專利名稱：伺服電機的變結構雙自由度智能集成控制方法
技術領域：
本發明涉及一種伺服電機的控制技術，尤其涉及一種伺服電機的變結構雙自由度 智能集成控制方法。
背景技術：
伺服系統的應用遍及社會各領域，交流伺服控制系統正成為伺服技術的主流；對 交流伺服系統的控制有兩項重要的技術指標跟蹤性和抗干擾性。跟蹤性是指在系統穩定 的前提下，伺服系統對外加的指令信號有很好的跟蹤能力，盡量與指令信號保持一致，能及 時、準確地復現指令信號；抗干擾性是指伺服系統在受到干擾使原始狀態受到破壞后，如何 快速抑制狀態繼續惡化并盡量恢復到原始狀態的能力。干擾是造成伺服系統性能下降的主 要因素，而影響伺服系統性能的干擾因素多種多樣負載轉矩擾動、摩擦擾動、參數變化擾 動、紋波轉矩擾動、諧波擾動等。特別是在微進給、精加工的數控機床中，一個很微小的擾動 往往會導致加工產品表面出現明顯的劃痕，從而降低產品質量，甚至使產品報廢。理想的伺服系統，要求其既能對給定指令信號具有良好的跟蹤性能，又要對干擾 有強的抑制能力。對單自由度的PID控制而言，其控制器在整定參數時往往要兼顧信號的 跟蹤和擾動抑制兩種性能，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網 絡辨識的單神經元PID控制，但究其本質，仍屬于單自由度的控制，存在著先天性不足。雙 自由度控制通過對給定輸入響應的主控制器和對抑制擾動響應的補償控制器進行相互獨 立的設計，可以解決跟蹤性和抗干擾性之間的矛盾。在實際系統中，由于伺服電機的數學模 型具有非線性、強耦合、時變的特點，并且各種干擾是隨機、多樣的，往往無法精確得到被控 系統的數學模型，給系統的控制增添了難度。當采用非智能雙自由度控制時，其控制器的參 數不能隨被控制對象的參數變化而變化，將會帶來控制性能的下降。目前，研究者正通過雙自由度控制與智能控制相結合的方法來解決此問題。模糊 控制和神經網絡控制均屬于智能控制的范疇，具有不依賴被控對象數學模型的優點，能很 好地克服系統中模型參數變化、非線性、干擾等不確定因素的影響。因此，在各種智能控制 方法的基礎上，取長補短，開發出雙自由度的智能綜合集成控制系統，這是伺服電機控制的 發展方向。雙自由度智能控制器的結構和算法直接影響著控制效果，對其控制器結構的深入 研究是當前工作中的一個重點。參考信號前饋型雙自由度控制是一種典型的控制結構。圖 1是現有技術中的一種基于神經網絡給定補償雙自由度伺服控制的原理圖，該方案能對跟 蹤和干擾分別進行控制。神經網絡NNl用于對被控伺服電機對象進行逆向建模；神經網絡 NN2與神經網絡NNl具有相同的結構和聯接權值，用以作為給定補償控制器，兩者僅輸入輸 出量不同。由

圖1可知，顕1可以同時對干擾進行辨識，并且NN2會隨之發生變化構成自適 應的前饋環節，從而達到對擾動的抑制。在現有的雙自由度伺服控制系統方案中，對給定輸入響應的主控制器通常采用常 規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中，對跟蹤性和抗干擾性兩項指標的要求都非常高。必須站在更高層次上考慮一些 更為細微的因素對伺服控制性能的影響，因此需要對以下兩個問題作進一步的深入研究(1)跟蹤性方面在最為嚴峻的階躍指令信號輸入情況下，是可以將跟蹤性指標 進一步細化為動態性(快速跟蹤)和穩態性(精確定位)兩個方面的。伺服系統對快速跟 蹤和精確定位的要求很高，二者又發生在不同的時域，而且具有矛盾性，若使用結構單一的 主控制器常常會顧此失彼。(2)抗干擾性方面用神經網絡進行補償控制，當遇到干擾時，其最大的缺點就是 過渡過程較慢，恢復至穩態的時間較長。如何加快神經網絡補償控制器的收斂速度，使其在 遇到干擾時，縮短過渡時間，迅速恢復至穩態，徹底地將干擾消除，增強對干擾抑制能力，這 是雙自由度伺服智能控制系統需要解決的又一問題。

