伺服系统的自适应模糊滑模最优控制研究
马义方,蔡际令,汪雄海
(浙江大学电气工程学院,浙江杭州310027)
摘 要:为提高无刷直流电机(BLDCM)位置伺服系统的动静态性能,提出了一种基于最优线性二次调节(LQR)策略的控制器设计方法.控制器由最优LQR、模糊控制器和滑模自适应调节器组成.依据状态变换和Lyapurnov稳定性定理,通过离线计算得到二次型优化控制初始值作为模糊控制器输入,由滑模自适应调节系统模糊参数降低Lyapurnov目标函数.对所设计的控制器分别作了空载、带负载及改变电机参数的仿真试验.仿真实验结果表明,该方法设计的控制器明显增强了无刷直流电机位置伺服系统的动静态性能、抗干扰能力和鲁棒性.控制输出能快速平稳地跟随参考位置信号.
关键词:位置伺服系统;模糊滑模控制;无刷直流电机
中图分类号:TM27.351 文献标识码:A 文章编号:1008 973X(2006)06 1032 04
无刷直流电机是一种永磁同步三相交流电机.无刷直流电机在很多高性能的伺服系统中得到广泛的应用,如航天领域、机器人等.但是一般伺服系统在电机参数变化、负载扰动等情况下,伺服系统的动态响应变差,伺服精度降低,因此提高无刷直流电机伺服系统的特性指标与鲁棒性是工程应用领域十分关心的.
随着计算机微电子应用技术的成熟,近年来人们探索了将模糊滑模控制用于伺服系统的技术.Huang等人[1]研究了用变结构滑模控制原理的自适应模糊控制抑止无刷直流伺服系统的噪声干扰,并做了定性分析,取得了一定效果.Rojko等人[2]探讨了模糊滑模控制估算无刷直流伺服系统的负载扰动.目前高精度伺服系统仍有不少技术问题急待解决.
常规模糊滑模的初始控制点由专家经验知识库确定,系统精度与性能对其依赖性大,直接影响系统的动静态性能和鲁棒性.本文采用二次型最优调节、模糊控制器及滑模自适应调节器组成控制器,运用两步优化策略:二次型最优控制和滑模自适应调节优化策略.前者离线优化二次型性能指标,得到二次型最优控制参数;后者调节模糊系统参数,在线降低李雅普洛夫目标函数.无刷直流电机位置控制系统中,模糊滑模的初始控制点由线性二次型最优控制来实现,替代常规控制方法中模糊参数初始值凭经验设定,并对所设计系统的控制输出响应曲线作了详细分析.
1 无刷直流位置伺服系统模型
2 控制器设计
位置控制器GC结构如图2.图2中二次型最优控制计算的初始控制值uf作为模糊控制的输入信号;自适应调节律根据滑模状态轨线在线调节模糊控制输出模糊集的隶属度函数的中心位置;最后由
制跟随快速平稳.图4(c)为系统加入幅值0~1.0均匀分布的白噪声d、电机参数变化2%,带载启动试验的系统控制器输出u和位置信号p响应曲线,由曲线可知,白噪声及电机参数变化影响很小.图4(d)为上述条件下,第0.5 s加扰动转矩0.5 N•m时的响应曲线.曲线分析表明:在噪声干扰、电机参数变化及附加转矩扰动时,对伺服系统的输出性能影响不大.说明该控制系统具有良好的鲁棒性与动静态性能.
常规控制器与本文新型自适应模糊滑模最优控制带载启动时,局部系统性能数据对照见表1.可知与常规控制器相比,新型自适应模糊滑模最优控制系统的超调量Mp、调节时间ts和跟踪误差Δ明显优越.
4 结 语
本文提出了一种用于无刷直流电机位置伺服系统的控制器设计方法;由二次型最优调节、模糊控制器与自适应调节器组成新型控制器.通过加白噪声干扰和电机参数变化仿真试验及带载启动实验,结果表明对该伺服系统的输出性能影响微小.该方法设计的控制器具有控制输出跟随快速、平稳、抗干扰能力强的特点.有利于提高控制系统动静态性能及鲁棒性,可明显改善系统动态响应.实验结果为下一步设计实际控制系统打下了较好基础.
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