本發(fā)明涉及電機控制器領(lǐng)域，特別是一種超聲波電機反步自適應(yīng)伺服控制方法。
背景技術(shù)：
：現(xiàn)有的超聲波電機反步自適應(yīng)伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計中考慮了總集不確定項，而總集不確定項包含了驅(qū)動系統(tǒng)中出現(xiàn)的交叉耦合的擾動。為了改善跟隨的控制效果，將比較復(fù)雜的非線性系統(tǒng)分解成不超過系統(tǒng)階數(shù)的若干個子系統(tǒng)，之后在每個子系統(tǒng)當(dāng)中設(shè)計部分的Lyapunov函數(shù)和中間虛擬控制量，然后一直反推，直到整個系統(tǒng)，最后本發(fā)明在將這些整合起來完成整個控制律的設(shè)計。從多種軌跡跟隨的實作結(jié)果中，本發(fā)明發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)在運動跟蹤效果上有著顯著的改善，且參數(shù)的變動、噪聲、交叉耦合的干擾和摩擦力等因素幾乎無法對于運動系統(tǒng)效果造成影響，故反步自適應(yīng)控制系統(tǒng)能有效的增進系統(tǒng)的控制效能，并進一步減少系統(tǒng)對于不確定性的影響程度。因此電機的位置與速度控制可以獲得較好的動態(tài)特性。技術(shù)實現(xiàn)要素：有鑒于此，本發(fā)明的目的是提出一種超聲波電機反步自適應(yīng)伺服控制方法，不僅控制準確度高，而且結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，使用效果好。本發(fā)明采用以下方案實現(xiàn)：一種超聲波電機反步自適應(yīng)伺服控制方法，包括基座以及設(shè)置在基座上的超聲波電機，將所述超聲波電機的一側(cè)輸出軸與光電編碼器相連接，將所述超聲波電機的另一側(cè)輸出軸與飛輪慣性負載相連接，將所述飛輪慣性負載的輸出軸經(jīng)聯(lián)軸器與力矩傳感器相連接，所述光電編碼器的信號輸出端、所述力矩傳感器的信號輸出端均連接至控制系統(tǒng)；使用反步控制方法對系統(tǒng)進行伺服控制，系統(tǒng)的魯棒控制器以反步為調(diào)整函數(shù)，用反步控制器來控制所述超聲波電機的電機轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度。進一步地，所述控制系統(tǒng)包括超聲波電機驅(qū)動控制電路，所述超聲波電機驅(qū)動控制電路包括控制芯片電路和驅(qū)動芯片電路，所述光電編碼器的信號輸出端與所述控制芯片電路的相應(yīng)輸入端相連接，所述控制芯片電路的輸出端與所述驅(qū)動芯片電路的相應(yīng)輸入端相連接，用以驅(qū)動所述驅(qū)動芯片電路，所述驅(qū)動芯片電路的驅(qū)動頻率調(diào)節(jié)信號輸出端和驅(qū)動半橋電路調(diào)節(jié)信號輸出端分別與所述超聲波電機的相應(yīng)輸入端相連接；所述控制芯片電路中設(shè)置有反步自適應(yīng)控制器。進一步地，所述聯(lián)軸器為彈性聯(lián)軸器。進一步地，所述超聲波電機、光電編碼器、力矩傳感器分別經(jīng)超聲波電機固定支架、光電編碼器固定支架、力矩傳感器固定支架固定于所述基座上。進一步地，所述反步控制器中的控制規(guī)律如下:其中，v(t)表示虛擬中間過程變量的估計值，v1(t)表示虛擬中間過程變量，表示虛擬中間過程變量的可變參數(shù)，表示系統(tǒng)狀態(tài)變量除去最高階以外其他階次的系數(shù)矩陣導(dǎo)數(shù)，表示M(t)對時間的一階導(dǎo)數(shù)，M(t)表示第n步時系統(tǒng)實際輸出值與目標值之間的誤差絕對值與時間乘積的比例，表示的估計值，cn表示給定的大于0的參數(shù)，zn表示第n步時系統(tǒng)實際輸出值與目標值之間的誤差，xd表示控制系統(tǒng)需要跟蹤的目標軌跡曲線，表示待設(shè)計的狀態(tài)變量(設(shè)計方法如后所示)，η表示系統(tǒng)預(yù)設(shè)的參數(shù)，Γ表示系統(tǒng)預(yù)設(shè)的參數(shù)，Y表示系統(tǒng)狀態(tài)變量去掉最高階以外其他階次的組合情況，γ表示給定的大于0的參數(shù)。較佳的，為了更好地闡述本發(fā)明，以下更加具體地描述本發(fā)明的技術(shù)方案。