基于广义预测控制和扩展状态观测器的永磁同步电机控制

在电动汽车等工况复杂的系统中,实现永磁同步电机驱动系统的快响应和强鲁棒性控制历来是研究的重点和难题.预测控制策略可实现快速的动态响应,但依赖电机的数学模型.本文结合广义预测控制理论和扩展状态观测器,提出了一种新型的永磁同步电机转速跟踪控制方法.首先基于连续时间非线性系统的广义预测控制方法,设计了速度跟踪控制器;然后针对外部扰动引起的电机性能下降问题,设计了扩展状态观测器估计系统扰动,通过对扰动量的补偿,提高了鲁棒性;而且控制器参数容易调节.试验结果表明,电机从静止到1000 r/min,与PI控制相比,超调量小,响应速度快.特别是在电机运行过程中外加负载扰动时,转速跌落更小,且更快的恢复到给定值.     

电液伺服系统多项式非线性建模与控制一体化设计

常规电液伺服系统PID控制无法克服非线性因素影响,存在跟踪准确性和鲁棒性问题.因此,本文提出电液伺服系统多项式非线性H∞控制律设计方法,改进电液伺服系统的控制性能与鲁棒性.首先利用多项式非线性模型对电液伺服系统进行系统辨识,得到以误差作为状态变量的多项式非线性模型;然后设计多项式非线性控制律,证明所提出控制律可以保证系...     

轻武器伺服跟踪系统的干扰补偿控制

为提高轻武器伺服跟踪系统的位置跟踪精度,提出一种基于干扰观测器的CMAC-PD复合控制方法。将摩擦、电机力矩波动和模型参数不确定性等影响系统性能的因素视为干扰,采用一种新型的干扰观测器对其进行估计并加以补偿。在此基础上,提出一种基于CMAC与PD的复合控制方法。对比仿真实验表明,基于干扰观测器的CMAC-PD复合控制能更有效地抑制干扰对轻武器伺服跟踪系统动态性能的影响,进而使系统获得更高的跟踪精度。     

基于抗扰增强型广义预测控制的永磁同步电机伺服系统

为了提高永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor,PMSM)伺服系统的响应速度及控制精度,提出一种连续时间域下基于抗扰增强型广义预测控制方法.首先,通过构造高阶扩张状态观测器(high-order extended state observer,HOESO)对模型参数摄动及外部不确定性负载扰动进行估计,同时将干扰以及转子角速度的估计信息引入至位置轨迹输出预测序列中,实现对预测模型偏差的修正.进一步,通过求解位置跟随误差性能指标的优化问题,得到最优控制序列的显示解析解,并从理论上给出控制参数的选择规则.最终,利用Lyapunov理论对闭环系统进行严格的稳定性分析,并在快速控制原型(rapid control prototype,RCP)对拖实验平台上进行所提控制算法的性能验证.实验结果表明,与串级PI控制和传统广义预测控制相比,所提方法提高了伺服系统的位置跟踪精度和抗干扰性能.     

Speed control strategy of dual flexible servo system considering time-varying parameters for flexible manipulator with an axially translating arm

Many factors lead to fluctuations of output speed in the motor side during the movement processes in a flexible manipulator with an axially translating arm. These factors include the time-varying characteristics of manipulator parameters, external disturbance, and flexibility in the manipulator. The vibration of flexible manipulators is strengthened by fluctuations of output speed, which seriously affects the motion accuracy. Therefore, a variable parameters proportional–integral (PI) control strategy based on disturbance observer is adopted to reduce fluctuations of output speed in a dual flexible servo system. First, the dynamic model of the dual flexible servo system is established by the assumed mode method. Then, the variable parameters PI control strategy is applied to the servo system, and the controller parameters in different conditions are selected by pole placement strategies. Finally, numerical simulations and control experiments of the servo system are carried out. The results show that the control strategy using the variable parameters and disturbance observer could reduce fluctuations of output speed and improve the motion accuracy of flexible manipulators.     

