專利名稱：伺服電機(jī)的變結(jié)構(gòu)雙自由度智能集成控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種伺服電機(jī)的控制技術(shù)，尤其涉及一種伺服電機(jī)的變結(jié)構(gòu)雙自由度 智能集成控制方法。
背景技術(shù)：
伺服系統(tǒng)的應(yīng)用遍及社會(huì)各領(lǐng)域，交流伺服控制系統(tǒng)正成為伺服技術(shù)的主流；對(duì) 交流伺服系統(tǒng)的控制有兩項(xiàng)重要的技術(shù)指標(biāo)跟蹤性和抗干擾性。跟蹤性是指在系統(tǒng)穩(wěn)定 的前提下，伺服系統(tǒng)對(duì)外加的指令信號(hào)有很好的跟蹤能力，盡量與指令信號(hào)保持一致，能及 時(shí)、準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)指令信號(hào)；抗干擾性是指伺服系統(tǒng)在受到干擾使原始狀態(tài)受到破壞后，如何 快速抑制狀態(tài)繼續(xù)惡化并盡量恢復(fù)到原始狀態(tài)的能力。干擾是造成伺服系統(tǒng)性能下降的主 要因素，而影響伺服系統(tǒng)性能的干擾因素多種多樣負(fù)載轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)、摩擦擾動(dòng)、參數(shù)變化擾 動(dòng)、紋波轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)、諧波擾動(dòng)等。特別是在微進(jìn)給、精加工的數(shù)控機(jī)床中，一個(gè)很微小的擾動(dòng) 往往會(huì)導(dǎo)致加工產(chǎn)品表面出現(xiàn)明顯的劃痕，從而降低產(chǎn)品質(zhì)量，甚至使產(chǎn)品報(bào)廢。理想的伺服系統(tǒng)，要求其既能對(duì)給定指令信號(hào)具有良好的跟蹤性能，又要對(duì)干擾 有強(qiáng)的抑制能力。對(duì)單自由度的PID控制而言，其控制器在整定參數(shù)時(shí)往往要兼顧信號(hào)的 跟蹤和擾動(dòng)抑制兩種性能，只能采取折衷的方式，難以兩全其美。即使是采用了基于神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)辨識(shí)的單神經(jīng)元PID控制，但究其本質(zhì)，仍屬于單自由度的控制，存在著先天性不足。雙 自由度控制通過對(duì)給定輸入響應(yīng)的主控制器和對(duì)抑制擾動(dòng)響應(yīng)的補(bǔ)償控制器進(jìn)行相互獨(dú) 立的設(shè)計(jì)，可以解決跟蹤性和抗干擾性之間的矛盾。在實(shí)際系統(tǒng)中，由于伺服電機(jī)的數(shù)學(xué)模 型具有非線性、強(qiáng)耦合、時(shí)變的特點(diǎn)，并且各種干擾是隨機(jī)、多樣的，往往無(wú)法精確得到被控 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，給系統(tǒng)的控制增添了難度。當(dāng)采用非智能雙自由度控制時(shí)，其控制器的參 數(shù)不能隨被控制對(duì)象的參數(shù)變化而變化，將會(huì)帶來(lái)控制性能的下降。目前，研究者正通過雙自由度控制與智能控制相結(jié)合的方法來(lái)解決此問題。模糊 控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制均屬于智能控制的范疇，具有不依賴被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型的優(yōu)點(diǎn)，能很 好地克服系統(tǒng)中模型參數(shù)變化、非線性、干擾等不確定因素的影響。因此，在各種智能控制 方法的基礎(chǔ)上，取長(zhǎng)補(bǔ)短，開發(fā)出雙自由度的智能綜合集成控制系統(tǒng)，這是伺服電機(jī)控制的 發(fā)展方向。