其中，所述超聲波電機驅(qū)動系統(tǒng)的動態(tài)方程可以寫為：θ··(t)=Apθ·r(t)+1BPU(t)+CP(TL+Tf(v))---(1)]]>其中Ap＝-B/J,BP＝J/Kt＞0,CP＝-1/J；B為阻尼系數(shù)，J為轉(zhuǎn)動慣量，Kt為電流因子，Tf(v)為摩擦阻力力矩，TL為負載力矩，U(t)是電機的輸出力矩，θr(t)為通過光電編碼器測量得到的位置信號?，F(xiàn)在先假設(shè)系統(tǒng)的參數(shù)都是已知的，外力干擾、交叉耦合干擾和摩擦力都是不存在的，則電機的標準模型為下式所示：θ··r(t)=Anθ·r(t)+BnU(t)---(2)]]>其中An為Ap之標準值，Bn為BP之標準值。假如產(chǎn)生不確定項(如系統(tǒng)參數(shù)值偏離了標準值或是系統(tǒng)出現(xiàn)了外力干擾，交叉耦合干擾和摩擦力矩等)，此時控制系統(tǒng)的動態(tài)方程修改成：θ··r(t)=Anθ·r(t)+BnU(t)+D(t)---(3)]]>其中Cn為CP之標準值，ΔA，ΔB、ΔC代表微小變化量，D(t)為總集不確定項，定義為：D(t)=ΔAθ·r(t)+ΔBU(t)+(Cn+ΔC)(TL+Tf(v))---(4)]]>在這里本發(fā)明將總集不確定項的邊界假設(shè)為已知，如|D(t)|≤ρ，ρ為一個給定的正常數(shù)項。為了避免電機中出現(xiàn)不可預(yù)期的不確定項，本發(fā)明使用反步控制方法對系統(tǒng)進行控制。非線性系統(tǒng)動力學(xué),可以重新表示成x·1=x2...x·n-1=xnx·n=-Σi=1kaiYi(xi(t),...xn(t))+b{p0v(t)-d[v](t)}]]>=aTY+bpv(t)-db[v](t)---(5)]]>其中x1(t)＝x(t)，a＝[-a1,-a2,.....,-an]T，bp＝bp0，db[v]＝d[v](t)，db[v]為(4)的不確定項。在自適應(yīng)控制設(shè)計中本發(fā)明使用反步算法來實現(xiàn)控制目標，本發(fā)明做出以下假設(shè)z1=x1-x2,zi=xi-xd(i-1)-ai-1,i=2,3...n---(6)]]>接下來,利用魯棒自適應(yīng)控制律是要設(shè)計成一個不連續(xù)的控制器。首先,本發(fā)明給出下面的定義：式(7)中是a(t)的誤差值，是的誤差值，是M的誤差值，定義a(t)表示系統(tǒng)狀態(tài)變量的系數(shù)，表示狀態(tài)誤差變量與虛擬控制的積，M表示狀態(tài)誤差變量。本發(fā)明設(shè)計以下控制律：v1(t)=-cnzn-zn-1-a^TY-sgn(zn)D^+xd(n)+a·n-1]]>a^·(t)=ΓYzn]]>M·(t)=γ|zn|]]>(8)]]>其中cn,n,γ是正實數(shù)，Γ是一個正定矩陣。這些參數(shù)可以提供一定程度的自由來決定其適應(yīng)性。an-1將在下面的定理的證明設(shè)計進行穩(wěn)定性分析。對于zn的設(shè)計，具體設(shè)計如下:第一步：z1的時間倒數(shù)可以表示為：虛擬控制a1可以設(shè)計為a1＝-c1z1，c1是一個正數(shù)。因此,本發(fā)明可以得到第一個跟蹤誤差方程：第二步：對于z2來說，有z·2=-c2z2-z1+z3---(10)]]>第n步：第n步的魯棒自適應(yīng)控制動態(tài)跟蹤方程：z·n=bpv(t)+aTY-xdn-α·n-1+db[v](t)---(11)]]>控制器bpv(t)可以表達成：因此，本發(fā)明可以得到最后，本發(fā)明建立一個Lyapunov函數(shù)：導(dǎo)數(shù)式(14)和(15)表明V是非增的，因此變量z1,z2,…zn,的有界性有了保證。通過引用LaSalle-Yoshizawa定理，滿足zi→0,i＝1,2,…n時間趨于無窮時，意味著本發(fā)明使用反步控制器來控制電機轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度。本發(fā)明的有益效果是使用超聲波電機反步控制器的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)在運動跟蹤效果上有著顯著的改善且參數(shù)的變動、噪聲、交叉耦合的干擾和摩擦力等因素幾乎無法對于運動系統(tǒng)效果造成影響，故反步控制器的系統(tǒng)能有效的增進系統(tǒng)的控制效能，并進一步減少系統(tǒng)對于不確定性的影響程度，提高了控制的準確性，可以獲得較好的動態(tài)特性。