交流伺服电机速度与位置环的一体化鲁棒控制

提出一种交流伺服系统的离散域复合控制方案,可实现在未知负载条件下的准确位置控制。基于永磁同步电机伺服系统中位置与速度环组成的数学模型,以电机转角位置作为系统的测量反馈信号,设计一个降阶线性扩展状态观测器对电机转速（未量测）和未知负载扰动加以估计,并用于反馈控制和扰动补偿。采用TMS320F2812DSP在一台实际的永磁同步电机上进行了实验测试,结果表明伺服系统能在未知负载情况下实现平稳和准确的目标位置跟踪,且对负载和参数差异具有较好的鲁棒性。这种控制方案可方便地应用于相关的伺服系统。     

A robust composite nonlinear control scheme for servomotor speed regulation

A parameterised design of robust composite nonlinear controller is proposed for typical second-order servo systems subject to unknown constant disturbance and control input saturation. The control law consists of a linear feedback part for achieving fast response, a nonlinear feedback part for suppressing the overshoot, and a disturbance-compensation mechanism for erasing the steady-state error. An extended state observer is adopted to estimate the unknown disturbance. The closed-loop stability is analysed theoretically. The control scheme is applied to the speed regulation of permanent magnet synchronous motor, and numerical simulations are carried out. The results confirm that the proposed control scheme can achieve fast, smooth, and accurate speed regulation, and has a certain degree of robustness with respect to the amplitude of disturbances and the perturbations of system parameters.     

Design of an Optimal Unknown Input Observer for Load Compensation in Motion Systems

Recently, several model‐based control designs have been proposed for motion systems and computerized numerical control (CNC) machines to improve motion accuracy. However, in real applications, their performance is seriously degraded when significant disturbances or cutting forces are applied. In this paper, we derive straightforward design procedures for a general‐structured unknown input observer (UIO) which perfectly decouples the effect of the external disturbance from the state estimation. Furthermore, we derive the optimal UIO by minimizing the estimation errors for both the state and the disturbance via the Riccati equation. Experimental results show that the performance of alladvanced motion controllers suffers when external loads are applied. By compensating for the disturbance of a servo motor using the proposed optimal‐UIO, the original contouring accuracy, which is degraded by the external loading, can be successfully recovered.     

基于差分进化的伺服电机自抗扰控制

针对传统PID、模糊控制算法设计简单,无法对实际系统进行扰动补偿,导致外部未知干拢影响伺服电机的控制,提出一种基于差分进化的伺服电机自抗扰控制技术;通过对自抗扰控制中参数kp、kd的动态整定,对比了基于差分进化算法(DE ADRC)、自抗扰控制算法(ADRC)、PID算法的跟踪误差,结果显示DE-ADRC算法具有明显优势,较ADRC算法、PID算法的跟踪误差分别降低了54％和49％;进一步利用蒙特卡罗统计学算法对控制对象进行仿真,以超调量、调节时间和误差绝对值积分为控制性能评估指标证明所提出的DE-ADRC算法比PID算法和ADRC算法具有更强的鲁棒性和系统抗干扰能力,为伺服电机在实际工程中抗干扰能力的增强提供了技术支持.     

液压位置伺服系统滑模自抗扰控制器设计

主要研究了驱动连铸结晶器的液压伺服系统的精确位置跟踪控制问题。由于液压伺服系统的某些内部参数是时变且不可测的,同时外部负载力也随时间变化使得系统动态模型不精确,从而影响了系统的控制效果。针对这一问题,提出了一种基于滑模控制的自抗干扰控制器的设计方法,利用扩张状态观测器把系统内部参数和外部负载力的不确定性观测出来,从而有效地抵消了系统的不确定性。根据工程实际中的参数进行仿真研究,其结果表明这种控制方法具有很好的全局鲁棒性,并且提高了位置跟踪的精度。     

A universal digital motion controller design for servo positioning mechanisms in industrial manufacturing