雙自由度智能控制器的結(jié)構(gòu)和算法直接影響著控制效果，對(duì)其控制器結(jié)構(gòu)的深入 研究是當(dāng)前工作中的一個(gè)重點(diǎn)。參考信號(hào)前饋型雙自由度控制是一種典型的控制結(jié)構(gòu)。圖 1是現(xiàn)有技術(shù)中的一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)給定補(bǔ)償雙自由度伺服控制的原理圖，該方案能對(duì)跟 蹤和干擾分別進(jìn)行控制。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)NNl用于對(duì)被控伺服電機(jī)對(duì)象進(jìn)行逆向建模；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) NN2與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)NNl具有相同的結(jié)構(gòu)和聯(lián)接權(quán)值，用以作為給定補(bǔ)償控制器，兩者僅輸入輸 出量不同。由

圖1可知，顕1可以同時(shí)對(duì)干擾進(jìn)行辨識(shí)，并且NN2會(huì)隨之發(fā)生變化構(gòu)成自適 應(yīng)的前饋環(huán)節(jié)，從而達(dá)到對(duì)擾動(dòng)的抑制。在現(xiàn)有的雙自由度伺服控制系統(tǒng)方案中，對(duì)給定輸入響應(yīng)的主控制器通常采用常 規(guī)PID控制器，或者采用其它形式的單一控制器。由于在高性能或一些特殊性能的伺服控制系統(tǒng)中，對(duì)跟蹤性和抗干擾性兩項(xiàng)指標(biāo)的要求都非常高。必須站在更高層次上考慮一些 更為細(xì)微的因素對(duì)伺服控制性能的影響，因此需要對(duì)以下兩個(gè)問題作進(jìn)一步的深入研究(1)跟蹤性方面在最為嚴(yán)峻的階躍指令信號(hào)輸入情況下，是可以將跟蹤性指標(biāo) 進(jìn)一步細(xì)化為動(dòng)態(tài)性(快速跟蹤)和穩(wěn)態(tài)性(精確定位)兩個(gè)方面的。伺服系統(tǒng)對(duì)快速跟 蹤和精確定位的要求很高，二者又發(fā)生在不同的時(shí)域，而且具有矛盾性，若使用結(jié)構(gòu)單一的 主控制器常常會(huì)顧此失彼。(2)抗干擾性方面用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行補(bǔ)償控制，當(dāng)遇到干擾時(shí)，其最大的缺點(diǎn)就是 過渡過程較慢，恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)的時(shí)間較長(zhǎng)。如何加快神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償控制器的收斂速度，使其在 遇到干擾時(shí)，縮短過渡時(shí)間，迅速恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)，徹底地將干擾消除，增強(qiáng)對(duì)干擾抑制能力，這 是雙自由度伺服智能控制系統(tǒng)需要解決的又一問題。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)背景技術(shù)中的問題，本發(fā)明提出了一種伺服電機(jī)的變結(jié)構(gòu)雙自由度智能集成 控制方法，包括伺服系統(tǒng)、為伺服系統(tǒng)提供跟蹤性能的主控制器、為伺服系統(tǒng)提供抗干擾性 能的補(bǔ)償控制器。其改進(jìn)在于所述主控制器由三個(gè)子控制器組成，它們分別是Bang-Bang 控制器、解析模糊控制器和PI控制器，本文將這種三個(gè)子控制器結(jié)構(gòu)的控制器定義為變結(jié) 構(gòu)復(fù)合智能主控制器；針對(duì)電機(jī)工作時(shí)的不同誤差區(qū)段，1)或者三個(gè)子控制器中的一者單 獨(dú)輸出獨(dú)立控制信號(hào)。