倒立擺伺服系統(tǒng)中的干擾補償控制
李向國，梅志千，王永秀
(1河海大學，江蘇常州213022；2國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局，北京100088)
摘要：研究了基于交流永磁同步電動機的倒立擺伺服系統(tǒng)的干擾補償控制問題。在采用頻率啊應法辨識出
電機速度環(huán)模型參數(shù)的基礎(chǔ)上，利用干擾觀測器對倒立擺伺服系統(tǒng)中由系統(tǒng)參數(shù)變化、機械非線性等產(chǎn)生的干擾
加以估計，并將其作為補償信號反饋到輸入端。實驗結(jié)果表明，采用干擾觀測器的倒立擺伺服系統(tǒng)具有較強的魯
棒性。
關(guān)鍵詞：倒立擺伺服系統(tǒng)；頻率響應法；干擾觀測器
O引 言
倒立擺在運行過程中經(jīng)常會受到未建模動態(tài)、系統(tǒng)參數(shù)變化和機械非線性等外部干擾，如果不對干擾進行觀測和補償，那么系統(tǒng)的控制性能就會變差，所以必須加以控制。在傳統(tǒng)的控制方法中，通常采用PID控制，該方法能有效地抑制階躍干擾，具有一定的魯棒性，但其對周期性的交變于擾抑制能力較差。此外，還可采用模型參考自適應控制、滑模變結(jié)構(gòu)法、神經(jīng)網(wǎng)絡控制、自抗擾控制器或結(jié)合智能控制等方法對系統(tǒng)中的干擾加以抑制，進而增強系統(tǒng)的魯棒性能，但這些方法通常都比較復雜。
本文采用由Ohnishi于1987年提出的干擾觀測器(以下簡稱DOB)對倒立擺伺服系統(tǒng)中的干擾加以抑制。在一定的模型誤差范圍內(nèi)，DOB具有響應快和可獨立調(diào)整的特點，能有效抑制階躍和交變干擾，且對系統(tǒng)參數(shù)變化具有較強的魯棒性。與其它方法相比，DOB無需額外的力或力矩傳感器，在設計時可選擇階次、相對階次和低通濾波器帶寬等參數(shù)，實現(xiàn)簡單，方法靈活，易于控制。
1由永磁同步電動機構(gòu)成的倒立擺伺服系統(tǒng)
交流永磁同步電動機的模型是一個多變量、非線性、強耦合系統(tǒng)。由永磁同步電動機構(gòu)成的倒立擺伺服系統(tǒng)是由電流環(huán)、速度環(huán)及位置環(huán)構(gòu)成的三環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。根據(jù)文獻[4]，可將該伺服系統(tǒng)中的速度環(huán)簡化為一階慣性環(huán)節(jié)
其中，J為系統(tǒng)折算到電機軸上的等價轉(zhuǎn)動慣量，B為粘性阻尼系數(shù)。圖1為倒立擺伺服系統(tǒng)原理圖，其中θT、θ、ω、d分別表示位置給定值、實際位置輸出、電機轉(zhuǎn)速和干擾項。干擾項包括建模時參數(shù)的不確定性以及非線性摩擦和負載變化等外部干擾。
位置控制器采用傳統(tǒng)的PID控制器，但在電機起動、停止或大幅增加給定值時，積分環(huán)節(jié)會產(chǎn)生積分積累，引起系統(tǒng)較大的超調(diào)，甚至振蕩，這對于伺服電機的運行是不利的。為了改善其性能，本設計采用PD控制，其傳遞函數(shù)為：
式中：Kp為比例系數(shù)，Kd為微分系數(shù)。
2 DOB的基本結(jié)構(gòu)
DOB可實現(xiàn)的形式如圖2所示。
圖中：u、d、d、ξ和y分別為外部輸入信號、干擾項、干擾估計項、測量噪聲和系統(tǒng)輸出；P(s)表示實際控制對象模型；Pn(s)表示名義模型，理論上與P(s)相等。為了使DOB易于實現(xiàn)，同時降低系統(tǒng)的測量噪聲，在DOB的輸出端串聯(lián)加入一個低通濾波器Q(s)。實際上，不管如何構(gòu)建模型，實際系統(tǒng)都不會和模型完全相同。DOB就是將實際輸出與重構(gòu)模型的輸出之差作為一個等效干擾，在估計出這個等效干擾之后，將其作為補償信號應用到輸入端以消除它對系統(tǒng)性能的影響。
由圖2可以得到：
式中：P、Pn、Q分別表示P(s)、Pn(s)、Q(s)。
如果Q(s)≈l，則：
這表明DOB使得實際系統(tǒng)的特性與重構(gòu)模型相似，同時增強了控制系統(tǒng)的魯棒性。
如果Q(s)≈O，則：
此時系統(tǒng)表現(xiàn)出開環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)特性，同時避免了測量噪聲。
由式(3)～式(5)可以看出，DOB的設計主要依靠Q(s)，它是決定系統(tǒng)魯棒性和抗干擾 |