A parameterized design of universal motion controller is proposed in discrete-time domain using composite nonlinear control approach for high-performance servo mechanisms in industrial automation. First, the model of servo mechanisms is converted into discrete-time state-space form, and a linear control law is designed, consisting of state feedback, reference feed-forward and disturbance compensation. Next, a nonlinear control law is constructed to smoothly modulate the closed-loop damping as the system output approaches the reference. To estimate the unmeasurable velocity and disturbance, a reduced-order extended-state observer is adopted. The final controller is a combination of the above three parts and is fully parameterized in some fundamental tuning parameters. The controller was applied to a permanent magnet synchronous motor (PMSM) drive, which usually serves as the actuator for high-performance motion control systems. After MATLAB simulation, experimental test using a digital signal processing board was conducted, to verify the effectiveness of the proposed design.     

基于高阶滑模速度控制器的异步电机模型预测转矩控制

针对三相异步电机驱动系统,提出一种基于高阶滑模速度控制器的模型预测转矩控制策略.为了降低负载扰动对系统运行性能的影响,设计一种基于二阶Super-Twisting滑模技术的速度环控制器,以代替传统PI速度控制器,并应用Lyapunov稳定性理论对其稳定性和鲁棒性进行分析,得到使速度控制系统收敛的参数范围.为了提升转矩控制精度,基于异步电机的数学模型,采用模型预测转矩控制理论,以转矩和定子磁链为控制目标设计评价函数,得到最优输出电压矢量驱动电机运行.仿真结果表明,所提出的控制方法能有效提升系统对负载扰动的鲁棒性,并有效降低转矩波动,使电机具有良好的动态和静态运行性能.     

基于遗传算法的直流伺服系统参数辨识及摩擦补偿控制

针对静态摩擦力对数控机床直流伺服系统的干扰问题,提出了一种先利用遗传算法对静态摩擦模型中的参数进行辨识,然后采用基于摩擦模型补偿的伺服控制方法。该方法首先根据直流伺服系统的摩擦特性建立摩擦模型,再将摩擦补偿引入到直流伺服系统的反馈控制结构中,获取伺服电机的位置误差。采用遗传算法对摩擦补偿模型进行参数辨识,使摩擦补偿量在数值上不断逼近实际的摩擦干扰,并利用摩擦补偿量来抵消摩擦给伺服系统带来的影响。为了验证参数辨识的效果,将普通PD控制与基于摩擦补偿的PD控制进行了仿真比较,实验结果表明,后者能够消除由于静摩擦的存在而造成的位置跟踪中出现的平顶现象,能够达到理想的跟踪效果。因此,本文所提出的方法具有较强的摩擦干扰补偿能力,能够实现对直流伺服系统的精确控制。     

基于ESO的永磁同步电机伺服系统快速终端滑模控制

为了优化永磁同步电机(PMSM)伺服系统的控制性能, 本文提出了一种基于非奇异快速终端滑模控制(NFTSMC)和扩张状态观测器(ESO)的复合控制策略. 论文首先建立了考虑集总扰动的永磁同步电机数学模型, 根据所定义的非奇异终端滑模面和趋近律, 设计了位置跟踪控制器, 所设计的控制器采用非级联结构替代了传统的位置环和速度环控制器, 并通过李亚普诺夫定理证明了稳定性和有限时间内收敛. 为了进一步提高系统的抗扰动性能, 本文引入了扩张状态观测器来估计系统扰动并将其应用于前馈补偿. 然后, 文章对系统整体进行了稳定性证明. 最后,文章完成了基于所设计控制器的仿真和实验验证. 结果表明, 该控制器具有良好的位置跟踪性能且收敛速度快, 对外部干扰具有强鲁棒性.     

