步骤4：根据振镜电机系统在位置环控制设计二阶超螺旋滑模控制器；

步骤5：将二阶超螺旋滑模控制其和有限时间状态观测器相结合。

2.根据权利要求1所述的一种振镜电机系统的抗干扰复合控制策略，其特征在于：所述步骤1中给出功率放大器的传递函数如下：

G_p＝K_a

所述PID算法如下：

式中，K_a为比例系数，K_i为积分系数，K_d为微分系数。

3.根据权利要求1所述的一种振镜电机系统的抗干扰复合控制策略，其特征在于：所述步骤2建立振镜电机的动态数学模型

其中，θ为电机位置角度，K_i为振镜电机扭矩常数，K_e反电动势常数，J为转动惯量，L为电感，R_a为电阻，U_a为振镜电机控制电压，T_e为反电动势常数；

由于振镜电机的电感相比于电阻，电感值过小，所以令电感指为零得到

4.根据权利要求3所述的一种振镜电机系统的抗干扰复合控制策略，其特征在于：令考虑到忽略电感等造成的系统模型的不准确性，令b₀为b的估计值，b₁为其补偿值。此外，令/>f₀为系统内部扰动/>f₁为系统外部扰动，f＝f₀+f₁为系统总扰动，其中：

a、设计控制器令x₁＝θ，把方程改写为如下状态方程式：

b、考虑总扰动f，令x₃＝f，将扩展成如下状态方程式：

c、考虑振镜电机系统受到內部扰动和外部扰动，根据b所得的状态方程，设计连续有限时间状态观测器来估计总扰动f，得到如下状态方程式：

其中，为x₁的观测误差，/>为位置环角度输出观测，/>β₁＞0，β₂＞0，β₃＞0,/>sig^p(x)＝diag[|x₁|^psgn(x₁),...,|x_n|^psgn(x_n)]^T,p≥0,sgn(·)为符号函数。

5.根据权利要求1所述的一种振镜电机系统的抗干扰复合控制策略，其特征在于：所述步骤4中设计二价超螺旋滑模控制器，具体包括以下步骤：

S1、设计线性滑模面，见如下状态方程式

s＝c_oe₁+e₂其中，θ_d为振镜电机期望位置角度；

S2、设计超螺旋控制算法，见如下状态方程式

其中，k₁、k₂、k₃均为大于0的控制器增益。

6.根据权利要求1所述的一种振镜电机系统的抗干扰复合控制策略，其特征在于：所述步骤5中二阶超螺旋滑模控制其和有限时间状态观测器相结合，具体包括以下步骤

Sa、结合设计控制器所得状态方程式、计线性滑模面所得状态方程式和设计超螺旋控制算法所得状态方程式得出如下系统控制律方程式：

Sb、结合估计总扰动f的状态方程式和系统控制律方程式得到系统位置环控制器实际输出控制律方程式,见下式：

7.一种基于权利要求1-6任一项所述振镜电机系统的抗干扰复合控制策略的抗干扰复合控制系统，其特征在于：所述系统包括：振镜电机系统、电流传感器、位置传感器、有限时间状态观测器和二价超螺旋滑模控制器；

所述位置传感器和电流电传感器均安装在振镜电机电流环输出端，通过位置传感器和电流传感器采样用来反馈振镜电机的位置θ和电流i；

所述有限时间状态观测器用于接受反馈振镜电机的位置θ和电流i，同时输出扰动估计值以及位置偏差量作为二价超螺旋滑模控制器的输入，利用前馈补偿技术，输出控制电压u以驱动振镜电机运行。