此外，該裝置設(shè)計合理，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，制造成本低，具有很強的實用性和廣闊的應(yīng)用前景。附圖說明圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。[主要組件符號說明]圖中：1為光電編碼器，2為光電編碼器固定支架，3為超聲波電機輸出軸，4為超聲波電機，5為超聲波電機固定支架，6為超聲波電機輸出軸，7為飛輪慣性負載，8為飛輪慣性負載輸出軸，9為彈性聯(lián)軸器，10為力矩傳感器，11為力矩傳感器固定支架，12為基座，13為控制芯片電路，14為驅(qū)動芯片電路，15、16、17為光電編碼器輸出的A、B、Z相信號，18、19、20、21為驅(qū)動芯片電路產(chǎn)生的驅(qū)動頻率調(diào)節(jié)信號，22為驅(qū)動芯片電路產(chǎn)生的驅(qū)動半橋電路調(diào)節(jié)信號，23、24、25、26、27、28為控制芯片電路產(chǎn)生的驅(qū)動芯片電路的信號，29為超聲波電機驅(qū)動控制電路。具體實施方式下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明做進一步說明。如圖1所示，本實施例提供了一種超聲波電機反步自適應(yīng)伺服控制方法，包括基座以及設(shè)置在基座上的超聲波電機，將所述超聲波電機4的一側(cè)輸出軸3與光電編碼器1相連接，將所述超聲波電機4的另一側(cè)輸出軸6與飛輪慣性負載7相連接，將所述飛輪慣性負載的輸出軸8經(jīng)聯(lián)軸器9與力矩傳感器10相連接，所述光電編碼器的信號輸出端、所述力矩傳感器的信號輸出端均連接至控制系統(tǒng)；使用反步控制方法對系統(tǒng)進行伺服控制，系統(tǒng)的魯棒控制器以反步為調(diào)整函數(shù)，用反步控制器來控制所述超聲波電機的電機轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度。如圖2所示，在本實施例中，所述控制系統(tǒng)包括超聲波電機驅(qū)動控制電路，所述超聲波電機驅(qū)動控制電路包括控制芯片電路和驅(qū)動芯片電路，所述光電編碼器的信號輸出端與所述控制芯片電路的相應(yīng)輸入端相連接，所述控制芯片電路的輸出端與所述驅(qū)動芯片電路的相應(yīng)輸入端相連接，用以驅(qū)動所述驅(qū)動芯片電路，所述驅(qū)動芯片電路的驅(qū)動頻率調(diào)節(jié)信號輸出端和驅(qū)動半橋電路調(diào)節(jié)信號輸出端分別與所述超聲波電機的相應(yīng)輸入端相連接；所述控制芯片電路中設(shè)置有反步自適應(yīng)控制器。圖2中，13為控制芯片電路，14為驅(qū)動芯片電路，15、16、17為光電編碼器輸出的A、B、Z相信號，18、19、20、21為驅(qū)動芯片電路產(chǎn)生的驅(qū)動頻率調(diào)節(jié)信號，22為驅(qū)動芯片電路產(chǎn)生的驅(qū)動半橋電路調(diào)節(jié)信號，23、24、25、26、27、28為控制芯片電路產(chǎn)生的驅(qū)動芯片電路的信號，29為超聲波電機驅(qū)動控制電路。在本實施例中，所述聯(lián)軸器為彈性聯(lián)軸器。在本實施例中，所述超聲波電機、光電編碼器、力矩傳感器分別經(jīng)超聲波電機固定支架5、光電編碼器固定支架2、力矩傳感器固定支架11固定于所述基座12上。在本實施例中，所述反步控制器中的控制規(guī)律如下:其中，v(t)表示虛擬中間過程變量的估計值，v1(t)表示虛擬中間過程變量，表示虛擬中間過程變量的可變參數(shù)，表示系統(tǒng)狀態(tài)變量除去最高階以外其他階次的系數(shù)矩陣導(dǎo)數(shù)，表示M(t)對時間的一階導(dǎo)數(shù)，M(t)表示第n步時系統(tǒng)實際輸出值與目標值之間的誤差絕對值與時間乘積的比例，表示的估計值，cn表示給定的大于0的參數(shù)，zn表示第n步時系統(tǒng)實際輸出值與目標值之間的誤差，xd表示控制系統(tǒng)需要跟蹤的目標軌跡曲線，表示待設(shè)計的狀態(tài)變量，η表示系統(tǒng)預(yù)設(shè)的參數(shù)，Γ表示系統(tǒng)預(yù)設(shè)的參數(shù)，Y表示系統(tǒng)狀態(tài)變量去掉最高階以外其他階次的組合情況，γ表示給定的大于0的參數(shù)。