[发明专利]直驱电机系统的模型不确定性补偿的滑模控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及机电伺服控制技术领域，主要涉及一种直驱电机系统的模型不确定性补偿的滑模控制方法。

背景技术

在现代工业生产中，直驱电机系统由于消除了与减速齿轮相关的一些机械传动问题如齿隙、强惯性载荷以及结构柔性等非线性问题而在许多机械设备中广泛使用。这些非线性问题都是影响系统性能的主要因素，其存在将会严重恶化系统跟踪性能，因此通过对直驱电机系统进行先进的控制器设计可以获得高精度的控制性能。然而，也正是由于缺少减速齿轮的作用，对直驱电机系统进行控制器设计时需要面临许多建模不确定性，如参数不确定性及外负载干扰、摩擦等不确定性非线性，这些不确定性不再经过减速齿轮而是直接作用于驱动部件，这样同样会严重地恶化控制性能，甚至会使系统失稳。因此探索先进的控制器设计方法来保证直驱电机系统的高精度控制性能仍是实际工程应用领域的迫切需求。

针对直驱电机系统存在的模型不确定性问题，许多方法相继被提出。其中自适应控制方法对于处理参数不确定性问题是非常有效的方法，能够获得渐近跟踪的稳态性能。但是对于外负载干扰等不确定性非线性却显得力不从心，而且不确定性非线性过大时可能会使系统失稳。而实际的电机系统都存在不确定性非线性，因此自适应控制方法在实际应用中并不能获得高精度的控制性能；针对直驱电机系统，滑模控制方法的基本思路是针对直驱电机系统的名义模型设计控制器，将真实系统模型与名义模型之间的参数不确定性和外负载干扰等不确定性非线性统一归类到模型不确定性中。针对模型不确定性，传统的滑模控制方法主要是通过增大控制器的鲁棒性来克服模型不确定性从而迫切系统状态到达滑模面，但是，通过增大不连续项增益的方法来增加控制器的鲁棒性，在实际运用中很可能激发系统高频动态，使系统失稳。因而传统的滑模控制方法具有很大的工程局限性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种直驱电机系统的模型不确定性补偿的滑模控制方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种直驱电机系统的模型不确定性补偿的滑模控制方法，包括以下步骤：

步骤1，建立直驱电机系统的数学模型；

步骤2，设计模型不确定性干扰观测器；

步骤3，设计基于模型不确定性干扰观测器的滑模控制器。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

(1)本发明在设计滑模控制器中将模型不确定性补偿掉，大幅度地削减滑模不连续项增益的同时保证了滑模控制方法的强鲁棒性；

(2)本发明将观测器滑模面引入到控制器滑模面中构造新的控制器滑模面，消除了观测器的观测误差，保证了滑模控制器的暂态控制性能；

(3)本发明不使用系统加速度信息，降低了可测噪声对系统跟踪性能的恶化，使得系统在存在模型不确定性时仍获得渐近跟踪的性能；

(4)不要求模型不确定性连续可导，对于可能存在的导数不存在的模型不确定性仍可保证良好的控制性能。

附图说明

图1为本发明的直驱电机系统的模型不确定性补偿的滑模控制方法流程图。

图2为本发明直驱电机系统的原理图。

图3为直驱电机系统模型不确定性补偿的滑模(UC‐SMC)控制方法原理示意图。

图4为本发明实施例中模型不确定性为d(x,t)＝0.3+0.1sin(πt)N·m时UC‐SMC控制器作用下系统输出对期望指令的跟踪过程示意图。

图5为本发明实施例中模型不确定性为d(x,t)＝0.3+0.1sin(πt)N·m时UC‐SMC控制器作用下系统的跟踪误差随时间的变化曲线图。

图6为本发明实施例中模型不确定性为d(x,t)＝0.3+0.1sin(πt)N·m时模型不确定性观测器对模型不确定性的观测示意图。

图7为本发明实施例中模型不确定性为d(x,t)＝0.3+0.1sin(πt)N·m时模型不确定性观测器对模型不确定性的观测误差随时间的变化曲线图。

图8为本发明实施例中模型不确定性为d(x,t)＝0.3+0.1sin(πt)N·m时UC‐SMC控制器作用下直驱电机系统控制输入随时间变化的曲线图。

图9为本发明实施例中模型不确定性为d(x,t)＝0.3+0.1sin(πt)N·m时SMC控制器作用下直驱电机系统控制输入随时间变化的曲线图。

图10为本发明实施例中模型不确定性为d(x,t)＝0.3+0.1sin(πt)N·m时UC‐SMC、SMC控制器分别作用下系统跟踪误差的对比曲线图。