直線永磁同步伺服系統(tǒng)的滑模一神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制
仇翔，俞立，南余榮
(浙江工業(yè)大學(xué)，杭州310014)
摘要：針對直接驅(qū)動的直線永磁同步伺服系統(tǒng)，提出一種基于滑�？刂坪蜕窠�(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制相結(jié)臺的雙自由度控制策略。滑模輸人控制器保證了系統(tǒng)對給定的快速跟蹤性能；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出反饋控制器對系統(tǒng)參數(shù)攝動和外在阻力變化進行抑制，并削弱了滑�？刂埔鸬南到y(tǒng)抖振。該控制策略很好地解決了直線永磁同步伺服系統(tǒng)的跟蹤性能和魯棒性能之間的矛盾。仿真結(jié)果表明該方案在保證伺服系統(tǒng)快速性的同時，對參數(shù)攝動和阻力擾動(尤其是非線性時變擾動)具有很好的魯棒性。
0引 言
直線永磁同步電動機(以下簡稱PMLSM)是直接將電能轉(zhuǎn)換為直線運動的推力裝置，將負(fù)載直接與PMLSM的動子相連，消除了機械速度變換機構(gòu)所帶來的一些不良影響，如摩擦、機械后沖、彈性形變等，在高精度、微進給伺服系統(tǒng)中成為執(zhí)行機構(gòu)****選擇。但是，由于直線電機的動子直接驅(qū)動負(fù)載，負(fù)載變化和外部干擾將直接影響伺服系統(tǒng)的性能，同時，直線電機的端部效應(yīng)、系統(tǒng)參數(shù)(動子質(zhì)量、粘滯摩擦系數(shù)等)的變化、摩擦阻力的非線性變化以及狀態(tài)的觀測噪聲等都會降低系統(tǒng)的伺服性能。為了保證系統(tǒng)的性能，傳統(tǒng)的PID控制已無法勝任，需要尋求新的控制方法使系統(tǒng)在保證快速跟蹤性能的同時，對不確定擾動具有很強的魯棒性。
常規(guī)的單自由度控制結(jié)構(gòu)很難同時保證系統(tǒng)對輸入的跟蹤性能和對擾動的抗擾性能。雙自由度(2DOF)控制是通過對給定輸入響應(yīng)的控制器c1(s)和對擾動響應(yīng)的控制器c2(s)進行相互獨立設(shè)計，可以解決跟蹤性能和抗擾性能之間的矛盾。
滑模變結(jié)構(gòu)控制具有快速性、魯棒性和實現(xiàn)簡單等優(yōu)點，使系統(tǒng)對不確定參數(shù)、參數(shù)變化、數(shù)學(xué)描述的不確定性及外部擾動具有不變性。但是在實際系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)在時間和空間上存在著滯后，滑模切換控制的不連續(xù)性將使系統(tǒng)產(chǎn)生“抖振”現(xiàn)象，并且“抖振”的幅度與系統(tǒng)參數(shù)變化的范圍及外部擾動的幅值成正比關(guān)系�！岸墩瘛睂⒂绊懼苯域�(qū)動伺服系統(tǒng)的平穩(wěn)性和定位精度，增加能量損耗等。
本文采用滑�？刂品椒▉碓O(shè)計雙自由度控制系統(tǒng)中的輸人控制器c1(s)，從而得到一種具有強魯棒性的滑模雙自由度控制方案；采用具有很強的學(xué)習(xí)能力的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法來設(shè)計雙自由度控制系統(tǒng)的輸出反饋控制器c2(s)，通過在線學(xué)習(xí)能夠在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時，對參數(shù)攝動和擾動(尤其是非線性時變擾動)進行有效的抑制補償，并且削弱滑�？刂频亩墩�，提高伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。
1 PMILSM的數(shù)學(xué)模型
PMLSM的基本結(jié)構(gòu)及交流直線伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理詳見文獻，當(dāng)我們僅考慮基波分量，可以使用d-q軸模型。電壓及磁鏈方程為：
電磁推力表達式為：
對PMLsM進行基于轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制，如
圖1所示，
即要求動子電流矢量與定子永磁體磁場在空間上正交，電流內(nèi)環(huán)采用勵磁分量id=0的控制策略，電磁推力Fm與iy成正比�？紤]到PMLsM存在端部效應(yīng)產(chǎn)生的等效阻力Fd．這里將其等效為負(fù)載阻力的一部分，總表示為F1。則PMLSM的運動方程為：
式中：id、iq為動子電樞d軸、q軸電流；ud、uq為動子電樞d軸、q軸電壓；Ld、Lq分別是動子電樞d軸、q軸同步電感；R為動子電樞電阻；M為動子和動子所帶負(fù)載的總質(zhì)量；B為粘滯摩擦系數(shù)；v為動子速度；τ為極距；ψ為定子永磁體產(chǎn)生的勵磁磁鏈；K1為電磁推力系數(shù)；F1為負(fù)載阻力(含端部效應(yīng)產(chǎn)生的等效阻力)。
2滑模一神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)雙自由度控制
由于滑模變結(jié)構(gòu)控制是通過高頻切換控制使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)在動態(tài)過程中做有目的的改變，使系統(tǒng)運動狀態(tài)對不確定因素、參數(shù)變化、數(shù)學(xué)模型的不確定性及外部擾動具有不確定性。同時，滑模控制具有快速響應(yīng)的優(yōu)點。因此，為了保證系統(tǒng)具有良好的動態(tài)跟蹤性能，引入滑�？刂品椒▉碓O(shè)計輸入控制器。用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法來設(shè)計輸出反饋控制器，由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強的自學(xué)習(xí)能力，能夠?qū)Ω鞣N擾動和模型的參數(shù)攝動進行實時學(xué)習(xí)，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的 |
