[发明专利]带有动态摩擦补偿的伺服系统自适应鲁棒控制器

说明书

技术领域

本发明涉及鲁棒控制技术领域，尤其涉及一种带有动态摩擦补偿的伺服系统自适应鲁棒控制器。

背景技术

对于有接触运动的伺服系统，摩擦是影响其精度与响应速度的一个重要因素。因受摩擦力的影响，伺服系统在低速运动时输出速度常会不平稳，甚至出现滞滑现象。影响伺服系统的另一个重要因素是外部扰动。在扰动作用下，伺服系统的精度会下降。因此，为提高伺服系统的精度与快速性，其控制器既要实现对摩擦的补偿，又要克服外部扰动对系统的影响。

为消除摩擦力与扰动对电机性能的影响，Teeter J T等人在一种提高直流电机控制系统性能的新型模糊摩擦补偿方法(A novel fuzzy frictioncompensation approach to improve the performance of a DC motor controlsystem[J].IEEE Trans on Industrial Electronics，1996，43(1)：113-120.)的文献中设计了启发式的模糊逻辑控制器，以提高直流电机的控制性能。然而，该方法采用固定的模糊模型，缺乏自适应能力，因此仅对特定对象有效。

为使控制器能适应不同的电机伺服系统，并减少对摩擦模型先验知识的依赖，公开号为CN1974325A的专利提出了一种基于最小二乘估计的自适应摩擦补偿控制器。该方法采用离散最小二乘算法对摩擦模型进行在线辨识，并据此对摩擦力进行补偿。然而，该方法虽然采用在线辨识技术提高了控制器的适应能力，但并没有考虑到伺服系统的闭环稳定性，当参数设置与实际对象不匹配时系统将出现不稳定的震荡现象。

为了加快自适应摩擦补偿器的参数调整速率，名称为直线电机伺服系统的自适应模糊摩擦补偿(电机与控制学报，Vol.13，No.1，154-160，2009)的文献提出了一种基于复合自适应律的模糊摩擦补偿方法。虽然该方法不仅具有摩擦模型在线估计能力，还具有较快的参数调整速率，但其模糊模型往往具有较多的未知参数，因而大大增加了控制器复杂度。

现有的伺服系统控制器的摩擦补偿模块一般采用简化的非线性摩擦模型，如：库仑摩擦模型、库仑加滑动摩擦模型或Stribeck模型等。然而，实际的摩擦具有更复杂的非线性特性与动态特性，采用简化的摩擦模型难以描述真实的摩擦特性，故难以对电机伺服系统的摩擦力实现精确补偿。此外，一般的伺服系统控制器不能保证存在有界扰动时系统的控制性能。因此目前的伺服系统控制器往往不能满足伺服系统高精度与快速响应的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种带有动态摩擦补偿的伺服系统自适应鲁棒控制器。该控制器针对不同工作环境下(如：润滑状况，温度，气压的差异等)摩擦模型的变化，运用自适应算法对摩擦进行估计与补偿，并抑制外部扰动对系统性能的影响，从而提高伺服系统的输出跟踪精度与响应快速性。特别适用于要求精度高、响应快速的精密电机伺服系统。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种带有动态摩擦补偿的伺服系统自适应鲁棒控制器，包括：参数自适应调整模块、动态摩擦补偿器、鲁棒控制模块、加法器与减法器；其中，所述参数自适应调整模块包括回归向量产生模块和自适应律模块；

所述减法器，用期望位置x1d减去被控对象位置的测量值x1，得到跟踪误差e1，将其发送给参数自适应调整模块和鲁棒控制模块；

所述参数自适应调整模块，用于在线调整动态摩擦补偿器的参数；

其中，所述回归向量产生模块，用于根据被控对象转速的测量值x2与动态摩擦补偿器输出的摩擦补偿量u_a，实时地计算出由LuGre动态摩擦模型Lipschitz系数构造的回归向量所述自适应律模块，用于根据回归向量产生模块给出的回归向量以及所述跟踪误差e1，实时计算含有投影算子的自适应律，利用该自适应律在线调整动态摩擦补偿器参数，将调整后的动态摩擦补偿器参数发给所述动态摩擦补偿器；

所述动态摩擦补偿器，用于根据所述动态摩擦补偿器参数和测得的被控对象转速x2，实时计算摩擦补偿量u_a，并发送给加法器和参数自适应调整模块；

所述鲁棒控制模块，用于根据所述跟踪误差e1获得鲁棒控制量u_s；

所述加法器，用于将摩擦补偿量u_a和鲁棒控制量u_s相加，得到总控制量，发送给被控对象；

其中，动态摩擦模型Lipschitz系数L(x2)满足如下约束：