具有状态约束的机电伺服系统自适应鲁棒控制

摘要/Abstract

摘要：

针对执行器动态及其状态受限、状态中存在测量噪声的问题，为伺服系统设计了一种基于非线性高增益观测器的自适应非线性鲁棒跟踪方法.基于系统位置测量值设计高增益观测器，利用滤波器消除噪声对观测器精度的影响，采用自适应律估计观测器增益，以保证观测器的鲁棒性.在设计过程中，引入一种新的障碍Lyapunov函数，以限制中间控制信号的幅值而满足系统对状态变量的约束要求，并通过Lyapunov方法验证了闭环系统的一致有界稳定性.结果表明，所提出的方法能够准确估算负载位置和速度.与传统的控制方法相比，其所观测的信息量较充分、估计精度较高、抗干扰能力及参数变化的鲁棒性较强.

关键词: 机电伺服系统, 状态约束, 高增益状态观测器, 障碍Lyapunov函数

Abstract:

A nonlinear adaptive robust tracking strategy based on high-gain observer was designed for the servo system with state constraint for actuator dynamics and state measurement noise. A high-gain observer based on the value of the position measurement system was introduced, which consisted of a series of filters to eliminate the noise on the accuracy of the observer and the gain was estimated to ensure the observer robustness. A novel barrier Lyapunov function was proposed for tracking desired guidance commands. In the process of the design, requirements on system states could be satisfied by limiting the magnitude of the virtual control signals. The entire uniform bounded stability of the closed-loop system was proved by Lyapunov method. The system test shows the method suggested in this paper can estimate the speed and position of the load. Compared with the traditional control method, it has the advantages of strong anti-jamming capability, good robustness and rapid speed.

Key words: mechatronic servo system, state constraint, high gain observer, barrier Lyapunov function

中图分类号:

TH 113

吴跃飞1，胡智琦2，马大为1，姚建勇1，乐贵高1. 具有状态约束的机电伺服系统自适应鲁棒控制[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2014, 48(05): 707-712.

WU Yuefei1，HU Zhiqi2,MA Dawei1，YAO Jianyong1，LE Guigao1.

Adaptive Robust Control for Mechatronic Servo System with State Constraints

[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2014, 48(05): 707-712.

参考文献

［1］许文秉, 杨斌堂, 孟光, 等. 大负载精密驱动超磁致伸缩直线电机动力学建模与仿真［J］. 上海交通大学学报, 2012,46(3)：480486.

XU Wenbing, YANG Bintang, MENG Guang, et al. Dynamic modeling and simulation to precision positioning magnetostrictive inchworm linear motor ［J］. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2012, 46(3): 480486.

［2］王晶鑫, 姜建国. 基于自适应变结构的矩阵变换器驱动感应电机直接转矩控制［J］. 上海交通大学学报, 2010, 44(9): 12761281.

WANG Jingxin, JIANG Jianguo. An Approach for direct torque control of induction motor fed by a matrix converter based on adaptive variable structure ［J］. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2010, 44(9): 12761281.

［3］Keng P T, Ge S S, Francis E H. Barrier Lyapunov functions for the control of outputconstrained nonlinear systems ［J］. Automatica, 2009, 45(4): 918927.

［4］Bans B R, Keng P T, Ge S S, et al. Adaptive neural control for output feedback nonlinear systems using a barrier Lyapunov function［J］. IEEE Trasactions on Neural Networks, 2010, 21(8): 13391345.

［5］Sane H S, Bernstein D S. Robust nonlinear control of the electromagnetically controlled oscillator［C］//Proceedings American Control Conference. Anchorage, AK: IEEE, 2002, 21(8): 809814.

［6］刘栋, 梅雪松, 张东生. 基于多采样率控制的伺服系统摩擦补偿研究［J］. 中国电机工程学报, 2011, 31(24)： 111117.

LIU Dong, MEI Xuesong, ZHANG Dongsheng. The study on the multisample rate controlbased to compensate the friction of servo systems ［J］．Proceedings of the CSEE，2011，31(24)：111117.

［7］LI X D, XIAN B, DIAO C, et al. Output feedback control of hypersonic vehicles based on neural network and high gain observer ［J］. Science in China (Series F), 2011, 54(3): 429447.

［8］Low T S, Lee T H, Chang K T. A nonlinear speed observer for permanentmagnet synchronous motors［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 1993, 40(3): 307316.

［9］Li M, Chiasson J, Bodson M, et al. Observability of speed in an induction motor from stator currents and voltages［C］ //IEEE 44th Conference on Decision and Control. Seville, Spain: IEEE, 2005: 34383443.

［10］Li X, Bin Y. Output feedbackadaptive robust precision motion control of linear motors ［J］. Automatica, 2001, 45(5): 10291039.

［11］Keng P T, Ge S S, Francis E H. Adaptive control of electrostatic microactuators with bidirectional drive ［J］. IEEE Transactions on Control Systems Technology, 2009, 17(2): 340352.

［12］Xu Z, Yan L. Adaptive output feedback tracking for a class of nonlinear systems ［J］. Automatica, 2012, 45(5): 10291039.

[1]	杨振，付庄，管恩广，徐建南，田仕禾，郑辉. MLattice模块机器人的运动学分析及构型优化[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2017, 51(10): 1153-1159.
[2]	赵君1,余海东2. 基于绝对节点坐标法的柔性双臂机构动力学分析[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2017, 51(10): 1160-1165.
[3]	赵子任1,杜世昌1,黄德林1，任斐2，梁鑫光2. 多工序制造系统暂态阶段产品质量马尔科夫建模与瓶颈分析[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2017, 51(10): 1166-1173.
[4]	黄炫圭. 小边概率条件下较小植入团的算法[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2017, 51(10): 1202-1206.
[5]	罗晶晶a,余海东a,赵春璋a,b,王皓a,b. 基于绝对节点坐标法变截面柔性梁运动稳定性研究[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2017, 51(10): 1174-1180.
[6]	汪一波1，黄亦翔1，李炳初1，凌晓1，赵帅1，刘成良1,张大庆2. 一种基于静力学预计算的开关磁阻电机模态仿真方法[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2017, 51(10): 1181-1188.
[7]	周炳海,黎明. 考虑机器人约束加工的制造单元调度方法[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2017, 51(10): 1214-1219.
[8]	陈进平1，张树生1，何卫平1，王明微1，黄晖2. 基于驱动参数建模的可行更改路径搜索和优选方法[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2017, 51(10): 1220-1227.
[9]	周鹏辉，马红占，陈东萍，陈梦月，褚学宁. 基于模糊随机故障模式与影响分析的产品再设计模块识别[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2017, 51(10): 1189-1195.
[10]	彭程,朱剑昀,陈俐. 基于模型参考控制的混合动力汽车模式切换 [J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2017, 51(10): 1196-1201.
[11]	柳伟，杨超. 基于反向传播神经网络的注塑模具用零件报价模型[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2017, 51(10): 1207-1213.
[12]	陈苏婷，王卓，王奇. 基于非线性尺度空间的航拍场景分类[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2017, 51(10): 1228-1234.
[13]	陈宁，贺小滨，桂卫华，阳春华. 基于混沌离散序列的图像加密算法研究[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2017, 51(10): 1273-1280.
[14]	刘凯a，张立民b，周立军a. 随机受限玻尔兹曼机组设计[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2017, 51(10): 1235-1240.
[15]	朱信尧1，宋保维2，徐刚1，杨松林1. 支撑机构驻留水下航行器着陆策略及影响因素[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2017, 51(10): 1241-1251.