位置伺服系统滑模补偿器设计
摘 要:在位置伺服控制系统中,古典频域校正方法虽可有效地针对系统频响要求进行控制器设计,但各种干扰力矩的存在,严重影响了系统的性能。依据原有的频域校正控制器导出滑模切换面,给出了满足系统频响要求的滑模补偿器设计方法,在有效地克服干扰力矩影响的同时,又保证了系统动态频响性能,并已成功应用于某型飞行仿真转台的控制系统中。
关键词:变结构控制;位置伺服控制系统;非线性补偿;转台控制
目前,在伺服控制系统的工程实践中,最为成功、应用最为广泛的仍然是频域校正法。它能有效地针对系统动态频响和静态精确度指标要求进行控制器的设计,具有理论成熟,易于实现等优点。但是在高性能位置伺服控制系统中,非线性摩擦、不平衡力矩、电机力矩波动、转动惯量的变化等干扰因素的存在,严重地影响了系统动、静态性能,特别是当系统处于低速运行状态时,由于这些干扰力矩在控制量中的比重加大,不但造成系统的稳态误差,而且使系统产生爬行和波形畸变现象。
近年来,在克服系统非线性干扰方面,滑模变结构控制方法取得了极大的成功。对于滑模变结构控制理论,系统的动态性能主要取决于滑模切换面的设计[1],如何有效地设计滑模切换面,就成为决定系统动态性能的关键问题。在针对系统动态性能进行切换面的设计问题上,文献[2]应用状态反馈极点配置理论设计切换面。文献[1]为了使滑模运动具有所设定的特性,在状态变量的线性组合基础上引入积分运算和初始偏移量进行切换面设计。文献[3]和[4]分别使用输出量和跟踪误差量来设计切换面,以增强系统的动态性能。文献[5]从变结构控制器中分解出前馈补偿器,使用指令的前馈补偿来加快系统的响应速度。应当指出,由于这些方法都是立足于时域角度来改善系统的动态性能,所以无法有效地针对系统的频响要求进行变结构控制器的设计。
本文针对位置伺服转台的控制器设计问题,利用基于带宽设计的频域校正控制器导出了一种满足系统频响要求的滑模超曲面,给出了滑模补偿控制器的设计方法,在有效地克服了干扰力矩对系统性能影响的同时,保留了原有频域校正控制器的频响性能。
众所周知,滑模变结构控制方法对干扰具有良好的鲁棒性和干扰不变特性,且系统的动态性能主要取决于滑模切换面的设计[1],为了弥补干扰fr对系统的影响,将原有控制器P(s)和滑模变结构控制方法结合起来,在保留原有设计的频响性能的同时,通过滑模补偿控制器改善系统的低速性能。
对于位置伺服系统,古典控制理论中的频域校正方法可以有效地针对系统的频响要求进行控制器设计,而滑模变结构控制方法则能很好的克服系统非线性扰动增强系统鲁棒性。本文针对标称对象所设计的频域校正控制器所决定的状态轨迹,导出满足系统频响要求的滑模超曲面,构造滑模补偿器,可有效地克服非线性干扰力矩影响的同时,保证系统的频响要求,并在实际系统应用中取得了良好的实践效果。
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