[发明专利]一种电机位置伺服控制器的离散时域参数化设计方法

说明书

本发明涉及本发明涉及一种位置伺服控制器的离散时域参数化设计方法，包含三部分：第一部分是由状态反馈、目标前馈和扰动前馈构成的线性伺服控制律，保证闭环稳定性并使系统能快速响应和补偿扰动；第二部分是一个平滑的非线性控制律，通过动态调节闭环阻尼实现对目标的平稳跟踪；第三部分，把系统的未知扰动和模型偏差归并为一个扩展状态变量，设计降阶观测器来同时估计系统未量测状态和未知扰动，用于实现准确的伺服控制。本发明可实现在各种负载条件下对电机位置目标的快速、平稳且准确的跟踪。同时本发明在离散时域给出参数化设计方法，方便了控制器的计算机编程实现、性能调优和构建自校正控制系统。

技术领域

本发明涉及电机伺服控制系统领域，特别是一种位置伺服控制器的离散时域参数化设计方法。

背景技术

伺服控制是工业自动化和智能制造的核心技术之一。伺服控制系统的性能优劣，决定了生产效率、加工精度和系统运行的安全性。国内外工业界和科研机构都对伺服控制系统投入了大量的研究工作。在高速高精度位置伺服系统中，要求运动部件能够快速、平稳且准确地进入目标位置的邻域。常规的伺服系统中采用基于PID的多环串级控制结构。PID的特点是简单易用，但它是一种单自由度的线性控制，在给定的带宽范围内不能同时实现快速响应与低超调，且易产生所谓的积分器饱和现象(Integrator windup)；PID控制系统的瞬态性能对给定输入和扰动的变化缺乏鲁棒性，参数值跟随实际的给定输入和扰动量的变化而调整.才能保持较好的性能，这在实际应用中非常麻烦。在控制环中引入自抗扰控制器(ADRC)是伺服控制技术的一大进展，其中利用非线性扩展状态观测器(ESO)来提取扰动信号并加以补偿，采用非线性PID控制律来改善系统响应性能。但是ADRC控制律中的参数众多，且与系统性能的关系并不明朗，在工程应用中非常麻烦。

迄今，研究人员提出的伺服控制方案，大都是在连续时域中给出的。其原因是连续时域的对象模型通常可根据物理定律直接得到，控制器参数与模型参数之间的关系较为直观，设计起来相对容易。但是，在连续时域设计出来的控制器需经过离散化后才能在实际系统上编程实现，这种模拟化设计方式通常要求一个30倍于闭环带宽的离散采样频率，否则实际控制性能可能出现较大的偏差，从而增加了设计和调试的工作量。若能在离散时域上直接设计出数字化伺服控制器，则可直接在嵌入式计算机系统(如DSP)上进行编程实现，便于实际应用。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种位置伺服控制器的离散时域参数化设计方法，可实现在各种负载条件下对电机位置目标的快速、平稳且准确的跟踪，同时本发明在离散时域给出参数化设计方法，方便了控制器的计算机编程实现、性能调优和构建自校正控制系统。

本发明采用以下方案实现：一种位置伺服控制器的离散时域参数化设计方法，适用的电机伺服系统模型为：

其中，状态向量包含位置和速度信号，表示x对时间的一阶导数，u为控制输入信号，y是可量测的被控输出位置，d代表由负载扰动和其他不确定因素构成的未知扰动，a和b为标量系统参数且b大于零，sat(·)是最大幅值为u_max的饱和限幅函数；

具体包括以下步骤：

步骤S1：对上述系统模型进行离散化，得到对应的离散时域状态空间模型；

步骤S2：设计鲁棒复合伺服控制律；所述鲁棒复合伺服控制律包括线性伺服控制律和非线性反馈控制律；

步骤S3：设计一降阶的扩展状态观测器，同时估计系统的未量测状态x₂和未知扰动d；

步骤S4：将扩展状态观测器的估计结果代入步骤S2设计的鲁棒复合伺服控制律，得到最终的鲁棒复合伺服控制律，用于控制和补偿。

进一步地，步骤S1中，所述离散时域状态空间模型基于零阶保持器和采样周期T_s，具体为：