基于优化模型补偿自抗扰的伺服控制方法研究

在永磁同步电机(PMSM)自抗扰控制器(ADRC)系统中,扩张状态观测器(ESO)在扰动较多且幅值变化大时难以保证估计精度,而普通的模型补偿自抗扰控制器的性能又受到参数辨识精度和辨识算法复杂度的限制.针对该问题,提出一种伺服系统优化的模型补偿自抗扰控制方法.以交轴电流和实际转速作为线性扩张状态观测器(LESO)输入,采用二阶LESO对系统总扰动进行观测,将此观测值作为补偿模型补偿到速度环ADRC的ESO中,并在控制量的扰动补偿项中去除该补偿模型,实现模型补偿的目的.仿真和实验结果表明,该方法显著降低了ADRC中ESO要估计量的变化幅度,提高了扰动估计精度,同时不需要进行额外的参数辨识,可实时在线获取补偿模型,具有较好的动态特性与抗扰动能力.     

Robust proximate time-optimal servomechanism with speed constraint for rapid motion control

A control scheme is proposed to achieve fast and accurate set-point servo motion in typical double integrator systems subject to disturbances and speed constraint. The controller consists of a Proximate Time-optimal Servomechanism (PTOS) control law and a compensation term for the unknown disturbance. An extended state observer is adopted to estimate the un-measured velocity signal and the unknown disturbance. In the presence of speed constraint, a speed regulation stage is incorporated between the PTOS acceleration and deceleration stages. The closed-loop stability is analyzed theoretically. The control scheme is then applied to the position-velocity control loop in a permanent magnet synchronous motor servo system for set-point tracking. MATLAB simulation has been conducted, followed by experimental verification based on the TMS320F2812 DSP controller board. The results confirm that the proposed control scheme can track a wide range of target references fast and accurately, and has good performance robustness with respect to the disturbance and parameter variations.     

电子换向电机伺服系统的二自由度H∞优化鲁棒控制

应用Youla二自由度控制器设计参数化公式,对电子换向电机伺服系统导出了基于 一自由度控制设计的二自由度H∞控制器结构,该结构用Kwkernaak多项式H∞优化设计方 法获希望的跟踪特性,用Zames的模型参考变换近似逆概念对扰动进行最佳抑制,并对负载 扰动和参数变化的敏感性进行分析.实验结果表明系统具有良好的跟踪特性和抗扰性.     

轧机两侧液压伺服位置系统自抗扰同步控制

针对轧机传动侧和操作侧液压伺服位置系统存在不一致性而引起两侧位置不同步的问题, 提出一种自抗扰同步控制方法.首先建立了液压伺服位置同步系统动态机理模型, 并在考虑两侧位置伺服系统都具有参数摄动及外负载波动的情况下, 设计了扩张状态观测器对同步系统中不确定性和不一致性进行估计, 并采用状态误差反馈律给予主动补偿, 同时消除同步误差. 仿真和实验结果表明, 所提出的同步控制方法能够使两侧液压伺服位置系统动态响应和稳态特性保持一致, 并提高了单侧子系统的动态性能及抗干扰能力.     

音圈电机伺服系统的自适应非光滑控制

针对音圈电机伺服系统的轨迹跟踪控制品质受动力学参数不确定性及外部扰动影响的问题,建立动力学模型,结合自适应控制与非光滑控制理论,设计一种自适应非光滑控制方法,并理论证明了闭环系统的渐近稳定性．最后,通过仿真实验及其对比来验证所设计方法的有效性,仿真结果表明,所设计方法具有自适应控制的补偿能力与非光滑控制的快速收敛特性,能够克服不确定性影响,有效提高音圈电机伺服系统的轨迹跟踪控制品质．     

状态反馈预测控制干扰解耦的研究

讨论状态反馈预测控制系统设计中的干扰解耦设计问题，给出了状态反馈预测控制系统干扰可解耦设计的充分必要条件。基于状态空间模型，给出了状态反馈预测控制系统设计参数——预测时域按干扰解耦设计的选取方法。它可改善控制系统的性能，提高控制系统的抗干扰能力。仿真结果表明了状态反馈预测控制系统干扰解耦设计的有效性。