2)或者三個(gè)子控制器中的一者或兩者輸出控制信號(hào)a.只有一者輸 出控制信號(hào)時(shí)與步驟1)的情況相同，該子控制器輸出獨(dú)立控制信號(hào)；b.有兩者輸出控制信 號(hào)時(shí)，對(duì)兩個(gè)控制信號(hào)進(jìn)行模糊綜合，形成綜合控制信號(hào)。3)子控制器輸出的獨(dú)立控制信號(hào) 或綜合控制信號(hào)，與補(bǔ)償控制器的輸出信號(hào)進(jìn)行疊加后作用于伺服系統(tǒng)，對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。步驟1)中，不同誤差區(qū)段之間無(wú)交疊區(qū)域；誤差較大時(shí)，Bang-Bang控制器輸出獨(dú) 立控制信號(hào)；誤差適中時(shí)，解析模糊控制器輸出獨(dú)立控制信號(hào)；誤差較小時(shí)，PI控制器輸出 獨(dú)立控制信號(hào)；獨(dú)立控制信號(hào)與補(bǔ)償控制器的輸出信號(hào)進(jìn)行疊加后輸出到伺服系統(tǒng)。步驟2、中，按誤差大小順次排列的各個(gè)誤差區(qū)段在交界處有交疊區(qū)域；誤差較大 但又不在交疊區(qū)域時(shí)，Bang-Bang控制器輸出獨(dú)立控制信號(hào)；誤差適中但又不在交疊區(qū)域 時(shí)，解析模糊控制器輸出獨(dú)立控制信號(hào)；誤差較小但又不在交疊區(qū)域時(shí)，PI控制器輸出獨(dú) 立控制信號(hào)；獨(dú)立控制信號(hào)與補(bǔ)償控制器的輸出信號(hào)進(jìn)行疊加后輸出到伺服系統(tǒng)；誤差處于較大區(qū)段與誤差適中區(qū)段的交疊區(qū)域時(shí)，Bang-Bang控制器和解析模糊 控制器同時(shí)輸出控制信號(hào)；誤差處于適中區(qū)段與誤差較小區(qū)段的交疊區(qū)域時(shí)，解析模糊控 制器和PI控制器同時(shí)輸出控制信號(hào)；對(duì)來(lái)自兩個(gè)子控制器的控制信號(hào)進(jìn)行模糊綜合，形成 綜合控制信號(hào)，并將綜合控制信號(hào)與補(bǔ)償控制器的輸出信號(hào)進(jìn)行疊加后輸出到伺服系統(tǒng)。劃分誤差區(qū)段時(shí)，以電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的指令信號(hào)與實(shí)際位置信號(hào)的誤差值el為分母，
el
以電機(jī)啟動(dòng)過程中的指令信號(hào)與實(shí)際位置信號(hào)的誤差值e2為分子，按一XlOOy0所計(jì)算 出的百分比數(shù)值為依據(jù)，劃分誤差區(qū)域；步驟1)中的情況時(shí)，0 5%為誤差較小的區(qū)段，PI控制器單獨(dú)輸出獨(dú)立控制信 號(hào)；10% 20%為誤差適中的區(qū)段，解析模糊控制器單獨(dú)輸出獨(dú)立控制信號(hào)；20%以上為 誤差較大的區(qū)段，Bang-Bang控制器單獨(dú)輸出獨(dú)立控制信號(hào)；
步驟2)中情況時(shí)，0 10%為誤差較小的區(qū)段，5% 25%為誤差適中的區(qū)段， 20%以上為誤差較大的區(qū)段0 5%時(shí)，PI控制器單獨(dú)輸出獨(dú)立控制信號(hào)；5% 10%時(shí)， 解析模糊控制器和PI控制器同時(shí)輸出控制信號(hào)；10% 20%時(shí)，解析模糊控制器單獨(dú)輸 出獨(dú)立控制信號(hào)；20% 25%時(shí)，Bang-Bang控制器和解析模糊控制器同時(shí)輸出控制信號(hào)； 25%以上時(shí)，Bang-Bang控制器單獨(dú)輸出獨(dú)立控制信號(hào)。前述的有兩個(gè)子控制器同時(shí)輸出控制信號(hào)的情況時(shí)，根據(jù)如下方法對(duì)兩個(gè)子控制 器同時(shí)輸出的控制信號(hào)進(jìn)行模糊綜合1)將兩個(gè)子控制器所適用的誤差區(qū)段的交疊區(qū)域等值劃分為10個(gè)誤差等級(jí)，10 個(gè)誤差等級(jí)分別對(duì)應(yīng)X = 0，1，2，3，4，5，6，7，8或9，在兩個(gè)子控制器所適用的誤差區(qū)段的交 疊區(qū)域，當(dāng)誤差處于該交疊區(qū)域內(nèi)的最大值所在誤差等級(jí)時(shí)，χ取9，當(dāng)誤差處于該交疊區(qū) 域內(nèi)的最小值所在誤差等級(jí)時(shí)，χ取0 ；根據(jù)下式計(jì)算兩個(gè)子控制器輸出控制信號(hào)的作用強(qiáng)度
