基于阻力扰动估计器的直线伺服系统三自由度滑模控制
关 新, 孙宜标, 关玉昆
(1.沈阳工业大学电气工程学院,辽宁沈阳110023;2.辽宁大学数学系,辽宁沈阳110036)
摘 要:针对直接驱动的永磁直线同步电动机(PMLSM)伺服系统,应用滑模控制理论,设计具有三自由度的速度控制器C={C1,C2,C3}.同时也消除了滑模控制的抖振.仿真结果表明该方案可同时提高系统跟踪特性和鲁棒性.
关键词:滑模控制;三自由度控制;永磁同步直线电动机;阻力扰动估计器.
中图分类号:TP273 文献标识码:A 文章编码:1000-5846(2002)03-0241-06
为了保证系统的跟踪精度和鲁棒性,本文在双自由度控制的基础上,应用滑模控制理论,设计出一种具有三自由度的速度控制器C={C1,C2,C3}.其中控制器C1设计为具有强鲁棒性的滑模控制器,保证了系统跟踪指令的能力.反馈控制器C2的设计,能有力地补偿扰动,但并不能完全补偿,因为扰动衰减(灵敏度函数)的截止频率不能设得太高.扰动的衰减和对传感器噪声或参数波动影响的衰减之间是折中的关系.为了在保证系统的跟踪性能的基础上,完全消除扰动的影响,附加了补偿控制器C3,其输入为负载阻力Fl的估计值F∧l,这保证了系统对阻力扰动的抑制能力.同时,还可以消除滑模控制所产生抖振的影响.
1 永磁直线同步电动机(PMLSM)及其数学模型
交流永磁直线同步电动机是直接将交流电能转换为直线运动的推力装置.其基本结构如图1所示.从图中可以看出,PMLSM包括安装电动机绕组的短初级(动子),放置永磁体的长次级(定子),支撑初级的导轨和机座等部分.其中动子在磁场的作用下直接产生直线运动.由于PMLSM的定子及动子的两端开断而产生端部效应,它将产生推力波动,从而影响伺服系统的性能.
交流直线伺服系统的结构及原理详见文献[1].电流内环采用励磁分量id=0的控制策略,则PMLSM的运动方程为
由图3中的常规PI控制速度曲线存在很大的超调和速降,且过渡过程时间小于和速降恢复时间长,跟踪性能和鲁棒性能最差.
由图4可知一维滑模控制过渡过程时间较短,但在阻力扰动的作用下有速降,并存在稳态误差.由于系统参数变化和外在扰动的影响,有一定程度的抖振现象.由图5可看出在突加扰动且模型变化时三自由度滑模控制在跟踪速度给定时无超调,并大大地削弱了阻力扰动对速度的影响,对系统参数变化和外在扰动具有很强的鲁棒性,且稳态时基本没有抖振现象.过滤过程时间小于0.1s且速降恢复时间很短,系统具有很好的跟踪特性.
7 结论
本文提出的三自由度滑模控制策略其实质是实现给定跟踪,负载阻力扰动补偿的一种复合棒控制,它解决了系统跟踪性能和抗扰性能之间的矛盾.仿真结果表明,该控制策略在保证直线伺服系统的快速跟踪性能的同时,对系统参数变化和外部扰动具有极强的鲁棒性,大大提高了直线伺服系统的伺服精度.
参考文献:
[1] 孙宜标,郭庆鼎,石丽梅.基于推力观测器的直线式交流伺服系统滑模变结构控制[J].电工技术学报,1998,2.
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