具有复杂不确定性的机电伺服系统位置跟踪控制

摘要

近年提出的“中国制造2025”规划旨在加强我国制造业基础实力，提升工业自动化、智能化水平。高端数字加工中心、工业机器人以及以此为基础的智能装备创新将成为中国工业技术改革的重点方向之一。机电伺服系统作为智能装备的核心部件，其技术水平将决定新世纪我国制造业的地位。综合机电伺服系统运动控制领域的研究成果，多存在模型简化后的控制器设计方法，可能不适应未来大范围、复杂的工作环境。另一方面，缺少工程背景的控制器设计方法，阻碍了学术成果与工程应用的结合。本文针对工程环境中的机电伺服系统，研究复杂不确定性条件下的位置跟踪控制问题。通过分析实际工况中机电伺服系统的运行过程，建立含不确定性特征的系统动力学描述，提出复杂不确定性条件下机电系统的控制结构与位置伺服算法，提升机电系统运动性能。
　　实际环境中，机电伺服系统不可避免受到多种不确定性的影响而损失性能，如模型参数漂变、饱和非线性、多轴的不对称负载、摩擦阻尼、死区非线性、控制输入抖动、模型结构不确定性、未知模型的外界扰动、信号测量噪声以及推力纹波等。针对滚珠丝杠传动、旋转电机驱动的伺服系统建立了含漂变参数的动力学模型。通过将主导极点配置与平滑跟踪特性转化为多目标约束控制策略，将对不确定性的抑制能力转化为H∞抗干扰特性以保证模型参数不确定性条件下系统的鲁棒稳定性。针对存在输入幅值限制的一类伺服系统，提出考虑饱和非线性的H∞位置跟踪控制器设计方法。通过引入非线性滤波器判断系统控制信号的饱和现象，确保系统发生输入饱和时控制器迅速估计并补偿饱和幅值从而降低性能衰减，保证系统的稳定性；当输入饱和褪去时控制信号恢复到正常状态使得电机的控制量等于控制器理论输出并保证存在外界扰动时位置跟踪误差有界。针对存在强不对称负载的同步伺服问题，以双电机同步驱动为例，给出了交叉耦合框架下的H∞同步跟踪控制器结果，能够有效抑制各轴存在的强不对称负载扰动，提升同步跟踪精度。
　　进一步研究存在死区非线性与摩擦阻尼时机电伺服系统的运动控制问题，提出基于自适应滑模方法的位置跟踪控制算法。针对飞行器推力矢量控制系统，分析、总结了实际背景下影响伺服系统的不确定性因素，主要包括喷管姿态伺服过程的燃料喷射扰动、喷管旋转摩擦阻尼与机械连接件的空隙，提出了含模糊推理的自适应滑模算法，实现了不确定性条件下满足期望性能的喷管作动器位置跟踪控制。针对直线电机伺服系统，给出了一种包括电机零速、低速与高速阶段的摩擦力综合描述。将电机零速阶段的动态静摩擦力关系等效为一种边界不对称且宽度有界但未知的死区非线性，提出的自适应滑模方法实现了摩擦力在线补偿，保证了存在外界未知扰动时伺服系统跟踪误差有界。同时针对控制输入抖动问题，引入了控制信号柔滑方法以削弱不连续输入对机电系统的损伤。
　　针对含结构不确定性的伺服系统，将不确定性统一整合并提出一种基于时间隔离技术的扰动估计算法，能够有效估计系统的结构不确定性等干扰，实现补偿控制。将伺服系统中的不确定性拓展为系统动态，基于时间隔离方法设计的状态观测器能够及时捕捉系统的动态不确定性，从而有效地补偿了系统可能存在的剧烈变化的不确定性信号。为进一步发挥控制算法的性能，本文一方面通过伪随机信号与粒子种群算法辨识得到了高适应度的系统动态模型，另一方面通过微分信号估计算法解决了测量信号的噪声对电机位置、速度反馈信号的影响，并给出了算法的离散形式。通过分析系统李亚普诺夫含义下的稳定性，证明了存在扰动时跟踪误差的收敛性。针对存在多轴协同运动控制问题，以直线电机驱动的双轴H型进给平台为对象，建立了各轴含复杂不确定性的动力学描述，进而设计一种含动态增益的滑模跟踪控制器，有效提高了各轴跟踪误差的收敛精度。之后，基于牛顿极值搜索原理的协同运动误差估计方法与综合运动误差变量，兼顾了单轴的跟踪精度与各轴间运动的协调性，实现了双轴大曲率、高进给率的协同运动控制，提高了轮廓跟踪精度，避免了高计算负荷。
　　应用搭建的H型双轴直线电机进给平台验证论文提出的复杂不确定性条件下位置伺服算法，分别对单轴、双轴运动场合进行了对比实验研究。通过分析与比较实验结果，验证本文结果的有效性与先进性；结合控制器的实现方法进一步证明本文主要结论的实用性。

目录

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景与意义

1.2 伺服系统发展概述

1.3 伺服系统运动控制研究概述

1.4 伺服系统复杂不确定性概述

1.5 预备知识

1.6 伺服系统运动控制现有成果的局限性

1.7 本文主要内容

第2章 伺服系统位置跟踪H∞鲁棒控制

2.1 考虑模型参数不确定性的伺服系统多性能约束H∞控制研究

2.2 考虑饱和非线性的伺服系统位置跟踪H∞控制研究

2.3 考虑不对称负载的伺服系统交叉耦合位置同步H∞控制研究

2.4 本章小结

第3章 含死区非线性的伺服系统摩擦阻尼补偿与位置跟踪鲁棒控制

3.1 基于自适应模糊的摩擦阻尼与死区非线性补偿控制研究

3.2 基于自适应滑模的伺服系统动态摩擦力补偿控制研究

3.3 本章小结

第4章 基于扰动观测器的伺服系统复杂不确定性补偿与位置跟踪控制

4.1 基于不确定性主动补偿的伺服系统反馈线性化控制研究

4.2 基于轮廓误差动态估计的伺服系统协同运动滑模控制研究

4.3 本章小结

第5章 具有复杂不确定性的伺服系统运动控制实验

5.1 引言

5.2 实验系统介绍

5.3 系统辨识

5.4 复杂不确定性条件下的伺服系统位置跟踪控制实验

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其他成果

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