權(quán)利要求
1.一種伺服電機(jī)的變結(jié)構(gòu)雙自由度智能集成控制方法，包括伺服系統(tǒng)、為伺服系統(tǒng)提 供跟蹤性能的主控制器、為伺服系統(tǒng)提供抗干擾性能的補(bǔ)償控制器，其特征在于所述主控 制器由三個(gè)子控制器組成，它們分別是Bang-Bang控制器、解析模糊控制器和PI控制器；針 對(duì)電機(jī)工作時(shí)的不同誤差區(qū)段，1)或者三個(gè)子控制器中的一者單獨(dú)輸出獨(dú)立控制信號(hào)；2) 或者三個(gè)子控制器中的一者或兩者輸出控制信號(hào)a.只有一者輸出控制信號(hào)時(shí)與步驟1) 的情況相同，該子控制器輸出獨(dú)立控制信號(hào)；b.有兩者輸出控制信號(hào)時(shí)，對(duì)兩個(gè)控制信號(hào) 進(jìn)行模糊綜合，形成綜合控制信號(hào)；3)子控制器所輸出的獨(dú)立控制信號(hào)或綜合控制信號(hào)，與 補(bǔ)償控制器輸出的信號(hào)進(jìn)行疊加后作用于伺服系統(tǒng)，對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的伺服電機(jī)的變結(jié)構(gòu)雙自由度智能集成控制方法，其特征在 于步驟1)中，不同誤差區(qū)段之間無(wú)交疊區(qū)域；誤差較大時(shí)，Bang-Bang控制器輸出獨(dú)立控 制信號(hào)；誤差適中時(shí)，解析模糊控制器輸出獨(dú)立控制信號(hào)；誤差較小時(shí)，PI控制器輸出獨(dú)立 控制信號(hào)；獨(dú)立控制信號(hào)與補(bǔ)償控制器的輸出信號(hào)進(jìn)行疊加后輸出到伺服系統(tǒng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的伺服電機(jī)的變結(jié)構(gòu)雙自由度智能集成控制方法，其特征在 于步驟2)中，按誤差大小順次排列的各個(gè)誤差區(qū)段在交界處有交疊區(qū)域；誤差較大但又 不在交疊區(qū)域時(shí)，Bang-Bang控制器輸出獨(dú)立控制信號(hào)；誤差適中但又不在交疊區(qū)域時(shí)，解 析模糊控制器輸出獨(dú)立控制信號(hào)；誤差較小但又不在交疊區(qū)域時(shí)，PI控制器輸出獨(dú)立控制 信號(hào)；獨(dú)立控制信號(hào)與補(bǔ)償控制器的輸出信號(hào)進(jìn)行疊加后輸出到伺服系統(tǒng)；當(dāng)誤差處于較大區(qū)段與誤差適中區(qū)段的交疊區(qū)域時(shí)，Bang-Bang控制器和解析模糊控 制器同時(shí)輸出控制信號(hào)；當(dāng)誤差處于適中區(qū)段與誤差較小區(qū)段的交疊區(qū)域時(shí)，解析模糊控 制器和PI控制器同時(shí)輸出控制信號(hào)；對(duì)來(lái)自兩個(gè)子控制器的控制信號(hào)進(jìn)行模糊綜合，形成 綜合控制信號(hào)，并將綜合控制信號(hào)與補(bǔ)償控制器的輸出信號(hào)進(jìn)行疊加后輸出到伺服系統(tǒng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的伺服電機(jī)的變結(jié)構(gòu)雙自由度智能集成控制方法，其特 征在于以電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的指令信號(hào)與實(shí)際位置信號(hào)的誤差值el為分母，以電機(jī)啟動(dòng)過程中 的指令信號(hào)與實(shí)際位置信號(hào)的誤差值^為分子，按