發明內容
針對背景技術中的問題，本發明提出了一種伺服電機的變結構雙自由度智能集成 控制方法，包括伺服系統、為伺服系統提供跟蹤性能的主控制器、為伺服系統提供抗干擾性 能的補償控制器。其改進在于所述主控制器由三個子控制器組成，它們分別是Bang-Bang 控制器、解析模糊控制器和PI控制器，本文將這種三個子控制器結構的控制器定義為變結 構復合智能主控制器；針對電機工作時的不同誤差區段，1)或者三個子控制器中的一者單 獨輸出獨立控制信號。2)或者三個子控制器中的一者或兩者輸出控制信號a.只有一者輸 出控制信號時與步驟1)的情況相同，該子控制器輸出獨立控制信號；b.有兩者輸出控制信 號時，對兩個控制信號進行模糊綜合，形成綜合控制信號。3)子控制器輸出的獨立控制信號 或綜合控制信號，與補償控制器的輸出信號進行疊加后作用于伺服系統，對電機進行控制。步驟1)中，不同誤差區段之間無交疊區域；誤差較大時，Bang-Bang控制器輸出獨 立控制信號；誤差適中時，解析模糊控制器輸出獨立控制信號；誤差較小時，PI控制器輸出 獨立控制信號；獨立控制信號與補償控制器的輸出信號進行疊加后輸出到伺服系統。步驟2、中，按誤差大小順次排列的各個誤差區段在交界處有交疊區域；誤差較大 但又不在交疊區域時，Bang-Bang控制器輸出獨立控制信號；誤差適中但又不在交疊區域 時，解析模糊控制器輸出獨立控制信號；誤差較小但又不在交疊區域時，PI控制器輸出獨 立控制信號；獨立控制信號與補償控制器的輸出信號進行疊加后輸出到伺服系統；誤差處于較大區段與誤差適中區段的交疊區域時，Bang-Bang控制器和解析模糊 控制器同時輸出控制信號；誤差處于適中區段與誤差較小區段的交疊區域時，解析模糊控 制器和PI控制器同時輸出控制信號；對來自兩個子控制器的控制信號進行模糊綜合，形成 綜合控制信號，并將綜合控制信號與補償控制器的輸出信號進行疊加后輸出到伺服系統。劃分誤差區段時，以電機啟動時的指令信號與實際位置信號的誤差值el為分母，
el
以電機啟動過程中的指令信號與實際位置信號的誤差值e2為分子，按一XlOOy0所計算 出的百分比數值為依據，劃分誤差區域；步驟1)中的情況時，0 5%為誤差較小的區段，PI控制器單獨輸出獨立控制信 號；10% 20%為誤差適中的區段，解析模糊控制器單獨輸出獨立控制信號；20%以上為 誤差較大的區段，Bang-Bang控制器單獨輸出獨立控制信號；
步驟2)中情況時，0 10%為誤差較小的區段，5% 25%為誤差適中的區段， 20%以上為誤差較大的區段0 5%時，PI控制器單獨輸出獨立控制信號；5% 10%時， 解析模糊控制器和PI控制器同時輸出控制信號；10% 20%時，解析模糊控制器單獨輸 出獨立控制信號；20% 25%時，Bang-Bang控制器和解析模糊控制器同時輸出控制信號； 25%以上時，Bang-Bang控制器單獨輸出獨立控制信號。前述的有兩個子控制器同時輸出控制信號的情況時，根據如下方法對兩個子控制 器同時輸出的控制信號進行模糊綜合1)將兩個子控制器所適用的誤差區段的交疊區域等值劃分為10個誤差等級，10 個誤差等級分別對應X = 0，1，2，3，4，5，6，7，8或9，在兩個子控制器所適用的誤差區段的交 疊區域，當誤差處于該交疊區域內的最大值所在誤差等級時，χ取9，當誤差處于該交疊區 域內的最小值所在誤差等級時，χ取0 ；根據下式計算兩個子控制器輸出控制信號的作用強度
權利要求
1.一種伺服電機的變結構雙自由度智能集成控制方法，包括伺服系統、為伺服系統提 供跟蹤性能的主控制器、為伺服系統提供抗干擾性能的補償控制器，其特征在于所述主控 制器由三個子控制器組成，它們分別是Bang-Bang控制器、解析模糊控制器和PI控制器；針 對電機工作時的不同誤差區段，1)或者三個子控制器中的一者單獨輸出獨立控制信號；2) 或者三個子控制器中的一者或兩者輸出控制信號a.只有一者輸出控制信號時與步驟1) 的情況相同，該子控制器輸出獨立控制信號；b.有兩者輸出控制信號時，對兩個控制信號 進行模糊綜合，形成綜合控制信號；3)子控制器所輸出的獨立控制信號或綜合控制信號，與 補償控制器輸出的信號進行疊加后作用于伺服系統，對電機進行控制。
