[发明专利]基于预测函数的交流伺服电机变论域模糊PI控制方法

说明书

本发明公开了一种基于预测函数的交流伺服电机变论域模糊PI控制方法，包括PI控制器、变论域模糊控制器和预测函数控制器；其中，PI控制器作为主控器调节伺服电机转速；预测函数控制器根据系统当前的输入指令、控制信号和反馈输出预测系统未来状态；变论域模糊控制器以预测信息作为输入在线调整PI控制器增益；同时，设计变论域伸缩因子，利用预测信息超前在线调节模糊控制器的论域，间接增加了用于调整PI控制增益的模糊规则。相比传统的PI控制和模糊PI控制，本发明继承了变论域模糊控制精度较高的优势，并提高了动态响应性能和抗扰动能力，对于具有不确定扰动和非线性较大的应用场合，其优势更突出。

技术领域

本发明涉及伺服电机控制技术领域，具体涉及一种基于预测函数的交流伺服电机变论域模糊PI控制方法。

背景技术

交流伺服电机是把电能转变为机械能的一种机器，由一个用以产生磁场的电磁铁绕组或分布的定子绕组和一个旋转电枢或转子组成。交流伺服电机具有运行稳定、速度可控性好、响应速度快等优势，目前已广泛应用于数控机床、工业机器人、医疗器械等设备。随着工业生产的不断发展，对交流伺服电机控制也提出了越来越高的要求，研究高性能的伺服控制系统已成为提高装备制造业水平的关键问题之一。

现有技术中存在的主要问题和不足包括：

PI控制器具有结构简单、鲁棒性强和易于实现等特点，目前仍是交流伺服电机最常用的控制策略。但是，固定增益的PI控制参数处理时变工作状态的能力较弱，无法有效应对伺服电机运转过程中的传感器延时、关键参数时变、未知的负载扰动等各类非线性问题。因此，为进一步提升控制性能，PI控制器需要与其他控制策略结合形成复合控制策略，从而实现控制参数在线自适应。

模糊PI控制策略结合了模糊控制的非线性控制能力和PI控制良好的适应性，已在交流伺服系统的控制中得到了应用。它能够利用专家知识构建模糊规则库，基于模糊推理在线调整PI控制增益，避免了复杂耗时的系统模型辨识过程。其局限性在于模糊PI控制器的自适应能力严重依赖于模糊规则的数量，同时模糊规则缺乏理论的设计方法。若要进一步提升模糊控制的调节精度，则需要丰富的电机控制经验来设计复杂详细的模糊规则。当交流伺服电机的应用工况比较复杂时，高性能的模糊PI控制器设计比较困难，这限制了模糊PI控制在电机控制领域的进一步推广。因此，需要探索简单有效的控制策略，进一步提升模糊PI控制的自抗扰能力和动态响应性能。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题和不足，本发明提供了一种基于预测函数的交流伺服电机变论域模糊PI控制方法，该方法采用变论域策略动态调整模糊规则的控制范围，改变在当前模糊控制器输入附近的规则数量，克服模糊控制规则设计困难导致控制性能不足的问题；同时，利用预测函数控制预测交流伺服电机控制系统未来的状态，为变论域模糊控制器提供输入信息，使得模糊控制器及PI控制器的参数能够得到快速调整。

为此，本发明采用了以下技术方案：

一种基于预测函数的交流伺服电机变论域模糊PI控制方法，包括PI控制器、变论域模糊控制器和预测函数控制模块，所述PI控制器作为主控器，用于调节交流伺服电机转速；所述预测函数控制模块根据系统当前的输入指令、控制信号和反馈输出预测系统的未来状态；所述变论域模糊控制器以预测信息作为输入在线调整PI控制器的增益；设计变论域伸缩因子，利用预测信息超前在线调节变论域模糊控制器的论域，间接增加用于调整PI控制器增益的模糊规则。

进一步地，包括以下步骤：

步骤一，针对交流伺服电机控制系统的特性，对预测函数控制方程进行改进，用于预测系统未来的反馈速度ω_p(t+p)、反馈误差e(t+p)及反馈误差变化率Δe(t+p)；

步骤二，选择p步后的预测反馈误差e(t+p)和预测反馈误差变化率Δe(t+p)作为变论域模糊控制器的输入变量，其对应的模糊变量为E和ΔE；