[发明专利]一种基于变速趋近律的机电伺服系统自适应滑模控制方法

说明书

一种基于变速趋近律的机电伺服系统自适应滑模控制方法，针对带有摩擦力矩、负载力矩以及扰动力矩等不确定性的机电伺服系统，利用双曲正切型函数构造一种新的变速趋近律，能够提高滑模变量的瞬态收敛速度和减小滑模变量进入稳态时的控制器抖振。同时，基于变速趋近律设计自适应滑模控制器和参数更新律，保证控制信号的连续性和削弱因符号函数导致的控制器抖振问题。

技术领域

本发明涉及一种基于变速趋近律的机电伺服系统自适应滑模控制方法，以满足机电伺服系统对参考输入高精度跟踪以及削弱抖振的性能要求。

背景技术

自工业革命开始，各种自动化设备应运而生，其中电机以其清洁、高效、便捷等特点在工业生产与社会发展中占据了举足轻重的地位。随着制造工艺的进步，伺服系统被广泛的应用于各个领域，如大型雷达天线控制以及汽车工业中机器人装配线等都采用电机伺服系统作为驱动装置。这种驱动机构是由电机通过传动装置与负载相连接，将电机端的力矩传递给负载。由于连接装置大部分采用机械结构，存在一定的弹性，在运行过程中容易发生弹性形变，产生机械振动现象，从而限制了系统带宽，同时也造成伺服系统输出位置和速度振荡，导致系统不稳定，降低了系统的控制性能。为了降低机械振动对系统的影响，很多学者从传动装置结构本身以及控制算法等方面提出了一些抑制方法，但由于受到刚体本身结构的限制以及成本的限制，在实际中难以实现。

摩擦、参数不确定性及外部扰动等未知动态广泛存在于伺服系统中，容易引起伺服系统死区非线性，导致系统出现极限环振荡以及低速爬行等现象，降低了伺服系统控制精度。为了减少摩擦等非线性动态对伺服系统的影响，很多学者从改变机械系统本身结构的角度，减小摩擦对系统的影响。但是由于受到目前加工制造水平和生产成本的限制，改变机械结构和加入润滑油等物理方法消除摩擦对伺服系统的影响是有限的。因此，从控制的角度，研究控制算法对伺服系统未知动态进行补偿，提高伺服系统控制精度，是一种经济且有效的方法。

滑模控制在解决系统不确定性和外部扰动方面被认为是一个有效的鲁棒控制方法。滑模控制方法具有算法简单、响应速度快、对外界噪声干扰和参数摄动鲁棒性强等优点而被被广泛应用于各个领域。因此，将其应用于机电伺服系统，具有重要的理论和实际意义。

发明内容

为了克服现有技术的不足，针对带有摩擦力矩、负载力矩以及扰动力矩等不确定性的机电伺服系统，利用双曲正切型函数构造一种新的变速趋近律，能够提高滑模变量的瞬态收敛速度和减小滑模变量进入稳态时的控制器抖振。同时，基于变速趋近律设计自适应滑模控制器和参数更新律，保证控制信号的连续性和削弱因符号函数导致的控制器抖振问题。

为了解决上述技术问题提出的技术方案如下：

一种基于变速趋近律的机电伺服系统自适应滑模控制方法，包括以下步骤：

步骤1，建立机电伺服系统的动态模型，初始化系统状态以及控制参数，过程如下：

1.1机电伺服系统的动力学模型表达形式为：

其中，θ为状态变量，表示电机输出轴的位置；表示电机输出轴的转速；表示电机输出轴的角加速度；J和D分别表示折算到电机轴上的等效转动惯量和等效阻尼系数；K是电机扭矩常数；T_f，T_l和T_d分别表示系统的摩擦力矩，负载力矩和扰动力矩；u为控制器；

1.2简化机电伺服系统表达式为：

令则式(1)改写为：

其中，d是有界的，存在满足

步骤2，基于存在未知动态的机电伺服系统，定义跟踪误差，根据线性滑模面及其一阶导数设计控制器，过程如下：

2.1定义跟踪误差及其一阶微分和二阶微分：