較佳的，為了更好地闡述本實施例，以下更加具體地描述本發(fā)明的技術(shù)方案。其中，所述超聲波電機驅(qū)動系統(tǒng)的動態(tài)方程可以寫為：θ··(t)=Apθ·r(t)+1BPU(t)+CP(TL+Tf(v))---(1)]]>其中Ap＝-B/J,BP＝J/Kt＞0,CP＝-1/J；B為阻尼系數(shù)，J為轉(zhuǎn)動慣量，Kt為電流因子，Tf(v)為摩擦阻力力矩，TL為負載力矩，U(t)是電機的輸出力矩，θr(t)為通過光電編碼器測量得到的位置信號?，F(xiàn)在先假設(shè)系統(tǒng)的參數(shù)都是已知的，外力干擾、交叉耦合干擾和摩擦力都是不存在的，則電機的標準模型為下式所示：θ··r(t)=Anθ·r(t)+BnU(t)---(2)]]>其中An為Ap之標準值，Bn為BP之標準值。假如產(chǎn)生不確定項(如系統(tǒng)參數(shù)值偏離了標準值或是系統(tǒng)出現(xiàn)了外力干擾，交叉耦合干擾和摩擦力矩等)，此時控制系統(tǒng)的動態(tài)方程修改成：θ··r(t)=Anθ·r(t)+BnU(t)+D(t)---(3)]]>其中Cn為CP之標準值，ΔA，ΔB、ΔC代表微小變化量，D(t)為總集不確定項，定義為：D(t)=ΔAθ·r(t)+ΔBU(t)+(Cn+ΔC)(TL+Tf(v))---(4)]]>在這里本實施例將總集不確定項的邊界假設(shè)為已知，如|D(t)|≤ρ，ρ為一個給定的正常數(shù)項。為了避免電機中出現(xiàn)不可預(yù)期的不確定項，本實施例使用反步控制方法對系統(tǒng)進行控制。非線性系統(tǒng)動力學(xué),可以重新表示成x·1=x2...x·n-1=xnx·n=-Σi=1kaiYi(xi(t),...xn(t))+b{p0v(t)-d[v](t)}]]>=aTY+bpv(t)-db[v](t)---(5)]]>其中x1(t)＝x(t)，a＝[-a1,-a2,.....,-an]T，bp＝bp0，db[v]＝d[v](t)，db[v]為(4)的不確定項。在自適應(yīng)控制設(shè)計中本實施例使用反步算法來實現(xiàn)控制目標，本實施例做出以下假設(shè)z1=x1-x2,zi=xi-xd(i-1)-ai-1,i=2,3...n---(6)]]>接下來,利用魯棒自適應(yīng)控制律是要設(shè)計成一個不連續(xù)的控制器。首先,本實施例給出下面的定義：式(7)中是a(t)的誤差值，是的誤差值，是M的誤差值，定義a(t)表示系統(tǒng)狀態(tài)變量的系數(shù)，表示狀態(tài)誤差變量與虛擬控制的積，M表示狀態(tài)誤差變量。本實施例設(shè)計以下控制律：v1(t)=-cnzn-zn-1-a^TY-sgn(zn)D^+xd(n)+a·n-1]]>a^·(t)=ΓYzn]]>M·(t)=γ|zn|]]>(8)]]>其中cn,n,γ是正實數(shù)，Γ是一個正定矩陣。這些參數(shù)可以提供一定程度的自由來決定其適應(yīng)性。an-1將在下面的定理的證明設(shè)計進行穩(wěn)定性分析。對于zn的設(shè)計，具體設(shè)計如下:第一步：z1的時間倒數(shù)可以表示為：虛擬控制a1可以設(shè)計為a1＝-c1z1，c1是一個正數(shù)。因此,本實施例可以得到第一個跟蹤誤差方程：第二步：對于z2來說，有z·2=-c2z2-z1+z3---(10)]]>第n步：第n步的魯棒自適應(yīng)控制動態(tài)跟蹤方程：z·n=bpv(t)+aTY-xdn-α·n-1+db[v](t)---(11)]]>控制器bpv(t)可以表達成：因此，本實施例可以得到最后，本實施例建立一個Lyapunov函數(shù)：導(dǎo)數(shù)式(14)和(15)表明V是非增的，因此變量z1,z2,…zn,的有界性有了保證。通過引用LaSalle-Yoshizawa定理，滿足zi→0,i＝1,2,…n時間趨于無窮時，意味著本實施例使用反步控制器來控制電機轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，凡依本發(fā)明申請專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。當(dāng)前第1頁1 2 3