5.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的伺服電機(jī)的變結(jié)構(gòu)雙自由度智能集成控制方法，其特征 在于有兩個(gè)子控制器同時(shí)輸出控制信號(hào)時(shí)，根據(jù)如下方法對(duì)兩個(gè)子控制器同時(shí)輸出的控制信號(hào)進(jìn)行模糊綜合1)將兩個(gè)子控制器所適用的誤差區(qū)段的交疊區(qū)域等值劃分為10個(gè)誤差等級(jí)，10個(gè)誤差等級(jí)分別對(duì)應(yīng)X =0，1，2，3，4，5，6，7，8或9，在兩個(gè)子控制器所適用的誤差區(qū)段的交疊區(qū)域，當(dāng)誤差處于該交疊區(qū)域內(nèi)的最大值所在誤差等級(jí)時(shí)ι取9，當(dāng)誤差處于該交疊區(qū)域 內(nèi)的最小值所在誤差等級(jí)時(shí)，ι取0 ；根據(jù)下式計(jì)算兩個(gè)子控制器輸出的控制信號(hào)的作用強(qiáng)度
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的伺服電機(jī)的變結(jié)構(gòu)雙自由度智能集成控制方法，其特征在 于所述補(bǔ)償控制器采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償控制器采用伺服系統(tǒng)的輸入、輸出數(shù)據(jù)在線 訓(xùn)練RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)器，使RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)器逼近被控對(duì)象的系統(tǒng)模型，實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng) 模型的變化；根據(jù)系統(tǒng)模型的變化情況，RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)器向模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償控制器 提供Jacobian信息，由模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償控制器對(duì)伺服系統(tǒng)的干擾進(jìn)行補(bǔ)償，徹底消除干 擾的影響。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種伺服電機(jī)的變結(jié)構(gòu)雙自由度智能集成控制方法，包括伺服系統(tǒng)、主控制器和補(bǔ)償控制器，主控制器由Bang-Bang控制器、解析模糊控制器和PI控制器組成；在電機(jī)工作的不同誤差區(qū)段，三個(gè)子控制器分工、協(xié)作輸出獨(dú)立控制信號(hào)或綜合控制信號(hào)，并與補(bǔ)償控制器輸出的信號(hào)進(jìn)行疊加后對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。本發(fā)明的有益技術(shù)效果是克服了結(jié)構(gòu)單一的主控制器的不足，使跟蹤性和抗干擾性同時(shí)達(dá)到更高的要求，充分發(fā)揮了各個(gè)子控制器的優(yōu)點(diǎn)；兩個(gè)子控制器之間的輸出采用模糊“軟切換”平滑過渡，改善了主控制器的性能，大大加快了補(bǔ)償控制器的收斂速度，增強(qiáng)對(duì)干擾的抑制能力。
文檔編號(hào)G05B13/04GK102109822SQ20111008370
公開日2011年6月29日 申請(qǐng)日期2011年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月2日
發(fā)明者徐凱, 許強(qiáng) 申請(qǐng)人:重慶交通大學(xué)