2.根據權利要求1所述的伺服電機的變結構雙自由度智能集成控制方法，其特征在 于步驟1)中，不同誤差區段之間無交疊區域；誤差較大時，Bang-Bang控制器輸出獨立控 制信號；誤差適中時，解析模糊控制器輸出獨立控制信號；誤差較小時，PI控制器輸出獨立 控制信號；獨立控制信號與補償控制器的輸出信號進行疊加后輸出到伺服系統。
3.根據權利要求1所述的伺服電機的變結構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誤差區段在交界處有交疊區域；誤差較大但又 不在交疊區域時，Bang-Bang控制器輸出獨立控制信號；誤差適中但又不在交疊區域時，解 析模糊控制器輸出獨立控制信號；誤差較小但又不在交疊區域時，PI控制器輸出獨立控制 信號；獨立控制信號與補償控制器的輸出信號進行疊加后輸出到伺服系統；當誤差處于較大區段與誤差適中區段的交疊區域時，Bang-Bang控制器和解析模糊控 制器同時輸出控制信號；當誤差處于適中區段與誤差較小區段的交疊區域時，解析模糊控 制器和PI控制器同時輸出控制信號；對來自兩個子控制器的控制信號進行模糊綜合，形成 綜合控制信號，并將綜合控制信號與補償控制器的輸出信號進行疊加后輸出到伺服系統。
4.根據權利要求1、2或3所述的伺服電機的變結構雙自由度智能集成控制方法，其特 征在于以電機啟動時的指令信號與實際位置信號的誤差值el為分母，以電機啟動過程中 的指令信號與實際位置信號的誤差值^為分子，按
5.根據權利要求1或3所述的伺服電機的變結構雙自由度智能集成控制方法，其特征 在于有兩個子控制器同時輸出控制信號時，根據如下方法對兩個子控制器同時輸出的控制信號進行模糊綜合1)將兩個子控制器所適用的誤差區段的交疊區域等值劃分為10個誤差等級，10個誤差等級分別對應X =0，1，2，3，4，5，6，7，8或9，在兩個子控制器所適用的誤差區段的交疊區域，當誤差處于該交疊區域內的最大值所在誤差等級時ι取9，當誤差處于該交疊區域 內的最小值所在誤差等級時，ι取0 ；根據下式計算兩個子控制器輸出的控制信號的作用強度
6.根據權利要求1所述的伺服電機的變結構雙自由度智能集成控制方法，其特征在 于所述補償控制器采用模糊神經網絡補償控制器采用伺服系統的輸入、輸出數據在線 訓練RBF神經網絡辨識器，使RBF神經網絡辨識器逼近被控對象的系統模型，實時跟蹤系統 模型的變化；根據系統模型的變化情況，RBF神經網絡辨識器向模糊神經網絡補償控制器 提供Jacobian信息，由模糊神經網絡補償控制器對伺服系統的干擾進行補償，徹底消除干 擾的影響。
全文摘要
本發明公開了一種伺服電機的變結構雙自由度智能集成控制方法，包括伺服系統、主控制器和補償控制器，主控制器由Bang-Bang控制器、解析模糊控制器和PI控制器組成；在電機工作的不同誤差區段，三個子控制器分工、協作輸出獨立控制信號或綜合控制信號，并與補償控制器輸出的信號進行疊加后對電機進行控制。本發明的有益技術效果是克服了結構單一的主控制器的不足，使跟蹤性和抗干擾性同時達到更高的要求，充分發揮了各個子控制器的優點；兩個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，大大加快了補償控制器的收斂速度，增強對干擾的抑制能力。
文檔編號G05B13/04GK102109822SQ20111008370
公開日2011年6月29日 申請日期2011年4月2日 優先權日2011年4月2日
發明者徐凱, 許強 申請人:重慶交通大學