一种基于扩张状态观测器的伺服系统区域跟踪控制方法

技术领域

本发明涉及机电控制领域，具体设计一种基于扩张状态观测器的伺服系统区域跟踪控制方法。

背景技术

在伺服系统的实际跟踪控制中，未建模动态、外部干扰和量测噪声等不确定性降低了跟踪的效果，而量测噪声等还会造成速度信号难以准确获取的问题，因此有必要设计一种主动抗扰机制来实时估计并补偿这类不确定性。另一方面，针对越来越复杂的工作环境，在提升伺服系统抗扰能力的同时有必要保证伺服系统跟踪误差在一个期望区域内。

在主动抗扰方法的研究中，基于神经网络的在线估计与补偿方法需要在线学习大量的参数,不利于工程应用；现有的基于观测器的在线估计与补偿方法通常没有考虑观测器在启动阶段的瞬态性能。在保证伺服系统跟踪性能方面的研究中，模型预测控制计算量过于庞大；基于反步法或动态面的预设性能控制通常需要已知伺服系统的速度信号，而这一信号难以从被噪声等不确定性污染的位置信号中直接获得。此外，在将伺服系统跟踪误差约束在一个期望区域的同时，有必要进一步提升跟踪性能。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于扩张状态观测器的伺服系统区域跟踪控制方法，目的是在提升伺服系统跟踪误差的瞬态和稳态性能的同时，提高系统的主动抗扰能力。

为达到上述目的，本发明的技术方案包括如下步骤：

S1、设定伺服系统的期望信号和误差区域，期望信号包括期望位置、期望速度以及期望加速度。

S2、获取伺服系统的当前输入转矩以及当前输出端位置，根据伺服系统输出位置计算位置估计误差，根据位置估计误差计算和更新变增益项。

S3、以伺服系统中总的未知非线性构建扩张状态，结合变增益项，构建变增益扩张状态观测器。

S4、由变增益扩张状态观测器获得伺服系统中未知速度和未知非线性的估计值，结合伺服系统的期望信号计算综合跟踪误差；

S5、利用综合跟踪误差、误差区域和带有约束的中间控制量，构建非光滑区域跟踪控制器用于计算输入转矩控制值，使得伺服系统跟踪误差始终在误差区域之内。

S6、发送输入转矩控制值至伺服系统，实现对伺服系统的控制。

进一步地，设定伺服系统的期望信号和误差区域，具体为：

包括设定伺服系统的期望位置为y

进一步地，获取伺服系统的当前输入转矩以及当前输出端位置，具体为：

通过传感器获取伺服系统的当前输入转矩τ、输出端位置y。

进一步地，S2中，根据伺服系统输出位置计算位置估计误差，根据位置估计误差计算和更新变增益项，具体为：

根据上述伺服系统输出端位置y计算出位置估计误差z

进一步地，以伺服系统中总的未知非线性构建扩张状态，结合变增益项，构建变增益扩张状态观测器，具体为：

根据电机驱动伺服系统的物理结构和电学原理，含有未知非线性的伺服系统的动力学模型可描述为：

其中，q,

根据上述伺服系统的动力学模型(1)，定义新的系统状态x

其中，y为伺服系统输出端的位置；

针对上述转化后的系统公式(2)，以伺服系统中总的未知非线性构建扩张状态，定义扩张状态为x

其中

进一步地，由变增益扩张状态观测器获得伺服系统中未知速度和未知非线性的估计值，结合伺服系统的期望信号计算综合跟踪误差，具体为：

为构造的综合跟踪误差，/>

进一步地，利用综合跟踪误差、误差区域和带有约束的中间控制量，构建非光滑区域跟踪控制器用于计算输入转矩控制值，具体为：

根据速度估计值

λ(e

其中，p、q为两个正奇数，且满足0＜p＜q＜2p；F

有益效果：

本发明的优势：将变增益的思想和扩张状态观测器结合，避免了启动阶段位置观测误差过大所导致的估计性能恶化；利用综合跟踪误差和带有约束的中间控制量，设计了非光滑区域跟踪控制器，保证了伺服系统跟踪误差始终在一个设定的区域之内。本发明将变增益扩张状态观测器与非光滑区域跟踪控制器相结合，通过在扩张状态观测器中加入变增益项改善观测器对未知速度和未知快变非线性的瞬态估计性能，基于速度和非线性的估计值设计了一种非光滑区域跟踪控制器，在保证伺服系统安全性的同时提高了主动抗扰能力、跟踪性能和实用性。

附图说明

图1为一种基于扩张状态观测器的伺服系统区域跟踪控制方法的步骤流程图；

图2为一种基于扩张状态观测器的伺服系统区域跟踪控制方法的控制方框图；

图3为变增益扩张状态观测器的估计曲线图；

图4为伺服系统的位置跟踪误差曲线图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

图1所示的一种基于扩张状态观测器的伺服系统区域跟踪控制方法的步骤流程图，具体包括：

S1、设定伺服系统的期望信号和误差区域，其中期望信号包括期望位置、期望速度、期望加速度；本发明实施例中，S1具体为：设定伺服系统的期望位置y

S2、获取伺服系统的当前输入转矩以及当前输出端位置，根据伺服系统输出位置计算位置估计误差，根据位置估计误差计算和更新变增益项；

本发明实施例中，S2具体为：通过传感器获取伺服系统的当前输入转矩τ、输出端位置y。

根据上述伺服系统输出端位置y计算出位置估计误差

S3、以伺服系统中总的未知非线性构建扩张状态，结合变增益项，构建变增益扩张状态观测器。

本发明实施例中，根据电机驱动伺服系统的物理结构和电学原理，含有未知非线性的伺服系统的动力学模型可描述为：

其中，q,

定义新的状态为x

针对上述转化后的系统(2)，定义扩张状态x

其中，

S4、由变增益扩张状态观测器获得伺服系统中未知速度和未知非线性的估计值，结合伺服系统的期望信号计算综合跟踪误差。

为构造的综合跟踪误差，/>

S5、利用综合跟踪误差、误差区域和带有约束的中间控制量，构建非光滑区域跟踪控制器用于计算输入转矩控制值，使得伺服系统跟踪误差始终在误差区域之内。

本发明实施例中，S5通过以下方式实现：

根据上述S5中获得的速度估计值

其中，基于Funnel约束函数的中间控制量为

/>

其中F

S6、发送输入转矩控制值至伺服系统，实现对伺服系统的控制。

图2为一种基于扩张状态观测器的伺服系统区域跟踪控制方法的控制方框图，由伺服系统、变增益扩张状态观测器和非光滑区域跟踪控制器组成。结合改进的变增益扩张状态观测器，所设计的非光滑区域跟踪控制器无需获取准确的系统输出端速度信息，保证了位置跟踪误差在设定的区域内并提高了位置跟踪误差的瞬态和稳态性能。

对本发明所公开的技术方案进行如下仿真验证：

第1步：建立伺服系统状态方程

根据伺服系统的一般模型(1),设定转动惯量为J＝0.11kg·m

其中，

第2步：设定变增益扩张状态观测器中的参数为r

第3步：对整个系统进行仿真，获得变增益非光滑扩张状态观测器对伺服系统位置和扩张状态的估计值(图3)以及实际位置跟踪误差曲线(图4)。

图3为变增益扩张状态观测器的估计曲线。虽然观测器的初始估计误差

图4为伺服系统的位置跟踪误差曲线。可以看出去，位置跟踪误差e

综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。